专利名称：框格传感器及用一多路元件阵列对一框格进行传感的方法
技术领域：
本发明涉及一种实验室通风橱，更特别地，涉及用于检测通风橱框格打开程度的装置。
背景技术：
实验室通风橱是一通风外壳，其可对有害气体进行安全处理。通风橱通过使用一排气吹风机吸入空气和污染物并环绕远离操作者的通风橱工作区域而防止它们逸入实验室中，使污染物的吸入和接触减到最少。进入通风橱内部需要穿过一开口，该开口由一个或多个框格关闭，该框格可垂直、水平或两个方向滑动，以改变进入通风橱中的开口。对应于它们的滑动方向，框格可以指垂直的、水平的或组合的。
常规的通风橱包括一形成通风橱五个侧面的外壳，和一个或多个水平和/或垂直滑动从而在第六侧面上提供一可变尺寸开口的框格。在这种通风橱中，由通风橱吹风机排出的空气量基本上是固定的，而当框格开口面积减小时，气流穿过通风橱开口的速度，或者表面速度增加。因此，即使当操作者不使用通风橱时框格也必须留下一相当大的开口量，以允许空气以一合理的速度进入通风橱开口中。但是，如在此处作为参考引入的美国专利4528898和4706555中讨论的，用于发出“补充空气”所需的能量可由于监视框格位置以及通风橱中的开口，由于调节吹风机以及与开口变化成线性比例的排气量而减少，以便获得大体上恒定的表面速度。在这些专利中，通风橱由一在垂直方向打开的单独框格覆盖。
此处作为参考并入本文的美国专利4893551和5117746讨论了通风橱的其它形式，其中安装两个或多个框格在至少两个位于框格开口顶部和底部的导轨上滑动，还有框格安装在导轨上用于水平运动的通风橱，而这些导轨安装在可垂直移动的框格框架上，即组合框格具有组合框格框架。这些专利还讨论了可用于这些框格来确定框格开口的技术。如在这些专利中注意到的，使用两个或更多框格，框格的绝对位置自身对于表示通风橱的开口面积来讲已经是不充分的信息。反而，是两个或更多通风橱框格的相对位置确定总开口框格面积。当在两个导轨上安装四个框格这种很常见结构时，或者当通风橱沿水平和垂直两方向移动时，该问题变得更加复杂。
在美国专利No.4893551中，框格开口检测功能通常是通过下列步骤完成的，提供一辐射源，用于这种辐射的检测器，将该辐射源和检测器相对于彼此安装并安装到框格上，使所检测的辐射量与开口的未覆盖部分成比例。对于该专利中的优选实施例，使用安装在框格附近或上面的各种分散的磁或光发射器和传感器来确定通风橱开口。
但用于这些实施例的检测器，在某些情况下还有辐射源，使用需要安装在通风橱内部或靠近它安装的器件。这就需要小心地密封这些器件，具有伴随的成本和复杂性。该专利中公开的器件还可能需要一具有合理厚度的外壳，特别是当需要密封时。这产生了将这种器件定位在一些通风橱框格上的问题。特别是，这种器件可能会不能装配在框格之间或者框格与通风橱框架之间的间隙中。
当前用于感应框格位置的方法包括使用安装在其位置需要检测的可移动框格上的传感元件的组件。每个传感元件组件通过一传感电缆与外部电子元件电联接。虽然这种现有技术对于其它现有技术是优选的，但这种用于框格位置感应的电联接方法不是最佳的，特别是在对水平框格、组合框格“走入”通风橱类型提供传感的情况来讲。确定水平框格传感器电缆的位置时出现的困难涉及操作枢转点的建立或为电缆运动安装一张紧卷轴。面临的问题包括由于电缆磨损引起的长时间后真实的和感觉到的减少的可靠性，安装中的困难，以悬垂方式运动的暴露电缆的很差的美学效果。
常规技术的其它问题是传感器和磁杆的厚度，假定有使通风橱结构更加紧密，从而减小一个导轨到另一导轨的框格之间间距的趋势的话。另外，对于传感器杆磁体表面与笛簧开关表面之间最大距离3/4＂限制对于较大的结构更松散的通风橱来讲有时也是一个问题，因此需要改进传感器敏感性，见美国专利No.4893551。
发明概述本发明可体现为用于框架中的框格的框格位置传感器，包括时间多路传感元件阵列；至少一个对由该传感元件阵列检测的信号产生影响的无源元件。根据本发明另一方面，本发明可体现为对框架中的框格的位置进行感应的方法，该方法包括在一型板中设置一传感器阵列和无源元件；当框格位置改变时改变型板；用该传感器阵列接收一表示该型板的信号；及从所接收的信号导出框格的位置。
附图简介附图中，相似的参考标记表示相似的元件
图1是体现本发明的一电路的示意性视图；图2是体现本发明的另一电路的示意性视图；图3是安装在“走入”型通风橱上的本发明一实施例的前视图；图4是一计时图表，表示根据本发明一个方面的时间多路传感器；图5是可用于安装在一通风橱上的本发明实施例中的传感器阵列的详细视图；及图6是安装在通风橱上的本发明一实施例的前视图；图6A是图6中实施例的顶视图；图7是安装在通风橱上的本发明另一实施例的主视图；图8是根据基于无源远程驱动转发器(PRPTs)的本发明实施例的传感器基础模块的示意性视图；图9是根据基于PRPT技术的本发明实施例的转发器模块的示意性视图；图10是基于PRPT技术的一实施例的计时图表；
图11是可结合本发明PRPT基实施例使用的传感器探测线圈组件的平面图；图12是根据本发明一PRPT基于实施例的天线结构的示意图；图13是经调制的传感器基础模块载波信号的波形图；图14是本发明一PRPT基于实施例的重叠量与信标调谐峰值振幅的百分比曲线；图15a是可用于本发明的电容基实施例的传感器带的分解平面图；图15b是图15a中传感器带的示意图；图16是使用图15a和15b中传感器带的传感器组件的示意图；图17是使用图15a和15b中传感器带的另一传感器组件的示意图；图18是使用图15a和15b中传感器带的再一个传感器组件的示意图；图19是使用图15a和15b中传感器带的又一个传感器组件的示意图；图20是可用于图5系统中的电路局部示意图；图21是作为图5和20中相替换的电路的示意图22是与图6中相替换的安装的前视图；图22A是图22中安装的顶视图；图23是图21中示意性示出的传感元件的平面图；图24是安装在一水平框格通风橱上的本发明一实施例的前视图；图24A是图24中实施例的顶视图；图25是使用探测线圈的传感器阵列的平面图；图26是一接收器阵列和一发射器阵列的示意性电路图；图27是使用射频探测线圈发射器和接收器元件的本发明一实施例的功能方块图；图28是图27中系统的联接方块图；图29是一计时图表，表示对图26-28系统中的信号的计时；图30是安装在一水平框格通风橱上的本发明另一实施例的前视图；图30A是图30中实施例的顶视图；图31是安装在一组合框格通风橱上的本发明又一个实施例的前视图；及图32-34是完成本发明实施例的操作过程的流程图。
详细描述发明人的方法使用大量传感器及一个或多个无源器件，这些无源器件的存在可由传感器检测，传感器沿其位置将被测量的框格的运动方向设置。传感器可以直接检测由一个或多个显示器装置产生的磁体或电场的存在，或者可以检测该一个或多个显示装置与周围磁体或电场之间的相互作用。周围的场可以从外部提供，作为系统的一部分。
多路传感器阵列技术给框格位置感应带来许多好处。这些好处涉及到能量消耗，传感器阵列尺寸，位置感应敏感度以及位置感应精确度。
通过多路传感器操作，如果多路方法在每一点仅准时激活一个传感元件，则连续的能量消耗可以限制在仅仅一个传感元件所需的能量大小。呈现出节能但能量消耗更高的其它多路方法也是可能的。由此，可以在能量消耗没有损失的情况下制成非常大的阵列。保持低能量消耗有助于使能量供应成本最小；使能量消耗对于一定范围的传感器阵列尺寸保持相对恒定允许将一固定大小的能量供应用于多种用途。
保持一小的、恒定的能量消耗水平可实现相当大尺寸的传感器阵列。因此此处所述的用于框格感应的传感器阵列可应用于其它大规模位置测量问题中。例如，数字微调技术已如美国专利4586260、4586260、5534859和4841225中描述的那样而公知。这些技术依赖于运行中的检测装置与电极分布之间的相互作用。电极一般聚集在一个平的基板上，该基板的长度决定了可能的最大测量范围。当电极和检测器彼此经过时这种常规技术对脉冲进行记数。常规技术必须将当前的记数保存在一存储器中，因为每一测量都是相对于起始记数进行的。常规装置使用易失存储器类型来存储记数。另外，运行中的检测装置与电极分布之间的工作距离在常规装置中非常小。
相反，由于进行绝对测量，本发明不需要存储器来存储相对记数。更进一步，设想的传感元件和显示器装置能够在非常远的工作距离工作，例如最大达几英寸。
如将在所描述的实施例中看到的，根据期望检测的场或相互作用，传感器可以是霍耳效应开关，簧片开关，各种类型的探测线圈和射频接收器，光学检测器等等。显示器装置可包括如应用于RF识别技术(RFID)中的点磁体和条磁体，无源远程驱动转发器，反射器，吸收器等。一些显示器装置与可由传感器或外部信号源产生的周围场相互作用。外部场可以是电，磁，RF，光等，并可以是调制或稳定状态。
描述的示例性实施例中无源器件是磁体，RFID终端或类似物及静电装置。尽管RFID终端及类似物可以包括传统上认为是有源的元件，如用于负载开关所需的元件，但在本说明中还是认为它们是无源的，因为它们是由一被激励的周围场远程驱动的，而不是由电池或其它有线电源驱动的。但本发明可以使用电池驱动终端。
图1中所示的本发明一示例性实施例包括两个主要元件，一个传感器阵列101和一个中央处理单元(CPU板)103。使用本发明实施例的每个通风橱应用都将包括至少一个CPU板103和一个传感器阵列101，该CPU板103可放置在通风橱顶部或任何其它方便的位置。在垂直框格中插入了水平框格的本发明在通风橱中的应用中，传感器阵列101连接到垂直框格框架上，而在水平框格用于固定框架的应用中，传感器阵列101连接到该固定框架上。传感器阵列101通过对连接到每个可移动框格方格上的点磁体进行检测而检测可移动框格的位置。传感器阵列101可形成于由工业标准FR4印刷电路板材料制成的基板上。传感器阵列的全部长度可由有经验的设计者基于何种情况下装配到标准尺寸板上成本效果最高来确定，同时确保用于对传感元件进行排序的电路元件的最大应用。印刷电路板的厚度可以是0.031＂，这是普通的板厚。也可以使用其它厚度来满足可制造性或者对于空间、持续性、柔韧性等的应用特定要求。将使用如Phoenix Controls Corporation的常规产品所使用的双面胶带将传感器阵列组件固定到通风橱上。
霍耳传感器(见图5，501)沿传感器阵列101以3/4＂的增量分布，并由CPU板103排序。每个霍耳传感器501的状态通过多路而分别确定，以分离由每个传感器反馈的信息，同时只需要一个传感器数据信号线。在每次扫描或多路周期之后，霍耳传感器501的状态信息由CPU板103就地存储。框格开口是从霍耳传感器501的状态信息直接计算出来的。框格开口通过信号111与通风橱监视器107和阀控制器109连接。
框格开口直接影响由通风橱监视器107发出并发射到阀控制器109的流动指令。因此，框格位置检测必须以相对于通风橱监视器107的反应时间可以忽略的速度来完成，如果步进改变到其给定值的话。传感器反应时间的实际上限为50毫秒。这包括用于确定每个阵列101中各霍耳传感器501状态的时间，以及处理读数和垂直传感器信息因而一0-10VDC大小的框格位置输出被输出到通风橱监视器107的时间。00-10VDC的大小对应于0-100％的框格开口。另外，CPU板103可包括足够的处理能量和适当的软件程序，以便直接计算并向阀控制器109提供一定大小的指令信号。
垂直框格传感器的功能可以通过将垂直框格传感器阵列与水平框格传感器阵列串联而结合。这使垂直框格传感元件可通过用于水平传感器排序的相同电源而多路。
这种结构的使用要求CPU板103检测每个阵列的存在。检测可通过如下方式完成。在CPU板103装入程序时，可通过传感器阵列101电路对一个存储单元进行记时。对数据选通线被认定的次数进行观察。如果数据选通线只认定了一次，则只存在一个阵列。如果存在第二个阵列，则数据选通线被认定了两次。
图5中以简化的示意方式示出了传感器阵列101的电路图。传感元件501及实际使用的相关电路的数量是由其位置将被确定的框格的尺寸推导出来的。在每个传感器阵列的末端是一单个二极管511，该二极管511确定数据从阵列(图1，101)返回CPU板(图1，103)的路线。该二极管允许几个阵列相互连接。
示例性的框格传感器实施例可与从Phoenix ControlsCorporation得知的模拟和数字系统相匹配。
传感器阵列101将通过一256不连续步骤的最大值排序。如果结合了垂直框格传感器功能，传感器阵列101也将通过256不连续步骤的最大值排序。在每隔0.75＂设置的一个传感元件的基础上，这足以处理约16英尺并具有0.75＂分辨率的水平和垂直传感器阵列组件。下面结合图4对特定例实施例的计时进行描述。
当由CPU板103上的电路检测出一个错误状态时，如垂直框格传感器输入上浮很高或者没有来自一个或多个传感器阵列101的响应，则将迫使框格位置输出111到一大于10V的值。此外，将迫使指令线105到一大于10.5V的值。这些活动既发出错误状态信号又迫使通风橱控制器进入一安全模式。通风橱监视器107也能向一寄存器发出声音调和视觉警报。
先前的讨论涉及单个CPU系统。下面的简单讨论涉及多个CPU系统，如图2所示，构造成用于主-从操作。
在正常操作中，如图2所示，来自CPU板201的与0-10V的另一输入203相联的框格位置输出206，它在全部10V范围内的百分比范围对应于由从动卡201和串联到其中的其它卡(未显示)所代表的整个区域的百分比。因此，在没有其它CPU板串联在其中的情况下，其传感器阵列205的全规模输出代表了通风橱全部开口的50％的CPU板201，将有不超过5V的电压输出。因此全部框格位置输出很容易通过在串联系统中将每个串联的CPU板201和203的输出相加而得到。
如果发送到在串联的CPU板201、203中任一个的0-10V输入超过9.5V，则假定发生了一种错误状态。如果这发生在从动板201上，其框格位置输出信号(与主板203的0-10V输入相联)将会大于10V。这将使主CPU板203向连接到通风橱控制器(未显示)上的框格位置信号线207的输出大于10V。同样，指令线209将被拉到大于10.5V。
如下面结合图6中所示本发明的应用所描述的，如果在感应框格位置时检测的霍耳开关的数量(图5，501)超过校准过程中导出的最大数值，框格传感器将在保持该状态的过程中将其输出维持在其最后值达一秒钟。如果该状态保持得更长，则指令线将上升到大于10.5V，而框格位置信号在状态保持过程中将大于10V，只要该状态持续下去。如果CPU板(图1，103，或图2，201，203)不再检测传感器阵列(图1，101，图2，205，211)，则将产生一类似的响应。
下面结合图3对该实施例在具有两个垂直活动框格且没有水平框格的走得进去的通风橱中的应用进行描述。这里，用一个霍耳传感器阵列305和两个点磁体307、309对两个框格301、303的垂直运动进行感应。上点磁体309用于检测上框格303的垂直位置，而连接到底部框格301上的点磁体307用于检测下框格301相对于上框格303的位置。
一连接到下框格301上的制动片(没有显示)阻止下框格301伸到上框格303上方。
图5中示出一示例性传感器阵列101的示意图。图23中示出传感器阵列101的一相应的平面视图。这代表了用于传感器阵列101的一个6英寸区段的电路图，其中传感器501以0.75英寸的间隔设置。可以设想，可以应用几种标准阵列尺寸(每种包含几个6英寸区段)。但传感元件可以其它间隔分布在具有其它尺寸的电路板上，从而实现其它分辨率和长度。
每个电路组件仅是一个安装在一PC板(图23，2301)上的八个霍耳传感器501的结构，每个霍耳传感器501由一个8位串联-输入/平行-输出移位寄存器503的输出排序。电路排序这样设计是为了使具有任何实际长度的传感器可以通过多个PCB区段简单的相互连接而制成。整个组件设计成以+5V为动力运转，并通过一连接到如图1、101所示的CPU板的6线接口505排序。在不违背本发明精神的前提下，可使用其它供电结构和电路接口。整个组件可由一保护盖(图23，2303)盖住。
如图20所示，为了提高传感输出的稳定性，可将供应到霍耳传感器501的能量闭锁。当起动信号2003被认定或者霍耳传感器501认定了一个输出信号2005时，霍耳传感器501通过OR门2001接收一输入信号。只有当起动信号2003被认定后，霍耳传感器501输出信号2005才通过NAND门2009传送到OR结点2007。
图21中示出与图5和20相替换的电路，仍提供相同的功能。霍耳元件被起动，其输出用一低成本8位微控制器检测。例如，由于低价、芯片上ROM、低耗电及包装特征使其对于低断面传感组件具有吸引力，可使用来自Microchip Technologies的PIC16C55。在Microchip塑料皱缩小外形包装中，PIC16C55具有约0.073＂的厚度。
处理器2101支承全部8个霍耳传感器501，并完成图20中电路的闭锁功能。最后，处理器2101完成前面讨论的移位寄存器(图5，503)的功能。
现在参照图4，其中示出对于与CPU板相联系的各种信号的相对计时。图4是用于仅具有8个元件的传感器阵列的多路周期的简化视图。如上所述，更大量的元件是可行的。时间“A”代表一个循环的开始。在该图中，示出在时间“A”数据返回被认定到时钟前沿的点上。这是由于在阵列末端最终闭锁位置移位出的数据造成的，即，在最终正向时钟跃迁(图5，509)后，元件8起动被认定。二极管D7(图5)插在用作传感器阵列最终区段的板上。数据选通返回用作向CPU板的反馈(如图1，101)，这促进了并行数据的认定。当数据被认定时对移位寄存器进行计时将使循环重新开始。当装入程序时，CPU板103自动向数据输入线输送一位，以便起操作。
当数据位由移位寄存器计时(图5，503)时，其输出如图4所示被激活，在各专门时间点打开各霍耳传感器。这当然是多路功能的本质，因而每个传感器的输出或状态都在分散时间点取样，从而推测出已经连接到各水平框格方格上的点磁体的位置。
注意，对于每个升起的时钟前沿来讲，每个霍耳传感器实现了一初始响应。这是这些装置的有限设定时间的结果，在供电后该有限设定时间一般是20-30微秒数量级。每个传感器通过在每个专用传感器的能量针上施加移位寄存器输出而简单地起动。
在时间B，霍耳传感元件3暴露于一磁体。该多路技术中使用的霍耳传感器501分别具有开放的集电极或开放输出，从而允许它们共同连接。
传感器阵列的尺寸确定以及点磁体位置选择成，使全部框格的点磁体的位置能够在所有时间检测。也就是，感应开口的优选方法直接测量框格位移，而不是对直接测量框格重叠后计算的位移进行间接测量。这明显地简化了CPU固件。
图6示出传感器阵列600在水平框格上的应用。点磁体601、603、605、607被设置在每个水平方格609、611、613、615上。在校准时间，CPU板通过观察检测磁体601、603、605、607的最左边点，而确定阵列600的可用部分，框格609、611、613、615位于完全关闭位置。同样在校准时间确定的是框格609、611、613、615的标准宽度。校准没有作详细描述。
涉及本发明的校准过程包括两个主要阶段用于比率测量功能的校准和规模输出的校准。为了将完成周期性调整所需的干涉量降到最小，使用者将能够确定要进行的是哪一步骤或规模功能。当CPU被置于校准模式中后，这是用过量或其他适当的指令输出完成的。
校准排序是通过任何用于在通风橱监视器中发出这种起动指令的适当设备来完成的，一框格位置传感器与该通风橱监视器相联。指令连线105在CPU板103、监视器107和阀控制器109之间提供了双向操作。在正常操作时，即在校准之后，CPU板103直接通过指令线103向阀控制器109提供了它的给定值。在该示例性实施例中，通风橱的使用者可通过在CPU板103上插入一跳线而起动校准。
在该示例性实施例中，在校准过程中，CPU板103是通过使用这种超控按钮的各种校准步骤而排序的。而在来自监视器107的每个瞬变后，在每个校准阶段，CPU板103向指令线发出大量与校准步骤相关的计时。这将使LED在监视器处闪烁，向技术人员提供关于校准状态的视觉反馈。也可以使用其它状态和输入装置和方法，如键盘，显示器和更多复杂的以计算机为基础的接口。
如上所述，CPU板103首先被置于校准模式中。在下一步骤中，对垂直和水平最小位置进行记录。完成校准的技术人员首先关闭垂直和水平方格，然后例如通过按压超控开关向CPU板103发出指令，这使CPU板103记录由处于最关闭位置的方格产生的框格位置输出。然后，向CPU板103显示水平方格的尺寸。技术人员关闭垂直框格并布置水平方格，因而固定到两个方格上的点磁体之间的距离等于水平方格的宽度，同时所有其它水平方格都移动到一极端位置。CPU板103响应一指令，如按压一延时开关而再次记录框格传感器输出。在下一阶段，对垂直和水平方格的最大开口进行测量。水平方格被设置在最大打开位置。垂直框格上升到其最大打开位置。设置了超控按钮或其它指令输入来记录在该位置的框格传感器输出。最后，记录组合框格的水平与垂直开口之比。垂直框格被设置成使其开口等于仅使用水平方格时可能达到的最大开口。这个位置然后由上述的CPU板103记录。在完成这些步骤之后，框格位置传感器被校准，用于正确定位和间隔磁体及传感元件。
所进行的下一组步骤建立了对框格传感器输出电压和指令信号的换算。由于下面两个原因，框格传感器输出电压的换算是有用的。首先是将框格位置传感器输出信号限制在一小于10伏的值，从而当没有错误存在时，不会输出可能理解为错误状态的框格位置信号。其次是当CPU板用作从动装置时，正确换算框格位置传感器的范围。例如，如果由一从动CPU传感的区域范围是最大总通风橱开口的50％，则用于从动CPU板的最大框格位置传感输出信号应该是全规模的一半或约5伏。为了建立最大框格位置传感输出电压，将框格定位成产生所需的最大输出电压，CPU被指令而储存产生的作为最大框格位置传感器输出的电压。通过类似地定位框格从而产生某些所需的指令信号输出，也可设定指令信号的规模。
由于框格位置传感器是通风橱控制系统的一个整体部分，其中许多元件和功能是相关的，在任何特殊安装中还可能有其他校准过程。但在任何特殊安装中使用或需要的其它校准过程可以由熟练技工来选择。
下面详细描述传感器阵列的运行。
扫描传感器阵列600的一个目的是推导出沿传感器阵列的长度感应点磁体的实际位置。该信号储存在下文称为RAM堆栈的CPU的RAM位置。该位置可以是一个堆栈，寄存器或者其它适当的存储和数据结构。在该实施例中，所储存的数据包括沿传感器阵列620对各磁体601、603、605、607中的每一个进行检测的位置。例如，在图6中，由于四个点磁体601、603、605、607暴露于传感器阵列600，四个点磁体数据将进入传感器。位置数据对检测给定磁体的传感元件进行识别，因而如果一个传感元件“4”感应到一个磁体，在这种情况下储存在RAM堆栈中的数据是“4”(或04H)。进入RAM堆栈的仅有的另一入口是阵列端部标志器，该标志器既用于表明由其它程序读出的传感器阵列端点，也用于区分用一个阵列收集的数据和用另一个收集的数据。如上所述，在如由图7描述的应用中，其中一第二传感器阵列与一第一传感器阵列多路在一起，来自第一传感器阵列的数据在存储器中与来自第二传感器阵列的数据分离。
现在参照图32对扫描顺序进行描述。
在传感器扫描程序的开始，为了方便，将称作“当前位置＂的一变量初始设定为零(步骤3201)。当前位置代表被询问的传感元件的绝对位置(相对于传感器阵列)。当传感元件被询问时该数据变量递增。另外，在扫描开始之前，一个称作“输入数据＂的变量被确认为高(步骤3201)。这与图4中所描述的具有相同的功能。输入数据代表将转换成传感器阵列的数据位，从而不连续地起动每个传感元件。图21中，这种二进制形式被标以数据选通。下一步骤用于将数据位计入传感器阵列中(步骤3203)。这是通过图4和图21中的时钟来完成的。在数据被计时后，CPU板对霍耳传感器ORING线进行取样，从而确定当前起动的霍耳传感器的状态(步骤3205)。如果状态是高，则当前的扫描位置将记录在RAM堆栈中(步骤3207)。
如下面的流程图描述的，每次通过该回路，程序都检查被询问的本元件是否位于传感器阵列区段的末端(步骤3209)。这是通过对数据回归线进行取样而完成的。如果确定了本元件不是阵列中的最后元件，则当前位置变量递增，输入数据被否认(步骤3211)。此后，发出下一记时脉冲，开始对下一元件的询问(步骤3203)。
一旦阵列中的最后一个元件被检测，一个区段末端标志器就被写入RAM堆栈(步骤3213)。下一步骤是确定本扫描是否与第一传感器阵列相匹配(步骤3215)。如果不是，刚刚完成的扫描是可能的两种中的第二个，过程结束。如果它不与第一传感器阵列相匹配，则CPU调入结构数据，以便确定第二传感器阵列是否存在(步骤3217)。如果不存在，程序将当前位置计数器和循环重新设定返回到数据记时重新开始的起点。(步骤3219和3203)。
表1描述了图32的扫描过程完成后储存在RAM堆栈中的总体结果。这显示了示于图7中顶部框格框架上的水平安装的传感器阵列(阵列1)及与之相联的垂直安装传感器阵列(阵列2)收集的数据。表1
垂直框格开口的计算以图33的流程图所示进行。首先，确定是否检测到一磁体(步骤3301)。如果没有，然后，垂直位置计算结果为零；即，垂直框格完全关闭(步骤3203)。接着，可以两种物理定向中的一种将传感器阵列连接到框格上，并确定传感器阵列是否相对于垂直框格的直接运动在后面(步骤3305)。这种确定可作为一个固定参数编入CPU中。如果传感器阵列不是相对于框格直接运动在后面，那么所报告的垂直位置计算结果比磁体位置大一个单元，因而对表示没有磁体的为零的磁体位置进行修正。(步骤3307)。最后，如果传感器阵列确实相对于垂直框格的直接运动位于后面，则所报告的垂直位置计算结果是与最大开口减去如表1所示储存在RAM堆栈中的磁体位置的值正确相关的传感位置。(步骤3309)。
最后，水平框格开口如由图34的流程图所示计算，其术语在表2中限定如下。表2
首先清除最终位置和水平计算结果。另外，偏移标记设定为尚未使用。(步骤3401)。接下来，在步骤3403中程序检查RAM堆栈中的区段标志器。如果未发现区段末端标志器则过程继续，确定过程是否在处理清单中的第一磁体。(步骤3405)。如果是这样，则偏移标志设定为已使用，水平计算结果设定为当前磁体位置减去框格方格宽度减去偏移量。(步骤3407)。通过该过程完成第一循环后，最终位置设定为等于当前位置，当前位置设定为RAM堆栈中的清单中的下一位置。(步骤3409)。假定第一和最终磁体当前均没有正在被处理，在步骤3405的询问之后，重复步骤3403中的询问。然后过程前进到步骤3411，在这里确定当前磁体是否比最终位置大1。如果是这样，则过程直接前进到步骤3409，该步骤显示重叠的两个水平框格方格。否则，处理在步骤3413中继续，在这里确定偏移标志是否设定为已使用。如果是这样，则在步骤3415中，水平计算结果设定为磁体位置减去最终位置减去当前方格的方格宽。这样，水平计算结果对全部框格开口进行计算。处理在步骤3409中继续进行，随后进行步骤3403。处理继续进行，直到在步骤3403中发现区段末端标志器。然后，步骤3417再次确定偏移是否设定为已使用。如果是这样，则所报告的水平计算结果设定为前一水平计算结果加上该偏移量(步骤3421)。然后在步骤3419中水平计算结果设定为全部元件减去最终值。
图22中描述了上述传感器用于具有水平框格的通风橱的可替换应用。留在前一导轨2201和2203中的框格在关闭时占据区域1和4。留在前导轨中的框格2201和2203与留在后导轨2205和2207中的框格的不同之处在于施加在框格上的磁体2209、2211、2213和2215的结构。应用这种结构，与用于图6中结构中的传感器阵列相比，可使用较小的传感器阵列2217。这降低了安装产品成本及安装复杂程度，减轻了由于传感器阵列包装尺寸引起的产品装运问题。
如通过图22中的检查可以看到的，当磁体2209和2211跨传感器阵列覆盖区域2和3移动时，对框格2201和2203的运动进行检测。相似地，当磁体2213和2215同样跨传感器阵列覆盖区域2和3移动时，对框格2205和2207的运动进行检测。为了识别由每个检测磁体显示的是哪个框格方格2201、2203、2205或2207，将点磁体施加在框格方格上，其中留在前导轨2201和2203中的框格具有一个指向的磁体，而留在后导轨2205和2207中的框格具有不同指向的磁体。为了示意的目的，前导轨框格方格2201和2203具有的点磁体2209和2211定向为磁体北极朝向传感器阵列，而后导轨方格2205、2207具有的点磁体2213和2215定向为磁体南面朝向传感器阵列。当然，磁体2209、2211、2213和2215的实际指向是任意的，只要连接到前导轨方格2201和2203上的磁体可从连接到后导轨方格2205和2207上的磁体区分开。
为了将磁体北极与磁体南极区分开，每个传感器阵列元件可包括两个霍耳传感器，一个是双极类型。该双极传感器可通过北极和南极定向的磁体激励，而另一霍耳传感器可以是单极的，它既对磁体北极也对磁体南极敏感。
根据区分面向南北磁极的另一种方法，在每个传感元件上使用两个单极霍耳传感器。这种技术要求两个单极霍耳传感器定向为彼此在相反方向定向，因而传感元件能够通过哪个霍耳元件被激励来区分磁体北极和磁体北极。
最后，可以不在每个传感元件位置使用如上所述的两个霍耳传感器，而是使用一个能够提供与所测量磁场强度成比例的输出信号的传感器。这种装置很容易用霍耳或磁致电阻传感器技术获得。应用这种传感元件来提供上面所述输出类型是本领域公知的。
图7表示上述传感器在具有两个垂直框格的通风橱中的应用，该两个垂直框格分别包括四个水平框格。如上所述，该系统可使用级联的传感器。
图24描述了将线圈用作电磁辐射发射器，或者将一线圈阵列或一大线圈用作接收器2403的多路传感器阵列的可替换实施例。该传感器结构有跨框格方格导轨以彼此相对关系设置的一发射器线圈阵列及一接收器线圈或阵列。二者沿框格框架的顶部边缘定位，在组合框格框架的开口下面伸出3/4＂至1＂。在每个水平框格方格2404、2406、2408、2410上放置有屏蔽元件2405、2407、2409、2411，这些屏蔽元件制成以一预定方式对发射线圈阵列与接收线圈或阵列之间的电磁能源的传送进行干扰。由屏蔽元件引起的接收能量的衰减由传感器系统测量，框格开口由测量的接收能量计算。
接收器线圈或阵列2403的输出是一个电压，该电压与接收的时间变化电磁场体的密度成比例。在这种接收电压的产生后面的物理性质对于本领域技术人员是熟知的。当一个导电线圈以这种方式使用时，它经常称作探测线圈。
如图25中所示，接收器2403和发射器2401组件分别包括线圈元件2501，该线圈元件2501是由在工业中很普通的PCB材料2503制成的导电导轨。每个线圈2501宽度上大约为3/4＂，并如图所示定位，形成一阵列。
图26中给出发射器和接收器阵列的简化示意图。如可从图26中看到的，发射器阵列2401的线圈I1-I10是同并联的分立元件，而接收器阵列2403中的I11-15相互联接而形成一普通串联元件。是发射器阵列中的这种线圈分段产生了一个传感器，该传感器能够检测沿其范围重叠的框格的各种情况。这一般是通过在元件被排序所用的循环时间在不同的点对每个线圈进行电激励而完成的。为了方便，在该实施例中，各发射线圈I1-I10以线圈沿发射器阵列长度的实际位置为顺序进行排序。例如，考虑到图25中的发射器组件，线圈可从左到右排序。但只要一致，排序顺序可以变化。这种线圈排序过程是多路的一种形式。在所示实施例中，排序是例如通过在一个由移位寄存器2601转换的位控制下打开与线圈I1-I10相对应的开关发射器Q1-Q10而完成的。
如图27所示，该实施例使用三个电路组件，一个发射器阵列，一个接收器阵列，和一个信号处理卡(SPC)，图27作为功能方块图示出这些元件的组合功能。图28的方块图中示出该实施例的每个传感元件之间的联接。
现在对图27和图28中的实施例以及图29中所示的相应计时进行详细描述。
发射器以这种方式操作，即它在单独时间点将由所施加的激励信号2801建立的随时间变化的电流引导穿过阵列2401中的各线圈。见图29，穿过线圈建立一电流路径所需的时间段可称作时隙2901、2903、2905、2907。每个线圈时隙可以是相同的时间段，且每个线圈被指定了一个单独的时隙。
发射器排序逻辑电路设计成每个传感器阵列处理256个时隙。假定响应时间为50毫秒，则至少留出10毫秒来处理低级优先操作。这样，将有40毫秒是阵列排序时间，要求256个元件中每一个的时隙大约为156微秒。假定使用这些参数，时钟线(图28，2805)将在6.410千赫兹操作。假定激励在125千赫兹操作，每个时隙将有19个循环。根据中断操作程序的复杂程度，接收和解调信号的实际取样可用数十微秒。但该过程的混合信号部分可以很容易地用一低成本8位A/D变流器在8到10微秒内完成。图29示出与发射元件排序相关的计时。
激励信号2909(也见图28，2801)最好是一纯正弦形状，以将发射减到最小。如对于电磁射频(RF)能的任何精密发射器的设计适当的，这些发射应该以能谱分割成具体的界限。具体地，这一点是很重要的，即该系统符合全世界不同国家的射频频谱使用计划。尽管没有全世界范围的标准，但一般认为在125kHz及以下的发射不需要特别许可。各种转发器系统使用这种所谓的“自由”波段。
信号接收是由图26中以示意性形式示出的接收器阵列组件(图28，2403)完成的。如图所示，该组件包括以串联方式联接的不连续的线圈区段I11-I15。这使阵列输出成为由每个线圈元件I11-I15接收的信号之和，因而使原始未处理的信号强度最大。发射器阵列2401与接收器阵列2403之间的接近关系使接收器阵列2403像磁通传感器一样大规模操作，像调谐天线那样小。
该信号检测方案在建立已接收激励的分量时应该是高度选择性的。这是用带通滤波器完成的(图27，2701)。除此之外，可使用同步解调来提供用于相干信号的选择性。这种从嘈杂环境中提取数据的技术对于本领域技术人员来讲是一种通常的作法。
垂直框格传感器的功能度可通过将一垂直框格传感器发射阵列作为延伸部分联接到水平框格传感器Tx阵列上而体现(见图27)。相似地，相应的垂直框格传感器阵列可与水平框格传感器阵列串联联接。这使垂直框格传感元件由用于对水平框格传感器进行排序的相同源多路。使用这种方案要求将时隙分配给每个垂直框格传感元件。
接收器阵列输出端子Rx-和Rx+(图28)联接到前方发射器阵列方格上，此处最好接收一些放大作用以产生“Rx--”和“Rx++”。用作信号调节阶段的“前端”装入一带通滤波器，帮助将由线圈元件检测的寄生信号发射出去，并向有关信号提供放大作用。期望将Rx-/Rx++保持为不同信号，从而将载波激励信号和接收信号的线之间的耦合冲击降到最小。
如上面结合图22所述，传感器阵列不必占据组合框格框架的整个宽度。而是可以通过产生关于每个传感器阵列中信号框格存在、重叠存在以及没有框格存在的三个差动波形而将传感器长度减小到最大水平框格开口的长度。这种方案当水平方格移动穿过所有水平方格可以去掉的组合框格框架区域，区域2和3时对其进行监视。这种非直接位移测量方法不需要通过使区域1和4中的框格开口相关而在区域2和3中重叠来对区域1和4进行传感。
图24中所示的非对准的分路2405、2407、2409、2411由一可透磁材料组成，如以这种方式确定尺寸并放置的钢，即它们分别大致覆盖每个发射器或接收器线圈的垂直尺寸的一半。在这样做的时候，所发射磁通量中只有一部分穿过该分路材料转向，因而一可测量的磁场在接收器阵列中继续存在。
如果占据了足够的带有发射器和接收器阵列的通风橱，则所述重叠测量方案不必使用，以便能够检查所有框格上的分路。例如，可以以非常相同的方式将分路区段施加在每个框格的一角，即点磁体应用在包括一霍耳开关阵列的实施例中。在该例子中，分路元件将有足够的尺寸来确保信号在分散的发射器元件和接收器阵列之间相当大的阻断。
最后，在全部结构中最简单的结构中，可以使用覆盖组合框格框架全部宽度的发射器和接收器阵列。在该实施例中，水平框格方格装配有占据各全部宽度的分路。通过这种方案，所检测线圈“被阻”的百分比与框格开口直接相关。
结合图27描述的系统一可替换实施例，使用具有与图26中所示发射器阵列相似结构的接收器阵列，及具有与图26中接收器阵列相似结构的发射器阵列。也就是说，所示的发射器阵列和接收器阵列的拓朴结构相反。在该实施例中，发射器阵列没有切换，而是以连续形式运行。如前所述，发射器阵列现在实际上是可能或不可能由分散线圈形成的连续元件，发射器阵列的尺寸确定为跨越接收器阵列的宽度。这里，分散接收器线圈以与对图29中发射器线圈进行多路的基本相同的方式通过规定的时隙取样。
图30示出另一个实施例，其中传感器阵列由霍耳传感器3001和探测线圈3003组成。如图所示，霍耳传感器3001装在发射器阵列3005中。向每个带有阵列的探测线圈指定一个传感器。
如在仅包含探测线圈的实施例的情况中那样，还使用一接收器阵列3007，但位于从发射器阵列3005的框格框架的相对侧。接收器阵列3007可以由以串联电路联接在一起的单个线圈组成，或者可包含一个大线圈。接收器阵列3007借助于一个薄的双导线电缆连接到发射器阵列3005PCB上。发射器阵列3005PCB在方格上具有由接收器阵列3007建立起来的用于信号的信号调节电路。接收器阵列3007用于对每个多路发射器线圈单独受到激励时的发射进行检测。
图30显示一在每一导轨上具有两个水平活动方格的双导轨水平框格组件。框格方格3009、3011在前导轨上(最靠近发射器阵列3005的导轨)具有贴在其上的磁条3013、3015。发射器阵列3005的尺寸足够大，以确保不依赖于前导轨方格3009、3011的位置对这些磁条3013、3015进行检测。为了将所需的发射器阵列3005的尺寸(转化为成本)降到最小，将磁条3013、3015放置在框格方格3009、3011的最内部边缘。
每个导轨上具有多于两个方格的通风橱框格结构将体现将磁体放置在左边和最右边方格上的常规。左边和最右边方格之间出现的框格方格将分别具有一贴在方格的右或左边缘上的磁条。但磁条的放置对于这些中间方格中的每一个必须一致。沿发射器阵列3005的长度分布的霍耳传感器3001用于通过连接到每个方格3009、3011上的永久磁体3013、3015检测各导轨1框格方格3009、3011的存在或位置。
如图30所示，每个导轨2水平框格3017、3019包括一显示器分路。发射器阵列3005的尺寸足够大，以确保不依赖于后导轨方格3017、3019的位置对这些分路3021、3023进行检测。为了将所需的发射器阵列3005尺寸减到最小，以将磁条3013、3015贴在前框格3009、3011上相同的方式，将分路3021、3023放置在后导轨框格方格3017、3019的最内部边缘上。对于每个导轨上具有多于两个方格的通风橱来说，以与前述中放置磁条用于每个导轨上具有多于两个方格的用途相同的方式，将分路放置在后导轨方格上。发射器线圈与接收器阵列和分路一起，用于保证每个后导轨框格方格的位置。
图31示出多路传感器阵列在一通风橱结构中的应用，在使用现有技术框格传感技术时，传统上认为如果不是不可能的，也是困难的。这种框格结构通常遇到走得进去的或“完全进入＂的通风橱。
对于更传统的通风橱，如图6中所示的通风橱，当移动一水平方格时对水平开口的测量是水平方格之间的重叠量，以及方格保持在其中的框架垂直位置的函数。在图31中的通风橱中，该关系由于垂直位置或垂直移动框架之间的重叠作为位于两组合框格框架上的水平方格的绝对位置的函数影响水平开口这一事实而被进一步复杂化了。例如在图31中，向方格2D右例的开口量是其在其框架中的位置，顶部和底部框架的重叠量，以及方格1D的开口量(在这种情况下)的函数。相似地，方格1D向右的开口区域会受到方格2D位置的影响。这种信息不能通过使用现有技术传感器很容易地获得。但使用多路传感器阵列能够对水平框格开口的全部三个区域进行测量。
使用多路传感器阵列2可在顶部和底部框架之间建立垂直重叠距离V2。从此，可以确认沿底部垂直框格V3的非重叠距离。这种计算是由图1中的CPU板进行的。从旁通部底部至底部框格顶边缘的距离V1由垂直传感器测量。当允许每个框格框架顶部在旁通部底边缘上方移动时，该垂直传感器还起到一定作用。另外，在底部框格框架上安装一捕捉器，用于防止它经过顶部框架。因此，当底部框格上升到完全覆盖顶部，当它进一步移动时，二者作为一件移动；因此在该点之上的移动由标记为垂直传感器的元件记录。可替换地，可将一第二、不同定向的点磁体固定到旁通部底边缘，从而在传感器阵列2上显示上部框格的位置。也可使用测量上部垂直框格位置的其它方法。
使用变量V1、V2和V3使图1中的CPU板能够计算作为三个单独分量的各水平移动方格的水平开口。前两个分量由V1与由多路传感器阵列1测量的水平尺寸之乘积，及V2和由多路传感器阵列3测量的水平尺寸之乘积确定。最后，建立的分量作为V2与由多路传感器阵列1和多路传感器阵列3的组合水平测量的乘积。
本发明的另一实施例基于一般称作射频频率识别(RFID)的无线技术的变化，更具体地，是使用此处应用的几种可能的无源远程传感技术中的一种。该技术植根于自动数据捕捉市场，其中无线无源转发器逐渐代替了更多的传统条码传感装置。用该技术建立的系统包括至少两个元件一转发器(标记)和一感应读数器。RFID转发器通常被编程而固定一可由读数装置读出的号码或标识数字。
读数装置通常以用于激励和驱动转发器的在125千赫兹、915千赫兹、2.45GHz和5.8GHz产生一电磁场。该转发器装置是完全无电池或者无源的。
尽管可由用于数据检索的转发器从发射场提取足够的能量，但通常没有充足的能量用于响应读数器的询问由转发器直接发射。多数无源终端实际上没有发射器，而是在称作调制反向散射技术的基础上工作，其中由终端反射的电磁能量由将通信的数据调制。这可以通过以一种取决于编码数据的方式在终端天线上对一载荷进行交替切换而完成。在一些有多个终端的情况下，每个被监视的终端的调制频率不同，从而可以同时读出几个终端；这称作分散频谱响应。使用过其它方法，如用于同时读取大量终端的分时多路(TDM)。根据运行频率和实际终端结构，数据通信距离的上限为1至50英尺。可用于本实施例的转发器和阅读器的主要制造商包括Philip Mikron，TexasInstruments(Tiris)，Micron Communications，和MicroTechnologies。这些产品中的一些包括建在转发器中的8位微控制器，允许在这个水平上有极大的灵活性。
在使用转发器，特别是无源远程驱动转发器(PRPT)用于框格位置感应的实施例中，终端设备，或转发器，将通信时间改变数据，而不是储存在存储器中的ID码。图8和9示出该概念的主要部件。
PRPT技术的应用从水平移动方格上去掉了传感器导线，从而提高了可靠性、美学效果，安装容易，且容易完成新通风橱的安装。PRPT技术更灵活，适用于所有通风橱类型，框格和导轨计数。本实施例提高了从能够限定各种操作状态程度的“新式传感器”等类似概念推导出的故障安全特性。所有的信号预处理和换算都可以在传感器水平上完成。
敏感模块(SBM)(见图8)是负责对来自传感转发器(见图9)的数据进行起动、提供能量并检测和解码的设备。通过这种方式，它将实现多数可购买阅读器的共有功能。但它必须满足对框格传感应用所规定的其它要求。这包括对从多个传感器接收的信号进行合成的代数和比率运算，解决从多个转发器、设备结构和联接性与气流控制系统之间的通信。
由于与标准水平框格传感器应用相比，PRPT框格位置传感器是附加到通风橱控制系统上的元件，期望PRPT框格位置传感器尽可能多地拥有通风橱系统的功能。可能包括所有的通风橱监视校准功能和信号发送能力，从而联接到通风橱排气阍控制器。因此，将该设备引入到通风橱控制系统中可能最实际的是结合通风橱监视器，以及干扰与之通信的气流控制设备的方法的根本改变。
信号调制和解调方法并不限于图8中所示。但优选实施例涉及最适于在转发器与敏感模块之间传送的二进制数据的频移键控(FSK)编码803。由SBM通过天线806发射的载波音调805由转发器进行调幅。因此，SBM通过天线806接收一包含FSK解码数据的调幅信号，需要两个水平的解码807、809用于提取数据。这里，可购买的IC可用于在检测器步骤807之后提供解调功能809。在此处作为参考引入的、为PRPT终端设计检测器的惠普申请1089中，描述了一种检测AM/FSK信号的低成本方法。
图10中示出在SBM与几个传感转发器之间的基本通信周期中的信号发送。图10示出在分时多路基础上，用于多个传感转发器与SBM之间通信的优选计时关系。所用的另一方法涉及分散光谱通信，其中每个转发器使用一不同的载波频率。该分散光谱方法可能更复杂，并需要更多的SBM硬件来处理由SBM发射的多个音调，包括附加的检测器和用于每个载波的降频变频器。分散光谱系统可能会更可靠，但有时会产生改进的信号检测。当试图长距离通信时，这变得更加值得考虑。通过正确地放置和选择SBM和转发器天线，可以很容易地补偿基于FSK方法的降低的检测能力。
如图10中所示的通信周期由SBM发出的同步脉冲1001之间的时间段组成。同步脉冲1001之间的最小要求时间段由以下几个条件决定，包括转发器电荷积累时间(即转发器从所接收信号中储存足够电荷用于运行所需的时间)，传感转发器时隙时间(即转发器返回一数据包的时间)，以及要求系统支持的转发器的数量。
表3列出每个转发器进行数据通信的可能的数据包结构。该数据包可由FSK或分散光谱系统使用。
表3
在该包结构的基础上，每个转发器的响应包括40位数据，如果需要的话，加上一起始位。从传感转发器发出的FSK信号的数据率取决于数据通信的数据内容，因为空号和传号音调处于两个不同的频率。传号音调例如可以是空号音调频率的一半。如果传号和空号音调选择为多数低成本UART很容易处理的38.4千赫兹和76.8千赫兹，则数据包将用小于1微秒的时间(加上传感转发器的响应时间)与SBM通信。传感转发器的响应时间取决于多种因素，包括在传感转发器和SBM进行处理，因而完全取决于为转发器和SBM设计的硬件，以及在SBM接收器的数据处理速度。但与上面限定的信号发送速度相比，该处理时间非常短，在数十微秒数量级，为了简化而可以忽略。但当考虑接近更大产出，要求更高位速率时，响应时间将变成非常重要的因素。另外，可通过提高位速率而加大转发器的发射距离。
数据包的大小基本上确定了图10中所示传感转发器时隙的持续时间。时隙分散到SBM发射周期中，因而传感转发器#1到#N中的每一个都能够在周期中的一专门时间报告。SBM发射周期过程中转发器的报告点是由一与转发器电路成一整体的时间数确定的，且可以场设定或者在制造时确定。
如表3中数据包结构所示，可设计一根据所示实施例的系统来在一8位ID场的基础上支持最多256个转发器。通过增加ID场的大小，可以处理更多的转发器。但对于多数应用来说，能够支持约20个转发器的系统已经足够了。这种系统将以约20微秒的SBM发射周期时间来运行。这意味着来自多达20个转发器的数据会在大约20微秒内被询问。
使用接近载波基础频率的调制频率会对需要良好分辨率的AM信号检测带来问题。这对于数据是FSK解码信号的情况不是很严重的问题。尽管如此，使用传统AM检测，可通过相对于FSK音调频率提高载波频率来实现良好性能，从而产生一更加可辩认的包迹，使解调失真更少。
另一种方法涉及以远大于由SBM发射的载波频率的频率对FSK信号进行AM调制。应用这种技术，载波被视为噪音，并可利用高通滤波技术从所接收的数据中分离出来。该方法可提高发射范围，因为与以低频率发射相比，以较高频率进行发射需要较少的能量。
在通风橱应用中适用于传感器的几何形状允许相对于传统PRPT转发器的包装条件以更大自由度进行包装。用于PEPR用途的转发器对于微型包装有严格的要求。例如，许多可购买的转发器放置在小于3/4平方英寸的包装中。这使用于在转发器与阅读器之间进行充分耦合的天线结构复杂化，并会严重限制用于这些设备的发射的可变距离。
相比之下，框格传感器的包装几何形状就非常松，假定传感装置将大致占据其安装的框格的宽度的话。对于典型应用，通风橱框格在宽度上不小于1英尺，通常宽度在两英尺数量级。因此，有机会使用实际上远大于传统用于PRPT系统中的天线的天线。这会在转发器与SBM之间的能量耦合上产生重大改进。
图11示出用于传感转发器的天线组件的一种可能的实施例。它包括一组占据传感器杆1103全部长度的线圈1101。其它实施例可使用包括小于传感器组件距离的天线。但用图示的结构可获得与发射源更好的耦合。但该天线组件并不限于一组线圈1101，这种结构很容易组装，同时容纳各种长度的传感器。例如，线圈可以是印刷在姆拉(mylar，聚脂薄膜)、FR4(或其它常用电路板材料)上的金属轨迹，因此在一普通长度PCB上呈现出许多分立的线圈1101(以及必要的传感元件)。然后在框格宽度确定情况下制造传感器到所需的适当长度的过程中，对PCB进行修整和填加。
图12示出一用于位置感应的实施例，包括用于下面组合用途的一主天线1201和一副天线1203，从SBM向转发器提供能量，通信以及框格位置感应。两个天线中的每一个可根据图11构造；但它们不必每个线圈具有相同的匝，因为只需要一个天线来向转发器电子元件发送能量。SBM载波信号是对转发器的一个激励，用于产生原始传感信号。这里，天线1201、1203以一共面方式定位在一第一通风橱框格上，同时将两者侧向定位，从而实际上一个放置在另一个上方。传感器杆(图11，1103)的长度尺寸设置在其开口将被测量的第二框格移动的方向。该第二框格上固定一高渗透性材料，如铁制成的区段，其形状与副天线的形状匹配。该高渗透性材料侧向放置在框格上，使副天线与高渗透性材料之间的重叠百分比代表框格之间的重叠百分比。
该渗透性材料增进了SBM发射器天线与副天线1203之间的耦合，在副天线上产生一相对于由主天线1201检测的信号为正的作用信号，该信号与天线和可渗透材料之间的重叠成线性比例。使用两个天线1201、1203补偿了传感转发器天线1201、1203与SBM发射器天线之间耦合的变化，这发生在通风橱框格移动而使它们之间的距离变化时。如果相对于转发器天线1201、1203能够建立一基本上一致的SBM载波场的话，有可能去掉两个转发器天线1201、1203中的一个。实现它的一个方式是沿例如通风橱开口顶部分布SBM天线。
对于图12的方式，框格重叠是由下列表达式建立的 使用SBM载波信号作为激励的传感方法包括一主传感转发器和一副传感转发器，或信标。主转发器可包括安装在一第一框格上的图12中的天线结构。在其重叠将相对于第一框格进行测量的第二框格上，侧向设置了一个副转发器，该副转发器具有一形状与主转发器组件轮廓匹配的天线线圈，使主副转发器之间的重叠百分比代表框格之间的重叠百分比。
本实施例中的主转发器以与前述大致相同的方式与SBM通信。但副转发器设计成严格地作为一“信标”或信号源运行，该“信标”或信号源由安装在通风橱上的一个或多个主转发器用作参照。但是，与主转发器相似，信标使用SBM载波信号作为其运行的能量源。
主转发器和信标都装有一递减计数器，该递减计数器建立了作为载波频率一部分的音调，并相对于SBM同步脉冲同步。由于该信号是由主转发器和信标从相同的源，即从SBM载波中导出的，它们基本上是同步的。信标处导出的音调用于对图13中所示载波进行放大调制。这呈现出当信标靠近时由传感转发器接收的低水平信号，且在该点用作为参照的SBM导出音调进行同步解调。结果是一来自信标的信号，频率等于参照音调，但具有一与传感器和信标之间实际重叠量，即框格开口相关的振幅，当相对于SBM载波信号的振幅考虑时。如图14所示，框格之间的重叠表示为信号比的函数。
在位置感应的实施例中，传感转发器将向SBM报告所接收的SBM载波信号以及从信标解调的音调的峰值。SBM载波的振幅用于补偿当信标的位置相对于SBM发射器变化时，发自信标的解调信号的包迹的振幅。
与前述实施例相比提供了更好的信号整体性的另一无线传感方法，涉及静电或电容耦合传感元件。图17和18中示出这种实施例的主要部件。
图15中示出两组电极1501、1503、1505、1507，或导电板的结构。其重叠将被检量的两个框格中的每一个需要一个电极组件1509、1511。由一绝缘体1513将彼此隔开的电极1501和1503固定在一第一框格上。电极1505和1507以分别与电极1501和1503相对的关系固定在一第二框格上。电极1505和1507由一电阻材料1515或分散电阻(未显示)联接。相对的电极用作可变电容，它们的值在两框格之间重叠量的基础上变化。像具有任何电容传感方案的情况那样，电容的变化导致与所关心的测量参数相关的阻抗的变化。但由于由平行板形成的电容还是它们之间气隙的函数，这种机构自身不会提供满意的结果。这是由于该气隙与振动及周期框格运动的可变化性。
因此，传感方法不仅仅依赖于由重叠实现的电容的值。一电阻元件，电容材料1515已经插入传感器条1511中。图15B给出了操作中的这些元件的等效电路。电容元件1515的作用是向传感器网络的传导特性提供一种无电抗的，即真正的相量元件。该真正项不依赖于框格之间的气隙，并很容易由图16中所示电路元件分解。用这种电容基础上的传感，电容仅用作激励信号的耦合机构。
与传感器条1511结合的电阻材料1515可以是电解沉积在条形材料上的薄膜电阻，或者可以使用分散表面上安装的电阻。可采用任一种方法来提供一极薄的传感器条。
为了将重叠的传感器部分从传感器条上没有被传感转发器覆盖的部分上分开，传感器条电极由大量分散隔离的元件组成。分散电极和电阻元件的尺寸限定了传感器的分辨率。这是因为，尽管电容与电极之间的重叠量基本成线性地变化，电阻通过对应于当重叠量改变时形成电容的每对新电极的不连续增量而改变。
电阻项与框格重叠量非线性地变化。但这一特性是高度可重复的，因而框格重叠量可以很容易地在计算上提取，或者借助于一个搜索表提取。这一功能将最有逻辑性地在SBM上完成，因为相量分解极有可能在SBM中发生。
图17示出从传感器网络提取真正信号分量的替换方法。该方法将一可变负阻抗变换器(NIC)1701与传感元件1509、1511串联，以取消传感器容抗中的相量。可制成高感应(即它是一有功电感)的NIC的阻抗，是在代表从相检测器1709导出的相的反馈信号1707的基础上，由运算放大器1703的输出1705控制的。控制电路1711提供电抗元件的动态取消，产生一与传感器电阻1515成比例的信号。该方法的优点在于，它减少了必须通过输出1713与SBM通信的变量，简化了SBM和传感转发器的操作。
除了电容耦合之外，可使用一电感耦合的类似方法。对于这种方法，位于图15中传感转发器和传感条上的电极将由分立的微型线圈元件代替。根据线圈几何形状的限制，该方法可产生一高度的耦合，较少依赖于气隙至电阻元件的距离，导致更好的信号整体性和动态范围的改进。
能够通过降低它们对于通信的功能要求而简化传感转发器。图18表示一简化了的转发器方案，该方案将接收器和发射器功能减少到一非常简单的状态。这在降低能量消耗方面对于微控制器结构会具有显著优点。传感转发器电子元件的能量消耗对于天线结构形状，发射范围的成本和可行性，以及在一可接受范围内未许可电磁辐射发射器的运行，都有巨大影响。通过图18中的结构，可实现导出数十微安的电路拓朴结构。这种低能量消耗的关键在于许多逻辑硬件借助于可编程逻辑技术，如可编程逻辑阵列等的体现。
注意，在图18中串联输入/并联输出设备1801的输出处比较的位模式可认为是一同步激励转发器的操作码。由于转发器可能位于一个场或其它这种设备中，装入一计时器1803，用于将从各单元返回SBM的响应进行时间分隔。如果SBM将询问每个现有设备的话，则计时器可省略。这种轮询/轮询响应方法将在每个传感转发器上使用一专门的操作码。
图19表示完成区分电容传感所需的仪器的一部分。该方法涉及两对与图15中类似的电极；一个用作另一个的参照。图19中的电路，实际上消除了对电极间气隙分隔(d)的任何依赖，因为气隙分隔(d)对于两个电容(C1和C2)是共模参数。该电路向与两对电极的面积比(A1/A2)成比例的输入激励1901提供了增益项。因此，为了产生线性信号的目的，电极必须制作成使它们的面积比是重叠量的线性函数。
权利要求
1.一种用于框架中的框格的框格传感器，包括多路传感元件阵列；及至少一个显示元件，该显示元件与该传感元件阵列中的一个或多个传感元件相互作用，以影响由其检测的一信号。
2.如权利要求1所述的传感器，其中该至少一个显示元件是至少一个无源元件。
3.如权利要求2所述的传感器，还包括信号源，该信号源定位成沿该信号受到该至少一个无源元件影响的方向将一辐射信号引向传感元件阵列。
4.如权利要求3所述的传感器，其中该至少一个无源元件置于传感元件阵列与信号源之间。
5.如权利要求4所述的传感器，其中该辐射信号是电磁的，该至少一个无源元件是导电的。
6.如权利要求2所述的传感器，其中该至少一个无源元件是一磁体，该多路传感元件适于测量不随时间变化的磁场。
7.如权利要求6所述的传感器，其中该磁体安装在框格上，该阵列安装在框架上。
8.如权利要求6所述的传感器，其中传感元件是其状态受磁体影响的霍耳效应开关。
9.如权利要求8所述的传感器，其中每个霍耳效应开关具有一联接用来接收一起动信号的起动输入端，每个霍耳效应开关具有一输出端，传感器还包括对应于每个霍耳效应开关的电路，该电路具有一与该霍耳效应开关起动输入端相联的输出端，用于当接收到至少一个起动信号且霍耳效应开关输出被认定时起动霍耳效应开关。
10.如权利要求9所述的传感器，其中该电路是微处理器。
11.如权利要求9所述的电路，其中该电路还包括或门，该或门具有与之相联的输入端，用于接收起动信号和霍耳效应开关输出，及与霍耳效应开关起动输入端相联的输出端。
12.如权利要求11所述的传感器，还包括与非门，该与非门具有与之相联的输入端，用于接收霍耳效应开关输出并起动信号，并具有一代表起动后霍耳效应开关状态的输出端。
13.如权利要求1所述的传感器，还包括信号源，该信号源定位成沿该信号受到该至少一个显示元件影响的方向将一辐射信号引向传感元件阵列。
14.如权利要求13所述的传感器，其中该至少一个显示元件置于传感元件阵列与信号源之间。
15.如权利要求14所述的传感器，其中该显示元件安装在框格上，该阵列和信号源以彼此相对的关系安装在框架上，显示元件设置在它们之间。
16.如权利要求14所述的传感器，其中该辐射信号是电磁的，该至少一个无源元件是导电的。
17.如权利要求16所述的传感器，其中该辐射信号的频率小于125千赫兹。
18.如权利要求13所述的传感器，其中多个多路信号源分别将一辐射信号引导到一共同的接收元件，其中该信号受显示元件的影响。
19.如权利要求18所述的传感器，其中该至少一个显示元件设置在传感元件阵列与信号源之间。
20.如权利要求19所述的传感器，其中该显示元件安装在框格上，该阵列和信号源以彼此相对的关系安装在框架上，显示元件设置在它们之间。
21.如权利要求13所述的传感器，其中多个信号源分别将一辐射信号引导到多个多路接收元件，其中该信号受显示元件的影响。
22.如权利要求21所述的传感器，其中该至少一个显示元件设置在传感元件阵列与信号源之间。
23.如权利要求22所述的传感器，其中该显示元件安装在框格上，该阵列和信号源以彼此相对的关系安装在框架上，显示元件设置在它们之间。
24.如权利要求14所述的传感器，其中该辐射信号是光子，该至少一个显示元件是基本上不透明的。
25.如权利要求2所述的传感器，其中该多路传感元件阵列安装在框架上，该至少一个无源元件安装在框格上。
26.如权利要求2所述的传感器，还用于感应框架中多个框格的位置，其中该多路传感器阵列安装在多个框格中的一个上，该至少一个无源元件安装在多个框格中的另一个上。
27.如权利要求2所述的传感器，还用于感应框架中多个框格的位置，其中该多路传感器阵列安装在框架上，该至少一个无源元件安装在该多个框格中的至少一个上。
28.如权利要求27所述的传感器，其中该至少一个无源元件还包括多个无源元件。
29.如权利要求28所述的传感器，其中该多个无源元件安装在该多个框格上，其中该多个无源元件具有一特征，从而一个框格可与另一个区分开。
30.如权利要求29所述的传感器，还包括处理器，该处理器在将一个框格与另一个区分开的特征的基础上，对框格之间的重叠量进行计算。
31.如权利要求30所述的传感器，其中该传感器阵列的跨度小于框格能够移动经过的全部距离，该处理器还根据所计算的重叠量对框格开口进行计算。
32.如权利要求29所述的传感器，其中该多个无源元件是以不同磁性取向安装的磁体。
33.如权利要求2所述的传感器，还用于感应框架中多个框格的位置，该多路传感元件阵列为第一传感器阵列，该传感器还包括作为第二传感器阵列的另一多路传感元件阵列，该第一传感器阵列和第二传感器阵列串联联接，并复合成一连续传感器阵列。
34.如权利要求33所述的传感器，其中该多个框格包括安装在至少一个垂直框格上的至少一个水平框格，其中安装该第一传感器阵列来测量该水平框格的水平框格位置，安装该第二传感器阵列来测量垂直框格位置。
35.如权利要求34所述的传感器，还包括包括第二多个水平框格的第二垂直框格；与该第一和第二传感器阵列串联并复合成一个连续传感器阵列的第三传感器阵列，安装该第三传感器阵列来测量该第二多个水平框格的水平框格位置。
36.如权利要求35所述的传感器，还包括处理器，该处理器响应由第二传感器阵列报告的垂直框格位置和由第一和第三传感器阵列报告的水平框格位置而对框格开口面积进行计算。
37.如权利要求36所述的传感器，还包括垂直传感器，该垂直传感器具有一向处理器报告第二垂直框格位置的输出端；其中该处理器根据第二传感器阵列确定该至少一个垂直框格与该第二垂直框格之间的重叠量(V2)，及该第二垂直框格的非重叠距离(V3)；该处理器根据垂直传感器和重叠量(V2)确定从第二垂直框格的上边缘至一旁通部分的下边缘之间的非重叠距离(V1)，及一底部开口面积；该处理器根据非重叠距离(V1)和由第三传感器阵列报告的水平框格位置确定第一上部开口面积；该处理器根据非重叠距离(V3)和由第一传感器阵列报告的水平框格位置确定第二上部开口面积；该处理器根据重叠量(V2)和由第一和第三传感器阵列报告的水平位置确定第三上部开口面积；及该处理器确定作为底部开口面积、第一上部开口面积、第二上部开口面积及第三上部开口面积之和的总框格开口面积。
38.如权利要求2所述的传感器，其中该至少一个无源元件是无源远程驱动转发器(PRPT)。
39.如权利要求32所述的传感器，其中当一输出端发出显示入射信号强度的信号时每个PRPT解码。
40.如权利要求39所述的传感器，其中安装多个PRPT用于与每个框格方格一起移动。
41.如权利要求40所述的传感器，其中PRPT由一与该PRPT电磁耦合的外部能量源驱动。
42.如权利要求41所述的传感器，其中PRPT由一与该PRPT静电耦合的外部能量源驱动。
43.如权利要求1所述的传感器，其中该显示元件由一内部能量源驱动。
44.如权利要求43所述的传感器，其中当输出端发出显示入射信号强度的信号时每个显示元件解码。
45.如权利要求44所述的传感器，其中安装多个显示元件用于与每个框格方格一起移动。
46.一种用于对框架中的框格进行感应的方法，该方法包括在沿该框架的多个位置接收信号；及检测当框格移动时移动的无源元件对所检测的信号的影响；其中对接收步骤进行多路操作，从而在各位置对信号进行独立检测。
47.如权利要求46所述的方法，其中该多路操作是对时间的。
48.如权利要求47所述的方法，其中该多路是对频率的。
49.如权利要求46所述的方法，还包括提供一磁体作为该无源元件，该磁体的恒定磁场是该信号。
50.如权利要求46所述的方法，还包括提供一时变信号作为该信号。
51.如权利要求50所述的方法，其中该无源元件是无源远程转发器，并由所提供的该时变信号询问。
52.如权利要求51所述的方法，还包括在从该无源远程转发器接收的响应的基础上对框格之间的重叠量进行计算。
53.如权利要求50所述的方法，还包括通过当框格移动时改变该无源元件的位置而在接收步骤中改变所接收的信号。
54.一种对框架中的框格进行感应的方法，该方法包括在型板中设置传感器阵列和无源元件；当框格位置改变时改变该型板；用该传感器阵列接收显示该型板的信号；及从所接收的信号导出该框格的位置。
全文摘要
一种通风橱使用多路传感器来测量框格位置。该传感器发射和接收元件可以是多路的。另外,该传感器可使用无源的、无源远程驱动转发器,或者位于框格上的驱动转发器元件来测量框格位置。
文档编号F24F7/007GK1333709SQ9981549
公开日2002年1月30日 申请日期1999年10月22日 优先权日1998年12月10日
发明者埃里克·M·德斯罗切尔斯, 史蒂文·J·加尤利, 赫伯特·A·温特斯 申请人:凤凰城控制有限公司