CN1185210A - 空间磁性询问 - Google Patents

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Abstract

与各种技术一起公开了多种标签或标记,借助这些技术可以询问这样的标签。按照一个方面,磁性标记或标签特征在于带有多个直线阵列的离散磁性激活区。按照另一个方面,本发明提供一种在预定询问区域之内询问一个磁性标签或标记的方法,该标签包括一种高导磁率磁性材料,以便例如阅读磁性存储在标签中的数据,或使用标签的响应以在询问区域之内探测其存在和/或确定其位置,其特征在于询问过程包括步骤以使标签顺序经受:(1)场强足以使高导磁率磁性材料饱和的磁场,以及(2)如这里所限定的磁空。叙述了这样技术的应用,特别关于(a)识别标签附于其上的物件;(b)如外科探针定位那样的精确位置确定;以及(c)购物总加,其中各物品带有一个标签,该标签用表示其特性和其价格的数据进行了编码。

Description

空间磁性询问
本发明涉及在实用技术范围内利用磁特性，并且利用和一个磁性标记或识别标签一起的一项新的空间磁性询问技术。更具体地但非排它地说，本发明涉及在询问区域之内确定一个磁性标记或标签的存在和/或位置的方法；涉及识别一个磁性标签(例如识别一个给定标签以便将该标签与其它标签相区别)的方法；涉及把这些方法付诸实施的系统；涉及用于这些方法和系统的磁性标签；以及涉及在这些标签中的数据存储、及之后从这些标签中的远距离数据检索。
应该理解，在这里术语“标签”和“标记”可交换地使用，这些装置可用于许多不同的应用，并且根据装置的磁性，可以用来表示(a)仅仅标签的存在(并且因此表示标签附于其上的物件的存在)；或(b)标签的本性(并且因此表示标签附于其上的物件的本性)；或者它们可以相对预定坐标用来限定标签的精确位置(并且因此限定标签附于其上的物件的精确位置)；或者它们可以用来提供选取码(例如用于进入安全场所；或例如在公共运输网上用于售票目的)；或者它们可以一般地用来将一个物件或一组物件与其它物件相区别。
另外，在这里术语“ac场”和“DC场”用来表示其特征分别是那些与传导交变电流(ac)或直流电流(DC)的导电体相联系的磁场。
如上所指出，本发明的标签、方法和系统具有广泛的应用。这些应用包括(但不限于)库存管理、售票、自动购物系统、监视进行中的工作、安全标签、进入控制、防伪、以及物体定位(特别是工件例如外科探针的精确定位)。
目前可用的有许多被动数据标签系统。最广泛应用的系统基于光阅读印刷的线图形，一般称为条形码。这种系统的标签元件费用非常低，典型地只是墨水和纸。阅读器费用也相当低，典型地使用扫描激光光束。对于许多主要应用，条形码的唯一缺点是在阅读器与标签之间需要瞄准线。
对于那些不可能有瞄准线的应用，已经开发了不使用光发射的系统。最普遍的系统使用磁感应以在标签与询问电子设备之间实现耦合。这些系统典型地用50kHz到1MHz频率范围内的交变磁场操作，并且一般使用集成电子电路(“芯片”)来操纵接收和发射功能，并提供数据存储和处理。为了避免需要电池，芯片的电源由整流一个天线线圈接收的询问信号得到。为了增加输送的功率，并且为了提供对无用信号和干扰的区别，线圈通常在询问信号载波频率的频率下与一个电容器谐振。这种类型的典型产品是Texas Instruments Ltd.生产的TIRIS系统。
其它多位数据标签系统使用了常规高频无线电技术，或基于表面声波或磁致伸缩现象的技术。
本发明特别涉及使用一种新型的被动数据标签系统，该系统使用少量具有非常高导磁率的磁性材料，以及用于询问的扫描磁场。由于磁性材料可以取薄箔，线或膜的形状，所以它可以直接结合在一个基片例如纸或塑料材料上，以便形成自支持标签。
作为选择，磁性材料可以结合在标签与之联系的物件的结构之中；因此通过把磁性材料涂敷在物件的表面上，或把磁性材料嵌入物件的本体之中，可以就地用所述物件形成标签。
本发明利用包含“磁空”的磁场，“磁空”这个术语这里用来指空间中的一个点，线，面或体积，在该处或之内在给定直线方向上磁场分量为零。空间中其上满足这个条件的体积可以非常小，并且这样产生用其确定精确位置的本发明的某些实施例。典型地磁空将存在于相对小的直线范围内。应该理解，在有磁空的地方，有可能(并且经常是这种情况)在与给定直线方向正交的方向上磁场分量会相当大。在本发明的有些实施例中，这样相当大的正交磁场是所希望的。
生成磁空的一种方法是使用对向磁场源。这些磁场源可以是载流线圈，或永久磁铁(这些永久磁铁非常适合于小型系统)，或线圈和永久磁铁的组合。还可能在使用单线圈或永久磁铁时利用在特定方向上存在的磁空。
对于大型应用，磁场源最好是传导直流电流的线圈。
本发明还利用磁性标记与所施加磁场之间的相对移动以引起磁空经过标记之上。这可以通过相对所施加磁场移动标记，或在磁场扫描标记之上时使标记保持在固定位置来实现。一般地，本发明利用标记在(i)零磁场中(在磁空处)与(ii)在高度一般饱和磁场中磁性行为之间的差异。
按照本发明的一个方面，提供一种磁性标记或标签，其特征在于带有多个按直线阵列的离散磁激活区。离散磁激活区可以支承在一个基片例如纸或塑料材料上，或者它们可以是自支承的。作为选择，在制造物件本身期间可以把磁性元件直接结合到物件之内或之上。例如当物件是货物时，例如是带有标签以用于盘存目的的零售货物时；或当物件为票证或安全通行证时，这样做是适当的。
如上限定的一种标签还可以由一个连续的高导磁材料条形成，对它的离散区使它们的磁性质永久地或暂时地改变。将会理解，这样的过程可以从一个高导磁率条开始，然后一般通过消去或减小其选择区的导磁率以对它们进行处理，以便改变它们的磁性质；或者从附有一个可磁化条的一个高导磁率磁性材料条开始，对其选择区进行磁化，这里可磁化条安排为靠近高导磁率磁性材料，例如覆盖其上或与其邻近。在相对简单的实施例中，各磁激活区具有相同的磁特性；在较为复杂的实施例中，各磁激活区可以具有不同的磁特性，因此使得有可能组装大量标签，各标签具有唯一磁性，并且因此具有唯一磁性和特征(当由适当阅读装置处理时)。
因为本发明利用标签与所施加磁场之间的相对移动，所以将会理解，在标签阅读装置的输出信号的时域与标签磁性激活区的和磁性激活区之间间隙的直线尺寸之间将有对应关系。在这个意义上，激活区和激活区之间间隙类似地起光条形码的元件作用(黑条或相邻条之间的白间隙)。由此得出，正如激活区中磁特性的变化可以用来产生标签“本性”部分那样，相邻磁性激活区之间的直线间隔也可以用来做到这一点。将容易理解，因此按照本发明能生产大量各有其自身唯一本性的标签。
虽然已经叙述标签具有直线阵列的磁性激活区，但是标签实际上可以具有两个或多个这样的直线阵列。这些直线阵列可以相互平行安排，或相互正交安排，或按任何希望的几何布置来安排。为了使阅读这样的标签简单，最好是平行和/或正交排列。
用于生产本发明标签的适当技术在常规标签(例如磁性标记)制造业中为周知。适当的磁性材料也为周知并且可以广泛地得到；它们是高导磁率材料，最好具有至少103非本征相对导磁率。磁性材料的矫顽性将取决于标签的预定用途。磁性材料最好取细长条或薄膜形状；这些形状避免了较大的内部去磁作用。适当的条形材料容易从多家市场供应商，例如Vacuumschemel tze(德国)，Allied Signal Corp.(美国)，以及Unitika(日本)得到。目前由IST(比利时)大量制造的用于零售安全标签应用的薄膜材料也适合用于本发明。
除以上限定的标签之外，本发明还提供种种用于探测磁性标记存在和/或用于识别这样的标记的有用方法。虽然在许多情况下这些方法将预定和本发明的标签一起使用，但是就本发明的这些方法来说这并不是必要条件。
按照本发明的第二方面，提供一种在一个预定询问区域之内询问一个磁性标签或标记的方法，该标签包括一种高导磁率磁性材料，以便例如阅读磁性存储在标签中的数据，或使用标签的响应以在询问区域之内探测它的存在和/或确定它的位置，其特征在于询问过程包括如下步骤以使标签顺序经受：(1)场强足以使高导磁率磁性材料饱和的磁场，以及(2)如这里所限定的磁空。
最好使磁空在询问区域之内一个预定区域之上来回地掠过。扫描频率(即磁空的掠过频率)最好较低，例如1-500Hz。便利地，安排磁场分布图以便(a)所述磁空位于一个平面；以及(b)邻近所述平面出现饱和磁场。
按照本发明的第三方面，提供一种在一个预定询问区域之内确定一个磁性元件的存在和/或位置的方法，该磁性元件具有预定的磁特性，该方法的特征在于如下步骤：(1)在所述询问区域之内建立一种磁场分布图，其包括一个与多个区相邻接的相对小的零磁场(磁空)区，在这多个区中有足以使磁性元件或一部分磁性元件饱和的磁场(饱和场)，所述相对小的区与一个磁性元件正在通过其中，或磁性元件可以通过其中，或磁性元件预定通过其中的区同时存在；(2)在所述磁场与所述磁性元件之间引起相对移动，以便使所述磁空按预定方式横切至少一部分磁性元件；以及(3)探测在所述相对移动期间磁性元件的合成磁响应。
按照本发明的第四方面，提供一种识别一个具有预定磁特性的磁性元件的方法，该方法的特征在于如下步骤：(1)使磁性元件经受足以在至少一部分磁性元件中感应磁饱和的第一磁场；(2)其次使磁性元件经受零磁场(即磁空)条件，零场占有相对小的体积，并且与所述第一磁场邻接；(3)在所施加磁场与所述磁性元件之间引起相对移动，以便使所述磁空按预定方式横切至少一部分磁性元件；以及(4)探测在所述相对移动期间磁性元件的合成磁响应。
在以上限定的识别方法中，有利地使磁性元件横切在其之内产生所要求磁条件的询问区域。
按照第五方面，本发明提供一种识别一个磁性元件的方法，该磁性元件具有预定磁特性，该方法的特征在于如下步骤：(1)使磁性元件进入一个在其之内建立了一种磁场分布图的询问区域，该磁场分布图包括一个与多个区相邻接的相对小的零磁场(磁空)区，在这多个区中有足以使磁性元件或一部分磁性元件饱和的磁场(饱和场)；(2)使磁性元件移过饱和磁场，直到它到达磁空为止；(3)在所述磁场与所述磁性元件之间引起相对移动，以便使所述磁空按预定方式横切至少一部分磁性元件；以及(4)探测在所述相对移动期间磁性元件的合成磁响应。
磁性元件与磁场之间的相对移动可以有利地通过使所施加磁场掠过磁性元件来产生。作为选择，可以通过对一般静止的磁场分布图施加交变磁场来实现相对移动。
在执行以上限定的方法时，磁性元件的最佳实施例在任何一方延长，并且然后使磁空安排为沿所述磁性元件的主轴延伸；或者它们取薄膜形状，在这种情况下使磁空安排为将与薄膜材料的磁敏轴成直线对准。
在以上限定的方法中利用的磁场或场分布图可以用两个相反极性的磁场来建立。这可以方便地用一个或多个传导直流电流的线圈；或用一个或多个永久磁铁；或用线圈和磁铁的组合来实现。
在使用线圈时，它可以安排为传导相当大的恒定电流，以便使磁空保持在固定点。作为选择，线圈传导其大小按预定周期变化的电流，以便使磁空的位置按预定方式振动。我们把这种情况称为“浮空”。当既使用一个或多个线圈又使用一个永久磁铁时，可以用一种类似布置来产生“浮空”。
按照本发明的又一个方面，提供一种确定一个磁性元件的存在和/或位置的方法，该方法的特征在于如下步骤：(1)把磁场施加在一个安排了磁性元件或预期安排磁性元件的区域，所述磁场包括由磁场源产生的两个相反磁场分量，它们结果在所述磁场源中间位置(该位置已知或可以计算)产生空场(磁空)；(2)在所述磁场与所述磁性元件之间引起相对移动；以及(3)探测在所述相对移动期间磁性元件的合成磁响应。
磁场与磁性元件之间的相对移动可以通过把一个相当低振幅的交变磁场叠加在DC场上来实现。典型地，这样低振幅的交变磁场具有10Hz到100kHz，较好为50Hz到50kHz，并且最好为500Hz到5kHz范围的频率。
在一个实施例中，线圈传导相当大的恒定电流，以便使磁空保持在固定点。在另一个实施例中，线圈传导其振幅按预定周期变化的电流，以便使磁空的位置按预定方式振动。
在按照本发明的方法中，探测磁性元件的磁响应有利地包括观察所施加AC场的谐波，这些谐波是由磁性元件在其磁化状态因经过磁空而改变时所产生的。
如上指出，该系统用零或非常低频率的扫描场，以及50Hz-50kHz范围内的HF(高频)操作。这样允许优良信号透过包括薄金属箔的大多数材料。另外，国际规定允许在这些低频下发射强场。
本发明的最佳实施例提供一种多位数据标签系统，其使用低频感应磁性询问，并且避免需要复杂、昂贵的标签。
按照本发明的另一个方面，提供一种在预定物件组之内用物件的数据特性，例如物件价格和/或构成物件的货物特性，对各个物件编码和/或加标签的方法，该方法特征在于对各物件涂敷一个带有预定磁性区布置的磁性标签或标记，预定磁性区布置为该物件所唯一，或为该物件和其它享有相同特性的物件所唯一，相同特性例如有物件价格和/或构成物件的货物特性，所述磁性标签或标记对所施加磁场的询问敏感，以便产生响应以指示标签或标记的磁特性，并且因此指示带有磁性标签或标记的物件特性。
在进一步叙述实施例之前，适当提供相对简单的实施例以供参考，对说明本发明的一些基本方面是有用的。
本发明的一个关键方面是在询问区域中产生的磁场的形状；如后文将变得清楚，这个场允许询问非常小的空间区域。用于产生这个磁场的装置在下文将称为“询问器”。按一种简单形式，询问器由一对具有小间隔的相同线圈组成，线圈按它们的轴重合来排列。线圈被连接在一起，以便使它们的缠绕方向指向相反，并且使DC电流通过它们。这样使相反的磁场在线圈轴上建立，以便沿线圈轴在线圈之间中点产生零场(磁空)位置。线圈中电流强度为这样，以使放置在两个线圈中任一个线圈中心的高导磁率磁性材料的小样品深度饱和。还使一个振幅低得多的AC电流以相反方向流过这两个线圈，以便使产生的AC场在线圈之间中点加在一起。这可以通过把一个适当电流源连接在两个线圈的接点，并使用地回路而容易地布置。这个AC电流的频率典型地可以约为2kHz，但是其值不是关键，并且适当频率延及宽范围。这个AC电流产生与磁性标签相互作用的询问磁场，以便产生可探测的响应。这个AC电流的另一个作用是使零场(磁空)的位置沿线圈轴在中间位置附近小范圈振动(这种情况是摆动或振动，而不是任何相当大程度的偏移)。
另外，可以对线圈供给另一个低频AC电流，以便产生低频扫描场(该扫描场可以为零)。扫描场(当存在时)的频率应该足够低，以便允许相对高频率的询问场在磁空区通过标签时出现许多周期；典型地，询问场(ωc)与扫描场(ωb)的频率比约为100∶1的量级，然而将会理解，这个比可以在相当大范围内改变，而对本发明的性能无任何有害的影响。
当一个包含一件高导磁率磁性材料的标签沿线圈轴通过其上出现磁零平面振动的区域时，它最初将被DC磁场完全饱和。然后在它通过零场区时它将沿其B-H回线被简短地驱动。最后它将再变为饱和。磁性材料为“激活”，即磁性材料正在经历磁性变化的区实际上很小，并且由DC场的振幅、AC场的振幅、以及磁性材料的特性所确定。这个区能容易地小于1mm范围。如果交变场的强度大大小于使标签中磁性材料饱和所要求的强度，那么当标签进入询问场的零场区并对变化场作出响应时，将由标签产生AC信号的谐波。由于标签跨过狭窄的零场区，所以标签将在其B-H回线的直线部分上驱动，并且将通过仅再辐射基波询问频率而相互作用。然后，在标签离开零场区时，它将再发射询问场频率的谐波。一个安排为对在零场区产生的场敏感、但是不与询问器线圈直接耦合的接收器线圈将仅接收这些信号。在标签沿线圈轴通过时，这些信号随时间的变化给出磁性材料端部通过零场区的清楚指示。
将会理解，因为询问区域可以非常窄，所以可以把各单件磁性材料与它的隔开小段距离的相邻磁性材料相区别。自然，磁性材料将选择为适合标签的预期特定应用。如上文所述，适当的磁性材料可以从市场上买到。
如果现在考虑一个包含若干沿标签轴安排的磁性材料区或件的标签，将会理解，由于各磁性材料区或件通过零场区，所以能探测其存在及其端部位置。于是使用单个磁性材料区或件的长度和间隔来表示特定编码序列就成为一件简单的事。可能有许多不同的编码方案：一种有效布置是使用用于光条形码的模拟量编码方案，其中数据由代码中线的间隔和宽度来表示。
至此所述系统允许在一个单轴标签(例如各向异性材料的线或细条，沿其长度具有一个磁轴)实际移过线圈组件时扫描该单轴标签。将会理解，标签与询问场之间的相对移动可以或以场静止且标签移动，或相反以标签静止而场移动来实现。如果需要，可以使布置为自扫描，并且因此能够例如通过调制至两个询问器线圈的d.c.驱动电流，以使零场区扫过线圈轴的适当部分来询问静止标签。这个振动范围至少需要等于标签的最大尺寸，并且最好应该大得多，以避免需要在询问区域之内精确定位标签。
通过使用与原始轴正交的两个轴上安排的额外线圈，可以通过顺序场扫描来阅读随机取向的标签。这时就来自三个平面的有关信号来说包含大得多的复杂性，但是因为可得到非常高的空间分辨率，所以将能够阅读在一个公共询问体积内同时存在的许多标签。这对例如给日常零售物品加标签的应用极为有利，并且例如将允许在销售点对一袋购物进行自动价格总加。因此本发明对给物件加价格标签及对产生销售总额的销售点系统具有适用性(带有或没有附带与盘存有关的数据处理)。
简单直线标签的尺寸取决于各个元件的长度，它们的间隔，以及所要求的数据位数。使用市场上买得到的条状最高导磁率材料，例如从供应商如Vacuumschmel tze(德国)和Alied Signal(美国)买得到的“自旋熔性”合金箔，则可使用的各个元件的最小长度很可能约为几个毫米量级。这是因为非本征导磁率将由形状因素而不是由非常高的固有导磁率(典型为105)支配，并且较短长度对满意操作可能有不足的导磁率。
为此，有吸引力的是使用非常薄的高导磁率磁性材料薄膜。只要其非常薄，(理想地小于1μm)，这样的材料就能切成小的两维块件(正方形，圆盘形等)，面积仅仅20mm2或更小，然而仍保持高导磁率。这样将使标签能够比用市场上买得到的高导磁率箔制成的元件的可能长度短。适当的薄膜材料在市场上从IST(比利时)买得到。
对这种类型编程的扩展亦可用来使合成标签在零售安全系统中避免报警(这样报警将是误盗窃指示，并且对零售商和购买人双方都是窘迫的事)。如果对标签的不同区域用不同的静态场强加偏磁，则在它们通过零售安全系统时它们将以不同的时间产生信号。这将使这样系统中标签特征图复杂化，并且防止报警产生。在本发明中，阅读系统将能够处理由这样的偏磁所产生的时移信号。
至此标签编码是根据实际隔开的磁性元件来叙述的，然而并不必需实际隔开元件；通过在其选择区破坏连续磁性元件的高导磁率特性，可以实现对标签进行数据编程。例如通过局部加热到非晶合金的再结晶温度之上，或通过冲压成形或要么加工材料，可以做到这一点。甚至更重要的是用存储在由介质或高矫顽磁性材料制成的相邻偏磁元件中的磁分布图，能够使一个高导磁率材料的连续元件的各区域磁性隔开。然后通过使用适当的磁性记录头对偏磁元件写入磁分布图，可以对这样一种合成标签简单地编程。如果需要，然后可以清除标签(用AC场消磁)并用新数据重编程。
所述方案也能扩展为以两维存储数据的标签操作。就允许更为紧凑的标签，因为除是一种更方便的形式外，与相同数量补片的一维直线阵列比较，由N×N排列的薄膜补片制成的标签具有更大的编码潜力。这是因为在给定面积内能建立更多唯一的补片之间的相互关系。
除询问空间以阅读数据标签外，这项通过空间移动零场平面(或通过平面移动物件)的新技术还可以用来提供高导磁率磁性材料小物品的准确位置信息。
因此，按照另一个方面，本发明提供一种确定物体的精确位置的方法，其特征在于该方法包括：(a)把一小件高导磁率的磁性材料固定在物体上；(b)把由磁场源产生的包括相反场分量的磁场施加其中安排了所述物体的区域上，这样在所述磁场源中间位置产生空场；(c)对所述区域施加低振幅高频率的询问场；(d)使空场的位置慢慢来回地掠过预定移动范围；(e)观察所述施加磁场与所述小件磁性树料之间的磁相互作用；以及(f)在考虑所述磁相互作用下，并由与所述施加场及所述小件高导磁率磁性材料有关的已知磁性参数，计算物体的位置。有利地，小件高磁导率磁性材料取薄箔，线或薄膜形状。
本发明的这个方面在所要确定位置的物体是外科设备，例如外科探针或针时有特别的意义。本发明例如在外科探针操作期间允许精确确定其位置。
本技术对在相对限制体积之内准确定位非常小的标记很理想；它能分别分辨多个标签。它还对外界金属物体表现出低敏感性。
磁性标签或标记典型地可以为与EAS标签所使用类似的1cm长(如果希望则长些)的非晶线(无腐蚀性，直径90微米或更小)，或经过适当的过程加工，可以为短长度(例如1cm)的溅涂有薄层软磁性材料的针。
在用于患者头部时，用所述标记能实现0.1mm的分辨率。如果遵守关于其它磁性材料校准和使用的某些措施，精度也应该有可能达到这个值，但是对于最优性能，将希望为一种靠近头部的刚性的但为开式的结构。所使用的磁场强度将比日用磁铁(如厨房门扣等)产生的磁场强度低。
本技术对脑外科特别使用，其中要求按三维并以高精度定位探针。因此按照本发明，有可能在这样的探针或针上使用小磁性标记。在这种情况下，关键优点是来自标签的信号仅需要及时探测并加以分辨；分辨率是由零场平面的位置所确定，而不是由所探测标记信号的信噪比所确定。这样允许使用非常小的标记。
用一组与上述标签阅读系统类似的线圈可以实现一种单轴位置传感器。该传感器包括：一对传导DC电流以产生DC场梯度的相对线圈；一个施加相对均匀的低强度AC场、以在DC场接近于零的小区域中使标记饱和或脱离饱和的装置；以及一个施加强度和极性可变化的相对均匀的DC场、以在所询问体积周围移动零DC场平面的位置的装置。
一种各向异性标记，即一种具有一个最佳磁化轴的标记，沿其长度分辨磁场。例如通过使用细长磁性材料元件，或通过对具有非常小纵横比的磁性材料区域进行适当处理，例如对一般矩形补片的自旋熔性材料进行纵向退火，可以得到这样的标记。就所讨论的单轴位置传感器来说，有五个自由度(x，y，z及两个角度(标记绕其轴旋转没有影响))。通过在各线圈组上依次执行三次均匀DC场扫描，三个正交完备的线圈组能俘获足够的信息。第一次扫描从其它两组不扫描磁场，第二次扫描从其它两组中的一组扫描均匀DC场，以及第三次扫描从另外一组扫描DC场。这样总共产生九次扫描；这些扫描可以用下表来表示，其中磁场源用a，b和c标记，并且扫描用数字标记为1-9(扫描次序不重要)：
正交场源     1     2     3     4     5     6     7     8     9
    a   ON   ON   ON   OFF   OFF   ON   OFF   OFF   ON
    b   OFF   ON   OFF   ON   ON   ON   OFF   ON   OFF
    c   OFF   OFF   ON   OFF   ON   OFF   ON   ON   ON
从各次扫描所要求的唯一信息是该次扫描范围内标记输出谐波的中心位置。这九个DC场值于是可以转变成标记的xyz-θ-坐标。开始，在把头部放入线圈中之前通过使标记保持在希望位置可以简单地使用该系统；然后当把头部放在线圈中时可以移动标签，直到得到相同信号为止。
对感兴趣的扫描区域顺序询问具有要求较少时间的优点，另一种选择是连续旋转磁场梯度以便扫描感兴趣的所有方向。这可以用适当连续波形驱动三组线圈来实现。例如，如果用下列公式给定的电流Ix，Iy和Iz驱动x，y和z平面中的线圈，则将产生适当的扫描场：
Ix＝cos ωat(A cos ωbt-sin ωbt·sin ωct)-sin ωat·cos ωct
Iy＝sin ωat(A cos ωbt-sin ωbt·sin ωct)+cos ωat·cos ωct
Iz＝A sin ωbt+cos ωbt·sin ωct其中：ωa＝所施加磁场旋转的总频率
    ωb＝空扫描频率
ωc＝询问频率
A＝幅值比ωb∶ωc
这些参数的典型(但非限定)值为：
A＝10；
频率比ωa∶ωb＝1∶10；以及
频率比ωb∶ωc＝1∶400。
现在将参考附图说明本发明，其中：
图1说明本发明标签阅读系统的基本元件；
图2是电路图，说明用图1布置产生希望磁场分布图的一种方式；
图3说明标签的磁响应与其在图1阅读系统内部的位置的关系；
图4说明用永久磁铁在何处出现磁空；
图5说明本发明的一个实施例，它利用一个线圈和一个永久磁铁产生希望场分布图；
图6说明本发明的一个实施例，它利用一对永久磁铁产生希望场分布图；
图7说明本发明的一个实施例，它利用多个按环形与一个线圈一起安排的永久磁铁产生希望场分布图；
图8是按照本发明的标签询问器的一个实施例的示意电路图；
图9说明按照本发明的标签选择；以及
图10说明本发明应用于外科手术的一个实施例。
参考图1，示出了一种示意布置，其中在线圈Tx1与Tx2中间安排一个标签1。该标签为图9a所示类型，即一种带有多个磁性元件的简单直线标签，各磁性元件为高导磁率磁性合金材料，例如Vacuumschmeltze 6025自旋熔性带，具有约105的固有导磁率。读者将会理解，在本叙述中对与图1所示元件有关的各个参数所给定的值仅只作为例子给出，并且它们说明一个工作实施例。这些参数的值必将按照系统的总尺寸及其预期功能而改变。构成标签的离散磁性激活区的磁性元件具有10mm×1mm×25μm的尺寸；相邻元件之间的间隔为1mm。两个线圈隔开约20cm，并且各自包括按正方形布置典型为45cm×45cm缠绕的450匝0.56mm铜线。各线圈有6Ω的电阻及100mH的电感。线圈Tx1和Tx2各自传导一个直流电流I，叠加了一个较小的交变电流i；典型地，直流电流I约为3A的量级，而叠加的交变电流i约为50mA的量级。交变电流i有相对高频率，典型约为2kHz。
应用刚才所述这样的系统，两个线圈中的交变和直流电流产生一种磁场分布图，其中在箭头x方向上在与两个线圈平行并在它们之间的一个平面上的各点处，出理磁空。在图1中，这个中间平面的x-和y-坐标分别用直线2和3表示。
如果本发明的一个磁性标签通过图1所示的两个线圈，沿x方向并且一般地沿这两个线圈中心点之间所限定的纵轴方向移动，它将在坐标2和3所限定的中间平面经过磁场极性反向。之所以发生磁场极性变化，是因为如图1粗体箭头所示，在第一个线圈中DC电流按一个方向流动，而在另一个线圈中按相反方向流动。在中间平面，由第一线圈中流动的直流电流所产生的磁场分量正好抵消由另一个线圈中流动的直流电流所产生的磁场分量。
在标签移过第一线圈的中心时，它经历足以使其磁性激活元件饱和的强磁场；随着向中间平面移动场强降低，磁性材料按其磁滞曲线所规定方式受到阵低磁场的影响。在磁空附近，标签的磁性元件的磁化方向被反向。
图1所示相对高频率的交变电流i在各线圈Tx1和Tx2中相同。
如上文所指出，交变电流可以具有宽广范围内的频率；对图1布置典型操作值约为2kHz。这个相时低振幅的交变电流的作用将使坐标2，3所限定的中间平面沿这两个线圈中心点之间所限定的纵轴在几何中点附近振动。换句话说，包含磁空的平面以交变电流的频率在小空间区上来回地振动或摆动。
图2表示用于提供与AC场合成的相反DC场的简单电路。电容器C1选择为在AC驱动频率下与线圈Tx1和Tx2的电感谐振；这些线圈各自有6欧姆的电阻及100毫亨的电感。对于C1的典型值为0.1μF。C2是一个电容器，选择为在AC驱动频率下表现为有效短路；对于这个元件的典型值为22μF。DC电源典型地将在3安培下提供30伏电压；以及AC电源典型地将以2kHz频率2v有效值输送交变电流。
图3说明在图1线圈Tx1与Tx2之间所限定的磁场分布图范围内，单磁性元件的磁化怎样在不同位置随时间变化。为了说明方便，包含磁空的平面的振动用粗体双头箭头()4表示，平面的极端位置分别用虚线5和6表示，以及界限平面5与6之间的中点用虚线7表示。在图3右手部分，所施加AC场表示为随时间在正(H+与负(H-)场值之间变化。在所施加AC场的曲线图下方，有五个曲线图，画出在由左边位置1，位置2，等等所指示的五个几何位置中各位置处，磁性元件的净磁化怎样随时间变化。平面5和6限定区域的界限，在该界限范围内发生磁场极性反向。实际中，平面5与6之间间隔典型约为1mm的量级；对于给定的磁性材料，这个距离可以在一定界限内通过改变线圈中AC电流和/或DC电流的振幅任意增大或减小。
不论什么时候，磁性元件都有一个与平面5，6和7正交的磁轴。
在位置1，磁性元件的端部邻近平面6；在这个条件下，它总是经历正磁场，并且其净磁化不随时间变化。在位置2，元件的前端到达中间平面7。然而，磁性材料大部分仍然保留在界限平面6之外。结果，空平面能够只与磁性材料一部分相互作用，引起具有所示重复图形的随时间变化的净磁化，即一个直线正值部分，接着一个向零下降并且然后上升到其原始正值的一般正弦弧线。
在位置3，磁性材料相对中间平面7对称安排。这里，净磁化对时间曲线由一条其频率对应所施加AC场频率的正弦波组成。在位置4，磁性时料大部分总是经历负场，而元件较小部分经历极性反向；这样产生如所示的净磁化对时间曲线。位置4实际上是位置2的反面这个事实反映在对这两个位置的磁化曲线之间的关系中；如所能看见，对位置4的曲线事实上是对位置2的曲线的镜像，但是弯曲部分被时移。
最后，即位置5，标签整个经历负场，并且标签无任何部分经历场极性反向。结果，净磁化不随时间变化，如所示为恒定负值。
当一个包含这样磁性元件的标签沿线圈轴通过零场区时，它最初将被DC磁场完全饱和。其次在它通过零场区时它将简短地沿其B-H回线驱动。最后它将再变为饱和。磁性材料为“激活”，即磁性材料正在经历磁性变化的横向部分实际上很小，并且由DC场的振幅，AC场的振幅，以及磁性材料的特性所确定。这个区域能容易小于1mm量度。如果交变场的强度大大低于使标签中磁性材料饱和所要求的强度，那么在其进入零场区(位置1到位置2)并对变化磁场响应时，将由标签产生AC信号的谐波。在标签跨在窄零场区(位置3)时，标签将在其B-H回线的直线部分驱动，并将通过仅再发射基波询问频率而相互作用。然后，在标签离开零场区时(位置4到位置5)，它将再发射询问场频率的谐波。
一个安排为对在零场区产生的场敏感、但是不直接与询问器(Tx)线圈耦合的接收器(Rx)线圈将仅接收这些信号。通过使用实际上安排为具有低互耦合的隔开线圈Tx和Rx，或使用一个单线圈(具有Tx和Rx两者功能)同时使Tx和Rx通路具有适当滤波，可以实现这样的布置。在标签沿线圈轴通过时这些信号随时间的变化给出磁性材料端部经过零场区的清楚指示。
图3b表示标签与磁场之间所经历的这个相互作用的结果。这里，磁空振动区4以较小尺度表示，并且数字标记点表示在位置1到5中各处标签中点的位置。在标签进入界限平面5和6所限定的区，即在标签进入发生磁场极性反向的区的各位置处，由标签产生的谐波信号(用施加频率的二次谐波说明)明显。因为系统的对称性，因为位置2和位置4是冗余的，所以单个磁性元件将产生一对峰值8a和8b。
现在参考图4，该图说明简单条形磁铁现有的力线(即磁等场强线)。横切条形磁铁的纵轴并与纸平面正交的平面X-Y构成磁空平面。因此在其或横切通路A-B或横切通路C-D时，具有一个相对该空平面正交直线对准的敏感磁轴的磁性元件将经历磁空。因此简单条形磁铁能用作一个询问系统的一部分，以便探测这样磁性标签的存在或阅读由这样标签所携带的信息。
二次谐波信号的产生能构成一种标签探测系统的基础。如果标签包括直线阵列的n个磁性元件，而不是单个磁性元件，则标签输出的二次谐波将包括n对峰值，各对形式如图3b所示。如果磁性元件的尺寸和磁特性全部相同，则峰值将具有相同的形状，并且各峰值将限定一个恒定面积包封。各磁性元件之间的间隔将影响振幅对时间的曲线上的这些对峰值的相对位置。将会理解，本发明不限于使用刚才所述这样的简单标签。使用不同尺寸和磁特性的磁性元件，并沿磁性标签的长度应用不均匀间隔，将产生更复杂的信号图形，不过这些信号图形是给定标签构造的特征。通过改变一系列磁性元件的数量，磁特性及定位，有可能制造大量各有其自身唯一特征的磁性标签，因此它们在连同图1至图3系统一起使用时将产生唯一信号。
还将会理解，本发明不限于保持所施加交变频率的二次谐波；选择了这个特定谐波是为了说明目的，因为产生一个发射信号(Tx输出)，其没有(或很少)二次谐波内容，并且因此允许优良辨别Tx信号与标签响应要相对容易；并且还因为它包含标签输出总谐波能量中的相当大部分。
其次参考图5，示出了一种按照本发明用于简单标签阅读器的示意布置，该阅读器利用一个永久磁铁10及一个安排在磁铁一面邻近的线圈11。在本实施例中，待读标签可以沿通路C-D穿过线圈11，或沿通路A-B在该线圈上部经过。标签必须以它们的磁轴与标签移动方向直线对准来取向。在图5中，磁空平面如所示安排在12处。
其次参考图6，说明使用两个永久磁铁，这两个永久磁铁以它们的磁轴直线对准，并以相同磁极相互对置来安排。这样的布置形成一个空平面13；所要求的标签移动方向由箭头14指示。此外，标签的磁轴必须与移动方向直线对准。
图7表示一种标签阅读器头的简单实现，它使用多个永久磁铁来产生磁空平面。如图所说明，十个聚合物粘结的铁氧体磁铁按环形以相同磁极向内面对来安排。一个公共发射/接收线圈L1以所示方式安放在环形磁铁的内部。标签在其通过磁铁环中心的空平面时被阅读。
其次参考图8，示出了一个按照本发明的询问系统的实施例。这个实施例基于使用单线圈L1来起发射器(Tx)线圈和接收器(Rx)线圈两者的作用，发射器线圈产生希望的磁场分布图。该系统使用标签的二次谐波输出作为标签探测/识别的基础。电路元件C1和L2在频率2f下形成谐振滤波节，以在这个频率下把Tx输出的信号减小到非常低水平；C2在频率f下与L1谐振；以及元件C3，C4，L1和L3形成一个滤波器，以在频率2f下使来自标签的有用信号通过，而在发射频率f下阻止信号。
从这个电路得到的输出通过一个低通滤波器送到一个模拟-数字转换器(ADC)，并且从那里送到一个数字信号处理器。这些元件特别是信号处理器将构成为适合询问装置的预期应用。信号处理的特性及其实现的装置全部为常规技术，并且因此在这里将不作进一步叙述。
图9说明按照本发明的磁性标签的基本结构。图9a表示一个标签100，其包括一个支承介质101(例如纸或塑料材料)，以及直线阵列的磁性激活区102、103、104、105和106。各磁性激活区由高导磁率磁性材料(例如Vacuumschmeltze 6025)的补片形成，其磁轴沿标签的长度直线对准。各补片面积约为10mm2，并且粘附性地固定在基片101上。
补片101-105尺寸和磁性相同，并且均匀地隔开，间隙110，111和112全部相等。然而，补片105与106之间的间隙较大，就好象在113处由点线所示位置处遗漏了一个补片。
标签100表现为一个六位标签，编码为111101(零为区113)。
一个功能上等效的标签120由一个带有磁性元件122-126、并且具有“间隙”127的基片121形成；在本实施例中，磁性元件取高导磁率磁性材料为条或线(例如Vacuumschmeltze 6025)的形状，典型地约为5mm长，1mm宽及约15μm厚。
图9b说明一种六位分层标签130的选择结构。这个标签如图9a一样编码为111101。这里，在一个连续层或连续长的高导磁率磁性材料131(取线，条，薄膜或薄箔形状)与一个基片133当中夹一个偏磁层132。偏磁层在预定区被磁化，这些区影响上面覆盖的高导磁率磁性材料，以产生如134、135、136、137和138所示的磁性激活区。区139不激活，并且因此构成磁零。当由如图8那样的询问系统阅读时，标签100，120和130所产生的输出将如图9d所示。
图9c表示一个更复杂的标签。这里有一系列平行直线阵列的磁性激活材料，形成4×4列格位，其中磁性激活材料可以存在(编码为‘1’)或缺少(编码为‘0’)。
图10说明按照本发明用于外科应用的三组线圈的一般布置。这三组线圈全部相互正交，并且限定一个空腔，其中可以安排患者头部200。第一线圈组由线圈201a和201b组成；第二组由线圈202a和202b组成；以及第三组由线圈203a和203b组成。在该图中，两个外科探针204和205示意表示定位在患者的颅内。探针在它们的远端各有一个磁性标签206、207，例如为以上参考图9所述那些标签的一种。因为该标签的磁性元件仅要求提供其存在的信息(而不是保存大批数据)，所以优选相对简单的标签。在探针尖端安排单个高导磁率磁性材料的磁性元件就足够了。线圈按以上详细叙述的方式操作。借助本发明，有可能以高精度确定探针端的位置，并且准确地且对健康细胞组织损坏最小地实行精密的外科手术。

Claims (46)

1.一种磁性标记或标签，其特征在于带有多个按直线阵列的离散磁性激活区。
2.根据权利要求1所述的标签，其特征在于所述离散磁性激活区支承在一个基片上。
3.根据权利要求1或2所述的标签，其特征在于所述离散磁性激活区由可磁化材料的连续条形成，其离散区被磁化，并且所述磁性激活区之间的间隔不被磁化。
4.根据权利要求1，2或3所述的标签，其特征在于该标签有两个或多个磁性激活区的直线阵列。
5.根据权利要求4所述的标签，其特征在于该标签有两个正交安排的直线阵列。
6.根据以上任意一项权利要求所述的标签，其特征在于各磁性激活区为大致相同的形状和尺寸。
7.根据以上任意一项权利要求所述的标签，其特征在于各磁性激活区之间的间隔均匀。
8.根据权利要求1到6中任意一项所述的标签，其特征在于各磁性激活区之间的间隔不均匀。
9.根据以上任意一项权利要求所述的标签，其特征在于它取一个沿其长度具有一个最佳磁化轴的相对细长条的形状。
10.根据权利要求1到9中任意一项所述的标签，其特征在于磁性激活区由具有一个最佳磁化轴的薄膜、自旋熔性材料形成，最佳磁化轴在直线阵列(或各直线阵列)之内直线对准。
11.根据权利要求9所述的标签，其特征在于最佳磁化轴通过对薄膜、自旋熔性材料进行纵向退火形成。
12.一种在预定询问区域之内询问一个磁性标签或标记的方法，该标签包括一种高导磁率磁性材料，以便例如阅读磁性存储在标签中的数据，或使用标签的响应以在询问区域之内探测其存在和/或确定其位置，其特征在于询问过程包括如下步骤以使标签顺序经受：(1)场强足以使高导磁率磁性材料饱和的磁场，以及(2)如这里所限定的磁空。
13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于在询问区域之内使所述磁空来回地掠过一个预定区域。
14.根据权利要求12或13所述的方法，其特征在于(a)所述磁空位于一个平面内；以及(b)邻近所述平面出现饱和场。
15.一种在一个预定询问区域之内确定一个磁性元件的存在和/或位置的方法，该磁性元件具有预定的磁特性，该方法的特征在于如下步骤：(1)在所述询问区域之内建立一种磁场分布图，其包括一个与多个区相邻接的相对小的零磁场(磁空)区，在这多个区中有足以使磁性元件或一部分磁性元件饱和的磁场(饱和场)，所述相对小的区与一个磁性元件正在通过其中、或磁性元件可以通过其中、或磁性元件预定通过其中的区同时存在；(2)在所述磁场与所述磁性元件之间引起相对移动，以便使所述磁空按预定方式横切至少一部分磁性元件；以及(3)探测在所述相对移动期间磁性元件的合成磁响应。
16.一种识别一个具有预定磁特性的磁性元件的方法，该方法的特征在于如下步骤：(1)使磁性元件经受足以在至少一部分磁性元件中感应磁饱和的第一磁场；(2)其次使磁性元件经受零磁场(即磁空)条件，零磁场占有相对小的体积，并且与所述第一磁场邻接；(3)在所施加磁场与所述磁性元件之间引起相对移动，以便使所述磁空按预定方式横切至少一部分磁性元件；以及(4)探测在所述相对移动期间磁性元件的合成磁响应。
17.根据权利要求16所述的方法，其特征在于使所述磁性元件横切在其之内产生所要求磁条件的询问区域。
18.一种识别一个磁性元件的方法，该磁性元件具有预定磁特性，该方法的特征在于如下步骤：(1)使磁性元件进入一个在其之内建立一种磁场分布图的询问区域，该磁场分布图包括一个与多个区相邻接的相对小的零磁场(磁空)区，在这多个区中有足以使磁性元件或一部分磁性元件饱和的磁场(饱和场)；(2)使磁性元件移过饱和磁场，直到它到达磁空为止；(3)在所述磁场与所述磁性元件之间引起相对移动，以便使所述磁空按预定方式横切至少一部分磁性元件；以及(4)探测在所述相对移动期间磁性元件的合成磁响应。
19.根据权利要求15，16，17或18所述的方法，其特征在于所述相对移动通过使所施加磁场掠过磁性元件来产生。
20.根据权利要求12到19中任意一项所述的方法，其特征在于所述磁性元件为一般延长的，以及在于使所述磁空的零磁场方向安排为沿所述磁性元件的主轴延伸。
21.根据权利要求12到19中任意一项所述的方法，其特征在于所述磁性元件取薄膜形状，以及在于使所述磁空的零磁场方向安排为与薄膜的磁敏轴成直线对准。
22.根据权利要求12到21中任意一项所述的方法，其特征在于所述磁场或磁场分布圈是通过对所述空间体积或所述询问区域施加两个相反极性的磁场来建立。
23.根据权利要求22所述的方法，其特征在于施加所述两个磁场是通过使用一个或多个传导直流电流的线圈来实观。
24.根据权利要求12到23中任意一项所述的方法，其特征在于所述磁场或磁场分布图是通过使用一个或多个永久磁铁来建立。
25.根据权利要求23所述的方法，其特征在于所述线圈传导基本恒定的电流，以便使磁空保持在固定点。
26.根据权利要求23所述的方法，其特征在于所述线圈传导其大小按预定周期变化的电流，以便使磁空的位置按预定方式振动。
27.根据权利要求24所述的方法，其特征在于所述永久磁铁带有一个或多个线圈，线圈传导一个大小按照预定周期变化的电流，以便使所述磁空的位置按预定方式振动。
28.根据权利要求15到27中任意一项所述的方法，其特征在于通过对所述磁场或磁场分布图施加一个交变磁场来引起所述相对移动。
29.一种确定一个磁性元件的存在和/或位置的方法，该方法的特征在于如下步骤：(1)把磁场施加在一个安排了磁性元件或预期安排磁性元件的区域，所述磁场包括由至少一个磁场源产生的两个相反的磁场分量，结果在一个预定位置产生空场；(2)在所述磁场与所述磁性元件之间引起相对移动；以及(3)探测在所述相对移动期间磁性元件的合成磁响应。
30.根据权利要求28或29所述的方法，其特征在于通过施加叠加在DC场上的相对低振幅的交变磁场来引起所述磁场与所述磁性元件之间的相对移动。
31.根据权利要求30所述的方法，其特征在于所述相对低振幅的交变磁场具有10Hz到100kHz范围的频率。
32.根据权利要求12到31中任意一项所述的方法，其特征在于探测所述磁性元件的磁响应包括观察所施加AC场的谐波，这些谐波是由磁性元件在其磁化状态因经过磁空而改变时所产生的。
33.一种确定一个物体的精确位置的方法，其特征在于该方法包括：(a)把一小件高导磁率的磁性材料固定在物体上；(b)把由磁场源产生的包括两个相反场分量的磁场施加其中安排了所述物体的区域上，这样在所述磁场源中间位置产生空场；(c)对所述区域施加低振幅高频率的询问场；(d)使空场的位置慢慢来回地掠过预定移动范围；(e)观察所述施加磁场与所述小件磁性材料之间的磁相互作用；以及(f)根据所述磁相互作用，并由与所述施加场及所述小件磁性材料有关的已知磁性参数，计算物体的位置。
34.根据权利要求33所述的方法，其特征在于所述物体为外科设备。
35.根据权利要求33所述的方法，其特征在于所述物体为外科探针或针。
36.根据权利要求33，34或35所述的方法，其特征在于所述小件高导磁率磁性材料取薄箔，线或薄膜的形状。
37.根据权利要求33到36中任意一项所述的方法，其特征在于所述磁场源为线圈。
38.根据权利要求33到36中任意一项所述的方法，其特征在于所述磁场源中一个或两个为永久磁铁。
39.根据权利要求33到38中任意一项所述的方法，其特征在于所施加磁场由三组相互正交的磁场源产生。
40.根据权利要求38或39所述的方法，其特征在于所施加磁场是通过操作顺序场扫描，并且对各扫描计算磁性材料输出的谐波中心位置来产生。
41.根据权利要求40所述的方法，其特征在于有九次按照下表操作的顺序场扫描，其中磁场源用a、b和c标记，以及扫描用数字标记为1-9(扫描次序不重要)： 正交场源     1     2     3     4     5     6     7     8     9     a   ON   ON   ON   OFF   OFF   ON   OFF   OFF   ON     b   OFF   ON   OFF   ON   ON   ON   OFF   ON   OFF     c   OFF   OFF   ON   OFF   ON   OFF   ON   ON   ON
42.根据权利要求40所述的方法，其特征在于连续激励三个正交线圈组，以便在预定宽度的控制扫描中产生覆盖感兴趣体积的连续旋转场方向。
43.一种在预定物件组之内用物件的数据特性，例如物件价格和/或构成物件的货物特性，对各个物件编码和/或加标签的方法，该方法特征在于：对各物件涂敷一个带有预定磁性区布置的磁性标签或标记，预定磁性区布置为该物件所唯一，或为该物件和其它享有相同特性的物件所唯一，相同特性例如有物件价格和/或构成物件的货物特性，所述磁性标签或标记对所施加磁场的询问敏感，以便产生响应以指示标签或标记的磁特性，并且因此指示带有磁性标签或标记的货物特性。
44.根据权利要求43所述的方法，其特征在于所述磁性标签或标记包括多个各自表现高磁导率的磁性区。
45.根据权利要求44所述的方法，其特征在于各磁性区能由一个介质矫顽性磁性材料的第二层来偏磁。
46.一种对单个物件的组合进行数据(例如价格)总加的方法，这些物件各自带有一个如权利要求1到11中任意一项所述的磁性标签，这些标签带有表示它们附于其上的物件的特有特征(例如价格)的数据，其特征在于使物件组合移过一个询问区域，在该询问区域使组合经受如权利要求39到42中任意一项所述的一种方法；以及处理在所述方法期间接收的信号，以便产生所要求的单个数据值的总加。
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