CN102498616B - 用于无源rfid轮胎压力传感器发射器的聚焦场天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种无源的RFID发射器传感器系统，其包括具有聚焦场发射器天线的传感器组件，所述聚焦场发射器天线具有可高度磁穿透的发射器天线杆；和具有产生磁场的电读出器线圈的读出器天线，该磁场具有在读出器天线和传感器组件之间延伸的磁通量。该电发射器线圈和电读出器线圈由磁场耦联，因此信息能够通过耦联电发射器线圈和电读出器线圈的磁场传输给传感器组件和传输自传感器组件。

Description

用于无源RFID轮胎压力传感器发射器的聚焦场天线
相关申请的交叉引用
本申请基于2009年7月27日提交的临时申请No.61/228,914。
技术领域
背景技术
本发明总的涉及交通工具轮胎监控系统，并且更特别地涉及用于将动力从低频(LF)RFID读出器传输给飞行器轮胎压力传感器，以便在飞行器轮胎压力传感器和控制单元之间传输数据的系统。更具体地说，本发明涉及特别适合于在飞行器上使用的在轮缘上的轮胎压力传感器与连接于轮毂或手持式读出器/发射器的控制电子器件之间的通信链接。
监控关于每个轮胎的信息，例如压力或温度信息，并且将这种信息提供给驾驶室或航线轮胎维修人员在飞行器上是非常有用的。必需将这种信息从轮缘传输给轮轴上的或手持式读出器/发射器内的电子设备。
一种已知的轮胎压力系统使用一对变压器线圈，从而在轮轴中的主线圈和辅助线圈之间通信。这些变压器是同轴的并且彼此面对。连接于变压器对的辅助变压器的一定长度的电线与设置在轮缘周边上的轮胎压力传感器直接连接。但是，希望提供用于电磁地耦联轮毂线圈和轮胎压力传感器线圈之间的磁场的飞行器轮胎压力链接，其不使用不可靠的电连接并且不使用在飞行器轮子的恶劣环境中易于断裂的电线。因此，希望提供一种在飞行器轮毂和设置在轮缘上的轮胎压力传感器之间的非接触式通信方法，该方法不需要在轮毂和轮胎压力传感器之间通信的电连接或一定长度的电线。更具体地说，希望提供一种在飞行器轮毂或手持式读出器/发射器与设置在距离轮毂或发射器天线最多六英寸远的轮缘上的轮胎压力检测发射器之间的无线通信。
RFID天线概念以空气芯线圈和铁氧体磁棒螺线管的形式广为人知。这种技术例如公开在RFID手册或美国专利No.6,839,035(Addonisio)中，其中磁耦合范围延伸用调谐共振插入线圈实现。同样公知的是US2008/0042850 A1，其中混合式RFID电缆接头(tag)包括能够设置在由第一天线限定的开放区域内的电路，并且包括能够设置在由第一天线限定的另一个区域内的电池。
许多现有技术应用于高频RFID，其中频率太高而不能有效地引导通量通过可高度穿透的介质(例如，高镍合金金属)任何有用的距离。低频(LF)RFID发射器天线通常需要天线线圈按照法拉第定律直接暴露于磁场，其中EMF与变化的磁场内的线圈的面积成比例。这种传统的场耦合线圈实践导致大面积的线圈在延伸的距离上实现磁耦合的RFID通信。
希望提供用在传感器预装件(package)系统中的低频RFID发射器系统，例如在轮胎压力传感器系统或温度传感器系统中的低频RFID发射器系统，并且允许使用在RFID技术之前已经变成行业标准的传感器预装件系统中的低频RFID天线，而不改变这些传感器的传统形式因素。希望设计这种传感器预装件系统的磁性性质以控制磁通量径阻抗，从而集中并引导磁通量通过发射器天线的内部线圈，然后允许通量从发射器天线线圈的外表面返回到读出器天线。
对于传感器预装件内的嵌入式RFID天线存在需求，否则由于应用具有大横截面的天线线圈的尺寸、形状和环境关系，这种天线不适合于用在飞行器起落装置的暴露区域中。
还希望，通过用这种低频RFID发射器传感器系统的读出器天线形成磁场的形状，并在读出器和发射器天线磁流路径之间形成/建立有效的场样型配对，从而提供用于低频RFID发射器传感器系统的范围延伸。还希望使用并最优化存在于LF RFID频带中的通量引导可能性。
还希望提供低频RFID传感器发射器系统，其中传感器发射器组件壳体被配置为使用环境和结构金属特征，并且也起到有效增加线圈的通量收集面积的磁性功能，从而还允许使用较小的传感器发射器线圈。希望通过传感器壳体的外部上的磁可穿透的金属而集中来自LFRFID发射器天线的磁通量，然后通过传感器壳体上的同样的磁可穿透的金属的一部分集中并引导该磁通量通过电线线圈的中心，即便当该线圈设置在传感器壳体内。本发明满足这些和其他需求。
发明内容
简言之，本发明提供一种无源的RFID发射器传感器系统，包括具有可高度磁穿透的发射器天线杆的聚焦场(focused field)发射器天线，和具有产生磁场的电读出器线圈的读出器天线，该磁场具有从读出器天线延伸到传感器组件的磁通量。该电传感器发射器线圈和电读出器线圈由该磁场耦联，因此信息能够通过耦联电发射器线圈和电读出器线圈的磁场传输给传感器组件和传输自传感器组件。
通过本发明，在传感器发射器线圈中的EMF使用较小的线圈实现，该线圈被配置为使用其环境和结构壳体金属特性，从而也用于有效增加线圈的通量收集面积的第二磁性功能。来自LF RFID发射器天线的磁通量能够由传感器壳体外部上的磁可穿透的金属集中，并且该通量然后通过同样的磁可穿透的金属聚集并引导通过基本具有任何期望横截面积的电线线圈的中心，即使当该线圈设置在传感器壳体内时。正如常规的铁氧体芯型发射器天线的情况一样，其芯的长度增加用于发射器的通量耦联距离，但是本发明通过使用传感器壳体实现相同的耦联范围延伸而推进了本领域，该传感器壳体具有双重功能，从而还执行通量收集和聚集功能，而不需要增加单独的铁氧体芯。
因此本发明提供一种无源的RFID发射器传感器系统，包括电子传感器装置和发射器天线。该发射器天线包括电连接于该电子传感器装置的电发射器线圈，和用磁可穿透的金属形成的壳体，该壳体内设置有电发射器线圈。该壳体包括具有顶部的发射器天线杆，该顶部具有被配置为接收进入该发射器天线杆内的磁通量的外侧，并且所述壳体包括被配置为聚集并引导磁通量通过该电发射器线圈的部分。
在目前优选的方面中，该电子传感器装置设置在壳体中。在另一个目前优选的方面中，该壳体包括通量返回表面，该表面优选与发射器天线杆的顶部间隔开。在另一个目前优选的方面中，该电子传感器装置包括电子压力传感器装置，该传感器组件包括内部空气压力传感器通道，并且该电子压力传感器装置通过所述内部空气压力传感器通道而被连接以便检测空气压力。
在另一个目前优选的方面中，该无源的RFID发射器传感器系统可以包括读出器天线，该天线包括用于产生磁场的电读出器线圈，该磁场包括磁通量，其中该磁通量从读出器天线的外边缘延伸到发射器天线，因此电发射器线圈和电读出器线圈由该磁场耦联，因而信息能够通过耦联电发射器线圈和电读出器线圈的磁场传输给传感器组件和传输自传感器组件。
该发射器天线包括电连接于电子传感器装置的电发射器线圈，并且有利地包括聚焦该磁场的可高度磁穿透的发射器天线杆，因此磁通量被聚集并引导通过该内部发射器线圈，并且然后允许该通量从该发射器天线的外表面返回到读出器天线。在目前优选的方面中，发射器天线杆包括具有通过其进入磁通量的外侧的顶部，并且可以包括外部堆叠架。在另一个目前优选的方面中，发射器天线杆包括通过低损失的、不可穿透的线圈轴保持器与该外部堆叠架间隔开的通量返回表面，并且电发射器线圈设置在该线圈轴保持器中的内部空间内。
在另一个目前优选的方面中，该电子传感器装置是电子压力传感器装置，该传感器组件包括内部空气压力传感器通道，并且该电子压力传感器装置通过该内部空气压力传感器通道而被连接以便检测空气压力。在另一个目前优选的方面中，该读出器天线包括读出器延伸臂，该臂能够用磁可穿透的金属结构形成。在另一个目前优选的方面中，该发射器天线是低频RFID发射器系统。
本发明的其他特征和优点从下面结合附图对优选实施例的详细描述将变得更加清楚，附图以举例的方式示出本发明的操作。
附图说明
图1是示出将根据本发明的无源RFID发射器传感器系统安装在飞行器轮子中的局部剖视图，其将轮毂电磁地连接于轮胎压力传感器。
图2A是根据本发明的LF RFID磁场读出器/发射器对的示意剖视图，并且示出磁通量线的分布(propagation)。
图2B是根据本发明的图2A的LF RFID磁场读出器/发射器对的第一变型的示意剖视图，包括LF RFID磁场读出器的第一变型，并且示出磁通量线的分布。
图2C是根据本发明的图2A的LF RFID磁场读出器/发射器对的另一种变型的示意剖视图，包括LF RFID磁场读出器的另一种变型。
图3是根据本发明的图2A-2C的LF RFID磁场发射器的示意剖视图。
图4是图3的LF RFID发射器的一部分的放大的剖视图。
图5是图3所示的LF RFID磁场发射器的变型的示意剖视图。
具体实施方式
参考附图，附图以举例的方式而不是以限制的方式提供，本发明提供一种金属的轮胎传感器和监控系统，例如，适合用在飞行器轮子中的轮胎压力传感器(TPS)和监控系统。参考图1和图2A-2C，图1和图2A-2C示出轮胎压力监控系统10，其中电子设备单元(未示出)通常设置在飞行器轮子16的轮毂14中或者在手持式读出器/发射器(未示出)中，例如，使用磁场22与诸如轮子的轮缘20附近的轮胎压力传感器(TPS)组件18的电子传感器装置连通。
如图2A至图4所示，轮胎压力传感器组件包括传感器外壳23，该外壳23包括用可高度磁穿透的金属形成的壳体24，并且具有可高度磁穿透的发射器天线延伸臂或杆26，该杆26提供一定长度的薄并且可高度穿透的多层和分层的金属结构28。可高度磁穿透的TPS杆包括顶部30，顶部30具有外侧32，磁通量34通过外侧32进入，这将在下面进一步说明。
该杆通常也包括中心内部螺纹槽36和标准的填充杆阀芯38。该杆通常还包括形成在该杆的通量返回表面42附近的外部堆叠架(stacking shelf)或凸肩40，该表面与外部堆叠架或凸肩由低损失的、不可穿透的线圈轴保持器44(例如铝线圈轴保持器)间隔开。该线圈轴保持器包括压力密封件46，例如，O形环密封件。
电发射器线圈48设置在壳体内的内部空间50中，并且通过绝缘的线圈端子52连接于电子压力传感器装置54(示于图3)，该传感器装置54通过延伸通过传感器外壳和轮缘的内部空气压力传感器通道55连接于安装在轮缘上的轮胎(未示出)内部，用于检测该轮胎内的空气压力。
通常位于轮毂上的轮毂线圈、询问器、读出器或读出器天线56包括产生磁场的电读出器线圈58。来自轮毂线圈的边缘60的磁场的磁通量使用所述具有一定长度的薄并且可高度穿透的多层和分层的金属结构向外偶联于轮缘周边62的轮胎传感器的发射器线圈，轮胎压力传感器的发射器线圈位于轮缘周边62处。磁通量进入可高度磁穿透的TPS杆的顶部外侧，并且被变为直的以便通过轮胎压力传感器的发射器线圈。以这种方式，磁场收集面积可由轮胎压力传感器组件提供，并且信息能够通过磁场传输给轮胎压力传感器和通过磁场传输自压力传感器，两个线圈通过该磁场偶联。
参考图2A，发射器天线线圈能够是非常平的，例如制造在印刷线路板(PWB)上，但是线圈本身不需要具有用于磁场集中的大直径。发射器天线的小外形线圈允许返回到轮毂线圈、或询问器、读出器或读出器天线线圈的较短的磁通量路径，这成比例地增加通信范围。正如在图2B和图2C所示，读出器天线线圈可以包括提供一定长度的磁可穿透的金属结构的读出器延伸臂或杆64。
在图5所示的图2A至图4的轮胎压力传感器组件的变型中，其中相同的附图标记表示相同的元件，轮胎压力传感器组件包括传感器外壳23，该外壳23包括用可高度磁穿透的金属形成的壳体24，并且具有提供一定长度的薄且可高度磁穿透的多层和分层金属结构28的可高度磁穿透发射器天线延伸臂或杆26。如上所述，可高度磁穿透的TPS杆包括顶部30，该顶部30具有磁通量通过其进入的外侧32。
该杆通常还包括中心内部螺纹槽36和标准的填充杆阀芯38。该壳体还包括外部通量返回部件66，该外部通量返回部件66围绕发射器天线延伸臂或杆径向向外设置并且用可高度磁穿透的金属形成，并且以磁连通的方式与发射器天线延伸臂或杆的可高度磁穿透的多层和分层金属结构的基部68连接。靠近发射器天线延伸臂或杆的顶部的外部通量返回部件的上部70提供通量返回表面72，该通量返回表面例如由空气间隙74与发射器天线延伸臂或杆的顶部间隔开。该通量返回部件也用作压力容器和盖夹紧件。诸如弹性O形环密封件的压力密封件46设置在外部通量返回部件和发射器天线延伸臂或杆之间。
电发射器线圈48设置于限定在外部通量返回部件和发射器天线延伸臂或杆之间的壳体内的内部空间50中，并且通过绝缘的线圈端子(未示出)连接于电子压力传感器装置54，该电子压力传感器装置54通过延伸通过传感器外壳和轮缘的内部空气压力传感器通道55连接于安装在轮缘上的轮胎的内部(未示出)，用于检测轮胎内的空气压力。磁通量耦联回路从读出器线圈延伸出，通过发射器天线延伸臂或杆，通过电发射器线圈，并且从通量返回表面区域到读出器线圈，从而与读出器线圈形成磁通量耦联回路。
本发明采用了用在轮胎压力或温度传感器中的低频(LF)RFID发射器系统。本发明能够使LF RFID天线被设计为在RFID技术之前已经成为行业标准的传感器预装件系统，并且不改变这些传感器的传统形式因素。通过本发明的构思，这些预装件(package)材料的磁性性质被配置为控制磁通量路径阻力，从而集中并且引导通量通过内部线圈，并且然后使通量能够从发射器的外部表面返回到读出器天线。这里公开的本发明独特之处在于：范围延伸是使用读出器天线形成磁场形状和在读出器和发射器天线通量路径之间形成有效的场样型配对的结果。
通过前面所述，已经表明本发明提供无源RFID发射器传感器系统，该系统能够通过传感器壳体外部上的磁可穿透的金属从LF RFID发射器天线收集磁通量，并且能够使用该磁可穿透的金属结构的一部分集中并引导所收集的磁通量通过设置在该传感器壳体内的电线圈。因此，本发明允许使用较小的线圈并且增加该无源RFID发射器传感器系统中线圈的通量收集面积。
从前面所述应当明白，虽然已经示出并描述了本发明的特定形式，但是在不脱离本发明的精神实质和范围的情况下可以做出多种修改。因此，除了所附权利要求之外，并不意图限制本发明。

Claims (20)

1.一种提供发射器天线的无源RFID发射器传感器系统，该发射器天线起容纳发射器传感器和增加该RFID发射器传感器系统的磁通量收集面积的双重作用，该无源RFID发射器传感器系统包括：
电子传感器装置；和
发射器天线，包括电连接于所述电子传感器装置的电发射器线圈，所述发射器天线包括由磁可穿透的金属形成的壳体，所述电发射器线圈设置在该壳体内，所述壳体包括具有顶部的发射器天线杆，该顶部具有被配置为接收进入所述发射器天线杆的磁通量的外侧，并且所述壳体包括被配置为聚集并引导所述磁通量通过所述电发射器线圈的部分，借此所述发射器天线的所述壳体容纳所述电子传感器装置并且增加该RFID发射器传感器系统的磁通量收集面积。
2.根据权利要求1所述的无源RFID发射器传感器系统，其中所述电子传感器装置设置在所述壳体中。
3.根据权利要求1所述的无源RFID发射器传感器系统，其中所述壳体包括通量返回表面。
4.根据权利要求3所述的无源RFID发射器传感器系统，其中所述通量返回表面与所述发射器天线杆的所述顶部间隔开。
5.根据权利要求1所述的无源RFID发射器传感器系统，其中所述发射器天线杆包括外部堆叠架。
6.根据权利要求5所述的无源RFID发射器传感器系统，其中所述发射器天线包括设置在所述壳体内的低损失、不可穿透的线圈轴保持器，并且所述发射器天线杆包括通过所述低损失、不可穿透的线圈轴保持器与所述外部堆叠架间隔开的通量返回表面。
7.根据权利要求1所述的无源RFID发射器传感器系统，其中所述电子传感器装置包括电子压力传感器装置，所述电子传感器装置包括内部空气压力传感器通道，并且所述电子压力传感器装置通过所述内部空气压力传感器通道被连接以便检测空气压力。
8.根据权利要求1所述的无源RFID发射器传感器系统，还包括具有外边缘的读出器天线，所述读出器天线包括电读出器线圈，该线圈用于产生包括所述磁通量的磁场，所述磁通量从读出器天线的外边缘延伸到发射器天线，所述电发射器线圈和所述电读出器线圈由所述磁场耦联，借此信息能够通过耦联所述电发射器线圈和所述电读出器线圈的所述磁场传输给传感器组件和传输自传感器组件。
9.根据权利要求8所述的无源RFID发射器传感器系统，其中所述读出器天线包括读出器延伸臂。
10.根据权利要求9所述的无源RFID发射器传感器系统，其中所述读出器延伸臂由磁可穿透的金属结构形成。
11.根据权利要求1所述的无源RFID发射器传感器系统，其中所述发射器天线包括低频RFID发射器系统。
12.一种提供发射器天线的无源RFID发射器轮胎监控系统，所述发射器天线起容纳发射器传感器和增加所述无源RFID发射器轮胎监控系统的磁通量收集面积的双重作用，所述无源RFID发射器轮胎监控系统包括：
传感器组件，其包括电子传感器装置和传感器发射器天线，所述传感器发射器天线包括电连接于所述电子传感器装置的电发射器线圈，所述发射器天线包括由磁可穿透的金属形成的壳体，所述电发射器线圈设置在该壳体内，所述壳体包括具有顶部的发射器天线杆，该顶部具有被配置为接收进入所述发射器天线杆的磁通量的外侧，并且所述壳体包括被配置为聚集并引导所述磁通量通过所述电发射器线圈的部分；和
具有外边缘的读出器天线，所述读出器天线包括电读出器线圈，该线圈用于产生提供所述磁通量的磁场，所述磁通量从读出器天线的外边缘延伸到所述传感器组件，所述电发射器线圈和所述电读出器线圈由所述磁场耦联，借此信息能够通过耦联所述电发射器线圈和所述电读出器线圈的所述磁场传输给传感器组件和传输自传感器组件，借此所述发射器天线的所述壳体容纳所述电子传感器装置并且增加该RFID发射器传感器系统的磁通量收集面积。
13.根据权利要求12所述的无源RFID发射器轮胎监控系统，其中所述壳体包括通量返回表面。
14.根据权利要求12所述的无源RFID发射器轮胎监控系统，其中所述发射器天线杆包括外部堆叠架。
15.根据权利要求14所述的无源RFID发射器轮胎监控系统，其中所述发射器天线包括设置在所述壳体内的低损失、不可穿透的线圈轴保持器，并且所述发射器天线杆包括通过所述低损失、不可穿透的线圈轴保持器与所述外部堆叠架间隔开的通量返回表面。
16.根据权利要求15所述的无源RFID发射器轮胎监控系统，其中所述电发射器线圈设置在所述线圈轴保持器中的内部空间内。
17.根据权利要求12所述的无源RFID发射器轮胎监控系统，其中所述电子传感器装置包括电子轮胎空气压力传感器装置，所述传感器组件包括内部空气压力传感器通道，并且所述电子轮胎空气压力传感器装置通过所述内部空气压力传感器通道而被连接以便检测轮胎空气压力。
18.根据权利要求12所述的无源RFID发射器轮胎监控系统，其中所述读出器天线包括读出器延伸臂。
19.根据权利要求18所述的无源RFID发射器轮胎监控系统，其中所述读出器延伸臂由磁可穿透的金属结构形成。
20.根据权利要求12所述的无源RFID发射器轮胎监控系统，其中所述发射器天线包括低频RFID发射器系统。
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