柔性磁芯电子标记物的制作方法
【专利摘要】本发明提供了用于标记不可见制品的电子标记物和制备电子标记物的方法。所述标记物包括由柔性且有时高磁导率的磁性材料制成的芯和围绕所述芯设置的螺线管。电容器与所述螺线管电耦合，并且所述标记物被调谐成响应于特征谐振频率下的信号。所述标记物可以被附接到内埋地下的导管。所述标记物还可以包括射频标识芯片。
【专利说明】柔性磁芯电子标记物
【技术领域】
[0001]本发明涉及不可见或内埋的基础设施诸如柔性塑料管道或其它导管的电子标记物。更具体地讲，本发明涉及用于标记不可见或内埋的基础设施的具有柔性磁芯的电子标记物。
【背景技术】
[0002]在世界各地，导管诸如用于水、气体和污水的管道以及用于电话、电力和电视的电缆被埋在地下。通常变得重要的是，知晓导管或其它地下或不可见的设施或管道的位置。例如，在挖掘地基之前，建筑公司可能希望确保他们不损坏任何不可见的设施。煤气公司关注的是能够在地下管道泄漏时来定位该地下管道。电话公司可需要将新电话电缆连接到现有电缆。在这些情况的每一个中，可有用的是，不仅知道地下设施埋藏的位置，而且知晓埋藏在此位置的设施的种类和拥有所述设施的物主。
[0003]若干不同类型的管道和电缆可受益于提供能够使人随后定位不可见设施的某种类型的装置或工具。一个这样的例子是用于气体或水分配的钢或塑料管道。当建筑公司正在安装钢或传统的聚氯乙烯(PVC)管道时，它们通常挖掘沟槽并且将管道铺设在沟槽中。为了电子标记管道的位置，它们还会将电子标记物连同管道一起埋藏。这些标记物通常由包括电感器和调谐电容器的谐振射频(RF)电路制成。电感器通常被构造为空气线圈环或围绕刚性铁氧体杆的螺线管。这两者都用作磁场耦合器件。这些天线提供定向场并且被放置成使它们的轴线指向上。大的盘状电子标记物在被埋藏时被平坦地放置。球状标记物可以使用悬浮在流体内部的自平衡盘形标记物。一些球形标记物设计使用彼此正交地隔开的三个单独的线圈。球形标记物不需要为准确定位而小心取向。使用铁氧体杆天线的标记物通常用于浅应用，即，使得标记物靠近表面。一些电子标记物包括用于添加信息或读/写能力的RFID芯片。作为另外一种选择或除此之外,可以安装示踪线(tracer wire),之后通过向示踪线施加低频AC电流来定位。电流产生围绕示踪线的磁场，被称为电缆或管道定位器的便携式磁场检测器可检测到该磁场。目前，因为铁氧体杆天线的刚性，主要由于标记物缺乏柔性而导致具有铁氧体杆的标记物通常被布置成与管道或电缆有些分开。
[0004]还可以通过水平定向钻孔(HDD)工艺将管道和电缆埋入地下。当管道或电缆位于地下时，通过钻孔形成接纳孔和入口凹坑来开始该工艺。这些凹坑允许收集和回收钻孔流体，以降低成本，防止浪费。在一种方法中，可以通过先行试钻开始该工艺，其中，首先在指定路径上钻出试钻孔(pilot hole)。接下来，通过将较大的切削工具诸如背部扩孔钻穿过试钻孔来放大孔。在第三阶段，将管道、电缆或用于管道或电缆的壳体放置在孔中，这通常是通过将其拉到扩孔钻后面以将管道集中在新扩孔路径上来进行的。为了有利于HDD工艺，通常将被称为钻孔流体的粘稠流体抽吸至切削工具或钻头。钻孔流体可以有助于去除切削物，稳定钻孔，冷却切削头并且润滑管道通往孔的通道。
[0005]当通过HDD安装管道时，传统的标记物诸如铁氧体或球形标记物不可用于电子标记管道的位置，因为它们不能够随管道或电缆被拉过钻孔。因此，将受到欢迎的是也可以与设置在沟槽中的管道或电缆一起使用的通过HDD设置的用于管道或电缆的标记物。
【发明内容】
[0006]本发明总体上涉及具有柔性、磁性并且在一些实施例中具有高磁导率的天线芯的电子标记物，所述芯使得标记物能够附接到柔性管道或电缆。这种管道或电缆可以成线圈状并且标记物可以随管道、导管或电缆折曲。多个传统的电子标记物包括由铁氧体制成的天线芯。这种芯可能容易破损，从而导致标记物失效，造成不能定位标记物，并且还造成损失时间和金钱。柔性标记物可以在保持其功能性的同时经受一定程度的冲击和变形而没有破裂。
[0007]另外，符合本发明的具有柔性芯的标记物可以成功地用于水平定向钻孔工艺并且可以成功地与管道、电缆、导管或壳体一起被拉过非线性孔或者被作为管道、电缆或壳体的一部分被拉过非线性孔。
[0008]另外，当与具有空气芯螺线管天线结构的类似标记物比较时，符合本发明的柔性磁性标记物考虑到明显的信号增益。符合本发明的柔性标记物能适于附接到管道或导管，从而允许检测埋入相当深的地下深度的管道和相关标记物。与空气线圈天线标记物中的横截面面积相比，铁氧体的长度与标记物天线的孔成比例。
[0009]符合本发明的标记物的设计提供了特别针对与管道附接和具有小直径的管道的若干独特优点。例如，与具有空气芯的标记物相比，符合本发明的具有柔性磁性芯的标记物的高相对磁导率允许标记物被设计成具有长且薄的形状，这样使得能够与小直径的管道附接。另外，符合本发明的长且薄的标记物在被附接到管道时将保持其相对于管道的方位，这样增强了管道位置的精确度。
[0010]在一个方面，本发明包括一种用于标记不可见制品的电子标记物。所述标记物包括由柔性磁性材料制成的芯和围绕所述芯设置的螺线管。电容器与螺线管电耦合，所述标记物被调谐成响应于特征谐振频率下的信号。
[0011]在另一个方面，本发明包括一种制备用于标记不可见制品的电子标记物的方法。所述方法包括以下步骤:(a)提供由柔性磁性材料制成的芯；(b)围绕所述芯设置螺线管；以及(C)将电容器与所述螺线管电耦合，使得所述标记物被调谐成响应于特征谐振频率下的信号。
[0012]在又一个方面，本发明包括一种设置在地下的导管，所述导管包括流体或气体不可渗透主体。电子标记物被附接到主体。所述标记物包括由柔性磁性材料制成的芯、围绕所述芯设置的螺线管和与螺线管电耦合的电容器，其中，所述标记物被调谐成响应于特征谐振频率下的信号。如此的谐振标记物可以任选地装配RFID芯片，因为谐振电路可以供电以操作此芯片。
【专利附图】
【附图说明】
[0013]结合附图结合以下对本发明的各种实施例的详细描述，可以更加全面地理解本发明，其中:
[0014]图1示出符合本发明的具有由柔性磁性材料制成的芯的示例性标记物的透视图；
[0015]图2示出具有柔性壳体的具有由柔性磁性材料制成的芯的示例性标记物的剖视图；
[0016]图3示出具有附接到管道的符合本发明的标记物的旋拧柔性塑料管道的示例性线轴的透视图；
[0017]图4示出弯曲成大约0.6米的半径的具有由柔性磁性材料制成的芯的示例性标记物的侧视图；以及
[0018]图5示出弯曲成大约0.3米的半径的具有由柔性磁性材料制成的芯的示例性标记物的侧视图。
[0019]附图示出本发明的各种实施例。在不脱离本发明的范围的情况下，可以利用这些实施例并可以进行结构上的变化。附图未必按比例绘制。附图中使用的类似标号通常指代类似的部件。然而，使用标号来表示给定附图中的组件并非意图限制另一附图中用相同标号标记的组件。
【具体实施方式】
[0020]图1示出具有由柔性磁性材料制成的芯12的示例性标记物10的透视图。标记物10是电子标记物并且可用于标记不可见制品或设施诸如地下管道、电缆或导管的位置。标记物10包括柔性磁芯12。芯12可以由任何合适的柔性磁性材料制成，以增强标记物10的磁导率和性能特性。
[0021]标记物10的设计考虑到了各种关键的性能特性。这些特性包括:特征谐振频率、谐振品质因子(Q)和柔性。尺寸也会是重要的因素。
[0022]如以上提到的，芯12可以由各种材料(包括软磁、低矫顽力、高磁导率、低损耗、柔性的磁性材料)制成。一个这样的材料的例子是由明尼苏达州圣保罗(St.Paul, Minnesota)的3M公司销售的3M?AB5000系列材料。该材料包括加载在柔性聚乙烯树脂中的磁性填料。该材料在销售时一侧具有压敏粘合剂，符合本发明，这是可选的。或者，可以将本领域中已知的任何合适的柔性磁性材料用于芯12。这样材料的一个例子是粘结在柔性树脂或其它材料中的钥镍铁导磁合金粉末。如果将3M?AB5000系列材料用于芯12，则可以堆叠多层材料以形成所需厚度的芯，如相对于图2进一步讨论的。芯12可以是任何合适的尺寸。例如，芯12可以具有3mm、6mm、8mm或其间任何数值或更大或可能更小的厚度或直径,这取决于特定应用。芯12可以具有基本上均匀的柔性，使得芯或标记物10的弯曲半径整体而言在沿着标记物的任一点都是相同的。具有更小弯曲半径的标记物通常更具柔性。符合本发明的标记物可以具有任何合适的弯曲半径，诸如0.10m、0.20m、0.40m、0.50m或其间的任何量或更大或更小。芯12还可以由均质的柔性磁性材料制成，使得材料在标记物的整个长度上是均匀的，没有断裂、切口或接头。
[0023]螺线管14可以由各种材料制成并且可以用各种方法将其围绕芯12设置。例如，螺线管14可以由缠绕芯12的薄铜(或其它类型的)电磁线(magnet wire)例如26或24AWG电磁线或者类似物制成。较大横截面(较低AWG号)的电磁线还可以用于增加标记物Q。螺线管14可以直接缠绕芯12，或者可以缠绕壳体，诸如随后可以被插入芯12的柔性管。在设计螺线管14时，信号幅值是重要的考虑因素。信号幅值越大，可设置地下管道或其它不可见设施的深度越大。标记物的信号强度与标记物长度和品质因子(Q)成比例。可以通过增大芯12的体积并且通过减小螺线管14的绕组电阻来增大标记物的Q。可以通过以下两种方式来减小螺线管14的绕组电阻:增大螺线管14线的横截面面积和/或通过减小构成螺线管14的绕组的总长度。可以通过如以上提到的将绕组直接缠绕到芯12上来使螺线管14的绕组的长度最小。可以通过选择使芯体积与绕组表面积的比率最小的芯形状来使绕组长度最小。理论上最佳的芯形状是圆柱形，如在实例3中讨论的，这会比其它芯形状诸如矩形或正方形更切实际。长方形形状、诸如矩形的形状、或相对平坦的形状可以有利地减小当标记物10被附接到管道或导管时的总外形；然而，这种形状导致芯体积与绕组表面积的比率较低并且导致标记物Q较低。
[0024]可以使用电容器18来形成具有所需特征谐振频率的标记物或者将标记物调谐成所需的特征谐振频率。按照以下公式，通过螺线管电感和电容器电容来确定标记物的特征谐振频率(fr):
[0025]
【权利要求】
1.一种用于标记不可见制品的电子标记物，所述标记物包括: 由柔性磁性材料制成的芯； 围绕所述芯设置的螺线管；和 与所述螺线管电耦合的电容器，其中所述标记物被调谐成响应于特征谐振频率下的信号。
2.根据权利要求1所述的标记物，其中所述芯具有基本上均匀的柔性。
3.根据权利要求1所述的标记物,其中所述芯由均质的柔性磁性材料构成。
4.根据权利要求1所述的标记物，其中所述标记物在至少0.3米的弯曲半径下的特征谐振频率与伸直时的特征谐振频率基本上相同。
5.根据权利要求1所述的标记物，其中所述标记物设置在柔性壳体中。
6.根据权利要求5所述的标记物，其中所述壳体是流体不可渗透的。
7.根据权利要求5所述的标记物，其中所述壳体由高密度聚乙烯(HDPE)或热收缩材料中的一者制成。
8.根据权利要求5所述的标记物，其中具有所述标记物的所述壳体在保持所述标记物的所述特征谐振频率的同时具有至少0.3米的弯曲半径，并且其中所述壳体和所述标记物可以恢复到它们的初始弯曲半径。
9.根据权利要求1所述的标记物，其中所述标记物具有长方形横截面。
10.根据权利要求1所述的标记物，其中所述柔性磁性材料包括来自3MAB5000系列的材料。
11.一种细长支撑体，其包括多个根据权利要求1所述的标记物。
12.根据权利要求1所述的标记物，还包括射频标识芯片。
13.一种制备用于标记不可见制品的电子标记物的方法，所述方法包括: (a)提供由柔性磁性材料制成的芯； (b)围绕所述芯设置螺线管；以及 (C)将电容器与所述螺线管电耦合，使得所述标记物被调谐成响应于特征谐振频率下的信号。
14.根据权利要求13所述的方法，其中所述芯具有基本上均匀的柔性。
15.根据权利要求13所述的方法，还包括以下步骤: (d)将所述标记物设置在柔性壳体中。
16.根据权利要求15所述的方法，其中所述壳体是流体不可渗透的。
17.根据权利要求15所述的方法，其中所述壳体由高密度聚乙烯(HDPE)或热收缩材料制成。
18.根据权利要求13所述的方法，其中步骤(b)包括围绕所述芯缠绕线。
19.根据权利要求13所述的方法，其中所述柔性磁性材料包括来自3MAB5000系列的材料。
20.根据权利要求13所述的方法，还包括: (d)将射频标识芯片电耦合到所述螺线管。
21.一种设置在地下的导管 ，所述导管包括: 流体或气体不可渗透主体；附接到所述主体的电子标记物，其中所述标记物包括: 由柔性磁性材料制成的芯； 围绕所述芯设置的螺线管；和 与所述螺线管电耦合的电容器，其中所述标记物被调谐成响应于特征谐振频率下的信号。
22.根据权利要求21所述的导管，其中所述标记物被封装在所述导管的主体中。
23.根据权利要求21所述的导管，其中所述标记物还包括壳体，并且其中所述壳体由与所述主体相同的材料制成。
24.根据权利要求21所述的导管，其中所述标记物还包括射频标识芯片。
25.根据权利要求21所述的导管，其中所述标记物的柔性大于或等于所述导管的柔性。
26.根据权利要求21所述的导管，其中所述标记物长度在0.15米至0.60米的范围内。
27.根据权利要求21所述的导管，其中所述导管是管道。
【文档编号】G06K7/08GK103597497SQ201280028535
【公开日】2014年2月19日 申请日期:2012年6月14日 优先权日:2011年6月27日
【发明者】济亚德·H·多尼, 迪安·M·多德尔, 威廉·C·埃格伯特, 迈克尔·E·豪迈尔利, 特伦斯·H·小乔伊丝 申请人:3M创新有限公司