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磁传感器

阅读：665发布：2021-02-24

IPRDB可以提供磁传感器专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明涉及跟踪对象的磁传感器、系统以及方法。除了其它方面，本公开内容的特征在于包括传感器、DC磁场源、AC磁场源和接收器的系统。该传感器具有10:1或更高的纵横比，并且该传感器包括铁磁材料。该铁磁材料具有非线性磁化响应，并且该响应包含非线性最大点。DC磁场源能够进行调节以用于提供磁激励场，以在传感器内激发磁场。所提供的磁激励场具有下述范围：所述范围使得在传感器内所激发的磁场在非线性最大点附近。AC磁场源被配置成生成AC磁场以使传感器生成偶次谐波。接收器被配置成接收来自传感器的偶次谐波以用于确定传感器的位置。，下面是磁传感器专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种磁传感器系统，包括：

传感器，所述传感器具有10:1或更高的纵横比并且包括铁磁材料，所述铁磁材料对磁化激励具有非线性磁化响应，并且所述响应包含非线性最大点；

DC磁场源，所述DC磁场源被配置成提供能够调节的磁激励场，以在所述传感器内激发磁场，其中，响应于所述DC磁场源的DC电流来提供所述能够调节的磁激励场，所述DC电流具有下述能够调节的幅度范围：所述幅值范围使得在所述传感器内所激发的磁场能够具有与所述非线性最大点对应的磁场强度；

AC磁场源，所述AC磁场源被配置成生成AC磁场以使所述传感器生成偶次谐波；以及接收器，所述接收器被配置成接收来自所述传感器的所述偶次谐波以用于确定所述传感器的位置。

2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述传感器包括由所述铁磁材料形成的长形杆。

3.根据权利要求1所述的系统，其中，所述传感器包括箔。

4.根据权利要求1所述的系统，其中，所述传感器包括管。

5.根据权利要求4所述的系统，其中，所述管包括皮下注射针的全部或皮下注射针的一部分。

6.根据权利要求1所述的系统，其中，所述传感器被结合在注射器的针中，并且所述DC磁场源被结合在所述注射器的本体中。

7.根据权利要求6所述的系统，其中，所述DC磁场源包括单个偏置线圈。

8.根据权利要求7所述的系统，其中，所述偏置线圈具有与所述传感器的长轴基本在一条直线上对齐的长轴。

9.根据权利要求6所述的系统，其中，所述传感器与所述DC磁场源之间的距离在所述注射器的使用期间基本上保持相同，并且所述距离为厘米量级。

10.根据权利要求1所述的系统，包括用于基于所述偶次谐波来确定所述传感器的位置的处理器。

11.根据权利要求1所述的系统，其中，所述DC磁场源被配置成使来自所述传感器的所述偶次谐波的幅度最大化。

12.根据权利要求1所述的系统，其中，所述DC磁场源和所述AC磁场源共处在一处。

13.根据权利要求1所述的系统，其中，所述DC磁场源和所述AC磁场源包括公共的发射器线圈。

14.根据权利要求1所述的系统，其中，所述DC磁场源和所述AC磁场源是分开的。

15.根据权利要求1所述的系统，包括多个DC磁场源。

16.根据权利要求1所述的系统，包括被配置成接收所述偶次谐波的多个接收器。

17.根据权利要求16所述的系统，其中，所述DC磁场源被配置成能够进行调节以使来自所述传感器的所述偶次谐波的幅度最大化。

18.根据权利要求16所述的系统，其中，所述多个接收器被布置在相对于所述传感器的不同的位置处并且接收具有不同幅度的偶次谐波，并且所述具有不同幅度的偶次谐波被用于确定所述传感器的位置。

19.根据权利要求1所述的系统，其中，所述接收器所接收到的偶次谐波要被进行处理以用于确定所述传感器的方向。

20.根据权利要求19所述的系统，其中，所述接收器所接收到的偶次谐波要被进行处理以用于在至少五个自由度上确定所述传感器的位置和方向。

21.根据权利要求20所述的系统，其中，所述接收器所接收到的偶次谐波要被进行处理以用于在六个自由度上确定所述传感器的位置和方向。

22.根据权利要求1所述的系统，其中，所述DC磁场源被布置成使得DC磁场的方向与所述传感器的长轴对齐。

23.一种用于磁传感器的方法，包括：

向包括铁磁材料的传感器施加DC磁场以在所述传感器内激发磁场，所述传感器具有

10:1或更高的纵横比，所述铁磁材料对磁化激励具有非线性磁化响应，并且所述响应包含非线性最大点；

调节所述DC磁场使得在所述传感器内所激发的磁场具有与所述非线性最大点对应的磁场强度；

施加AC磁场以使所述传感器生成偶次谐波；以及

分析所述偶次谐波以确定所述传感器的位置。

24.根据权利要求23所述的方法，其中，调节所述DC磁场包括将所述DC磁场的方向与所述传感器的长轴对齐。

25.根据权利要求23所述的方法，其中，所述响应包含非线性最小点，并且所述方法包括调节所述DC磁场使得在所述传感器内所激发的磁场具有与所述非线性最小点对应的磁场强度。

26.根据权利要求25所述的方法，包括确定所述非线性最大点和所述非线性最小点之间的距离。

27.根据权利要求23所述的方法，其中，分析所述偶次谐波包括计算所述偶次谐波的幅度。

28.根据权利要求27所述的方法，包括使用在相对于所述传感器的不同的位置处的多个接收器来接收所述偶次谐波，并且由不同的接收器接收到的偶次谐波的幅度不同。

29.根据权利要求23所述的方法，其中，调节所述DC磁场包括使来自所述传感器的所述偶次谐波的幅度最大化并且在保持最大化的偶次谐波的同时使总DC激励最小化。

30.根据权利要求29所述的方法，包括使用多个接收器来接收来自所述传感器的所述偶次谐波，并且其中，分析所述偶次谐波以确定所述传感器的位置包括确定所述接收器的AC磁中心的位置。

31.一种磁传感器系统，包括：

长形传感器，所述长形传感器包括铁磁材料，所述铁磁材料对磁化激励具有包含非线性最大点的非线性磁化响应；

多个DC磁场源，所述多个DC磁场源被配置成将所述传感器内的磁场调节成具有与所述非线性最大点对应的磁场强度；

AC磁发射器，所述AC磁发射器能够操作成在所述传感器附近生成AC磁场并且使所述传感器响应于所述AC磁场来生成偶次谐波；以及多个接收器，所述多个接收器能够检测来自所述传感器的至少一些所述偶次谐波，所检测到的偶次谐波能够用于确定所述传感器的位置。

32.根据权利要求31所述的系统，包括用于确定所述传感器的位置的计算机。

33.一种磁传感器系统，包括：

复合传感器，所述复合传感器包括：

第一长形传感器，所述第一长形传感器包括第一铁磁材料，所述第一铁磁材料对磁化激励具有：包含第一非线性最大点的第一非线性磁化响应、包含第二非线性最大点的第二非线性磁化响应以及在所述第一非线性最大点与所述第二非线性最大点之间的基本上线性的磁化响应；

第一线圈，所述第一线圈绕所述第一长形传感器的长轴进行缠绕；以及第二线圈，所述第二线圈与所述第一线圈电连接；

多个DC磁场源，所述多个DC磁场源被配置成将所述第一长形传感器内的磁场调节成具有与所述第一非线性最大点对应的磁场强度和与所述第二非线性最大点对应的磁场强度；

多个AC磁发射器，所述多个AC磁发射器能够操作成生成AC磁场以用于使所述第一线圈和所述第二线圈响应于所述AC磁场来生成偶次谐波；以及多个接收器，所述多个接收器能够检测来自所述第一线圈和第二线圈的至少一些所述偶次谐波，所检测到的偶次谐波能够用于在五个自由度上确定所述第一长形传感器的位置和在五个自由度上确定所述复合传感器的位置。

34.根据权利要求33所述的系统，其中，所述第一线圈与所述第二线圈并联地电连接。

说明书全文

磁传感器

技术领域

[0001] 本公开内容涉及磁传感器，例如用于跟踪对象的长形传感器。

背景技术

[0002] 磁传感器可以用于跟踪对象。通常，传感器被附接至对象或者为对象的一部分。在激励时，可以收集来自传感器的响应信号以用于确定对象的位置。

发明内容

[0003] 在一个方面，本公开内容的特征在于一种包括传感器、DC磁场源、AC磁场源和接收器的系统。所述传感器具有10:1或更高的纵横比，并且所述传感器包括铁磁材料。所述铁磁材料具有非线性磁化响应，并且该响应包含非线性最大点。所述DC磁场源能够进行调节以用于提供磁激励场，以在传感器内激发磁场。所提供的磁激励场具有下述范围：所述范围使得在传感器内所激发的磁场在非线性最大点附近。所述AC磁场源被配置成生成AC磁场以使传感器生成偶次谐波。所述接收器被配置成接收来自传感器的偶次谐波以用于确定传感器的位置。

[0004] 在另一个方面，本公开内容的特征在于一种方法，其包括：向包括铁磁材料的传感器施加DC磁场以在传感器内激发磁场。所述传感器具有10:1或更高的纵横比。所述铁磁材料具有对磁化激励的非线性磁化响应。所述响应包含非线性最大点。该方法还包括：调节DC磁场使得在传感器内所激发的磁场在非线性最大点附近；施加AC磁场以使传感器生成偶次谐波；以及分析偶次谐波以确定传感器的位置。

[0005] 在另一个方面，本公开内容的特征在于一种包括长形传感器、多个DC磁场源、AC磁发射器以及多个接收器的系统。所述长形传感器包括铁磁材料，所述铁磁材料具有包含非线性最大点的非线性磁化响应。所述多个DC磁场源被配置成将传感器内的磁场调节到非线性最大点附近。所述AC磁发射器能够操作成在传感器附近生成AC磁场并且使传感器响应于AC磁场来生成偶次谐波。所述多个接收器能够检测来自传感器的至少一些偶次谐波。所检测到的偶次谐波能够用于确定传感器的位置。可以存在用于确定传感器的位置的计算机。

[0006] 在另一个方面，本公开内容的特征在于一种包括复合传感器的系统。所述复合传感器包括第一长形传感器，所述第一长形传感器包括第一铁磁材料。所述第一铁磁材料具有：包含第一非线性最大点的第一非线性磁化响应；包含第二非线性最大点的第二非线性磁化响应；以及在第一非线性最大点与第二非线性最大点之间的基本上线性的磁化响应。该系统还包括：绕第一长形传感器的长轴缠绕的第一线圈、与第一线圈电连接的第二线圈、多个DC磁场源、多个AC磁发射器以及多个接收器。所述多个DC磁场源被配置成将第一传感器内的磁场调节到第一非线性最大点和第二非线性最大点附近。所述多个AC磁发射器能够操作用于使第一线圈和第二线圈响应于AC磁场来生成偶次谐波。所述多个接收器能够检测来自第一传感器和第二传感器的至少一些偶次谐波。所检测到的偶次谐波能够用于在五个自由度上确定第一传感器的位置和在五个自由度上确定复合传感器的位置。第一线圈和第二线圈可以并联地电连接。

[0007] 方法和/或系统的某些实施可以包括以下特征中的一个或更多个。传感器包括由铁磁材料形成的长形杆。传感器包括箔。传感器包括管。所述管包括皮下注射针的全部或一部分。传感器被结合在注射器的针中，并且DC磁场源被结合在注射器的本体中。DC磁场源包括单个偏置线圈。偏置线圈具有与传感器的长轴基本上对齐的长轴。传感器与DC磁场源之间的距离在注射器的使用期间基本上保持相同，并且该距离为厘米量级。处理器被用于基于偶次谐波来确定传感器的位置。DC磁场源被配置成使来自传感器的偶次谐波最大化。DC磁场源和AC磁场源共处在一处。DC磁场源和AC磁场源包括公共的发射器线圈。DC磁场源和AC磁场源是分开的。包括有多个DC磁场源。多个接收器被配置成接收偶次谐波。DC磁场源被配置成能够进行调节以使来自传感器的偶次谐波最大化。所述多个接收器被布置在相对于传感器的不同的位置处并且接收具有不同幅度的偶次谐波，并且所述具有不同幅度的偶次谐波被用于确定传感器的位置。所接收到的偶次谐波要被进行处理以用于确定传感器的方向。所接收到的偶次谐波要被进行处理以用于在至少五个自由度上确定传感器的位置和方向。所接收到的偶次谐波要被进行处理以用于在六个自由度上确定传感器的位置和方向。DC磁场源被布置成使得DC磁场与传感器的长轴对齐。

[0008] 方法和/或系统的某些实施可以包括以下特征中的一个或更多个。调节DC磁场包括将DC磁场与传感器的长轴对齐。响应包含非线性最小点，并且方法包括调节DC磁场使得在传感器内所激发的磁场在非线性最小点附近。确定非线性最大点与非线性最小点之间的距离。分析偶次谐波包括计算偶次谐波的幅度。使用在相对于传感器的不同位置处的多个接收器来接收偶次谐波，并且由不同的接收器所接收到的偶次谐波的幅度不同。调节DC磁场包括使来自传感器的偶次谐波最大化并且在保持最大化的偶次谐波的同时使总DC激励最小化。使用多个接收器来接收来自传感器的AC信号，并且分析偶次谐波以确定传感器的位置包括确定接收器的AC磁中心的位置。使用计算机来确定传感器的位置。第一线圈和第二线圈被并联地电连接。

[0009] 可以组合在本公开内容中描述的两个或更多个特征以形成本文中没有具体描述的实施或示例。

[0010] 可以经由计算机程序产品来实施本文中描述的各种系统的控制或其一部分，该计算机程序产品包括存储在一个或更多个非暂态机器可读存储介质上并且在一个或更多个处理设备上可执行的指令。本文中描述的系统或其一部分可以实施为装置、方法或者可以实施为可以包括一个或更多个处理设备和用于存储实现所陈述的功能的控制的可执行指令的存储器的电子系统。

[0011] 附图和以下描述中阐述了一个或更多个实施的细节。根据说明书和附图以及权利要求书，其他的特征、目的和优点将变得明显。

附图说明

[0012] 图1是示出了跟踪系统的示例的框图。

[0013] 图2是发射器的示意图。

[0014] 图3是磁化曲线的示意图。

[0015] 图4是由传感器生成的辐射磁场的示意图。

[0016] 图5是四个发射器的示例性布置。

[0017] 图6是示出了示例性跟踪系统的一部分的框图。

[0018] 图7是示出了跟踪系统的另一个示例的框图。

[0019] 图8是示出了复合传感器的示例的框图。

[0020] 图9是结合了用于跟踪注射器的针的传感器的注射器的示意图。

具体实施方式

[0021] 概述

[0022] 可以将具有长形铁磁芯的无源无线传感器与一个或更多个磁场一起使用来测量对象的位置和方向。可以将传感器附接至位置和方向要被测量的对象。在一些实施方式中，传感器可以置于对象内部或者嵌在对象中。传感器可以具有小的尺寸，例如大约0.1mm至1mm的直径和大约5mm至50mm的长度，使得传感器可以置于小的对象中或者置于具有相似形状的对象例如医用针头中而不干扰对象的功能。根据需要也可以使用其他尺寸。基于芯的一个或更多个物理尺寸或者物理尺寸的其他的表示或计量，长形铁磁芯可以具有10：1或者更高的纵横比。另外，传感器是无源的并且不具有任何外部电连接。传感器可以具有各种形状例如基于要被跟踪的对象而选择的形状。有时，传感器为导线形状，并且在其它时候，传感器可以是管状的，例如皮下注射针状的。可以在至少五个自由度或者甚至六个自由度上确定对象的位置和方向。在一些实施中，可以在20cm3或更大的体积(称之为跟踪体积)内跟踪传感器的位置和方向。可以通过跟踪系统和传感器中的元件的布置(在以下讨论)来确定跟踪体积。有时，当传感器在跟踪体积外时，可能需要调节系统以继续跟踪传感器。

[0023] 某些铁磁材料的磁化曲线(还被称为BH曲线或磁滞曲线)可以展示出不饱和状态与饱和状态之间的明显的跳变。这样的跳变有时被称为“拐点(knee)”。拐点还可以被看作BH曲线上的非线性最大点或非线性最小点。例如，可以选择特定材料、选择处理材料的步骤等来产生期望的磁化曲线。为了测量对象的位置和方向，对象置于一个或更多个激励磁场中使得传感器的铁磁芯中的磁场(或者B场)具有与BH曲线上所选择的点对应的值。在一些实施方式中，施加直流(DC)偏置B场使得铁磁芯中的B场位于拐点的角处。然后施加交流(AC)B场分量以使铁磁芯响应于AC场的交变极性在饱和状态和线性(不饱和)状态之间的拐点的两侧跳变。作为这样的跳变的结果，该芯辐射包含所施加的AC场的偶次谐波的磁场。这些偶次谐波通过接收天线而被检测到并且以下列方式之一进行使用以确定铁磁芯的位置和方向。

[0024] DC磁场和AC磁场二者可以通过一个或更多个线圈来生成。在一些实施中，通过将DC电流施加至一群线圈来生成DC磁场。线圈的方向可以被预先布置或者可以被调节以调节DC磁场。施加至每个线圈的DC电流的幅度可以相同或者可以不同，并且可以被调节以调节DC磁场。在一些情况中，DC偏置场可以为例如在美国专利No.4,017,858中所描述的旋转偏置场(nutating bias field)，该专利的全部内容通过引用合并到本文中。总的来说，由不同线圈生成的磁场的组合形成了具有磁矢量(具有方向和幅度)的DC磁场。可以通过调节所述线圈中一个或更多个来调节该磁矢量。

[0025] 传感器可以由具有含有明确的拐点的BH曲线的一种或更多种材料形成，以便于下述处理：使用DC场来定位拐点并且激发传感器以产生偶次谐波。传感器可以为材料例如金属的裸长度，而不需要任何在其长度上缠绕的线圈导线。因此，传感器可以相当小，例如在长度上小于大约5mm和/或在直径上小于大约0.15mm，并且该传感器可以廉价地制作。小的传感器可以适于在跟踪具有小的尺寸的对象例如医用针中使用。

[0026] 在一些实施中，并非利用所有的偶次谐波。可以通过仅使用偶次谐波的子组例如二次谐波来获得满意的跟踪或测量。

[0027] 以下提供了跟踪或确定传感器的位置和方向的三个示例性方法，该三个方法可以分开使用或者组合使用。

[0028] 在第一示例性方法中，选择AC场并且无调节地施加AC场，同时调节DC偏置B场以定位铁磁芯的BH曲线上的两个拐点。在一些实施中，通过调节施加至DC偏置场线圈以生成DC场的电流来调节DC偏置B场，使得所检测到的从传感器的芯辐射的偶次谐波的幅度最大化。然后DC偏置场的极性被反向并且再次调节电流以使所检测到的偶次谐波最大化。该处理找到了在其处BH曲线的斜率变化最大的位置，从而有效地定位出BH曲线的两个拐点。可以存储两个偏置场极性之间的电流差。有时，所存储的差在针对多个DC偏置源进行重复的DC偏置调节处理中使用。在没有被调节的AC场(或者恒定的AC场)中，传感器的所定位出的BH曲线没有改变(或者为恒定的)。另外，DC电流和其与DC磁偏置场的场特性的关系是已知的。基于从偶次谐波收集的数据和已知的关于DC电流的信息，可以确定传感器的位置和方向，其中的细节在下文中进一步讨论。

[0029] 第二示例性方法与第一示例性方法相似地开始于施加恒定的AC磁场并且调节用于DC偏置场线圈的DC电流以使所检测到的来自芯的偶次谐波最大化。在使所检测到的偶次谐波最大化之后，DC偏置场和AC磁场二者均保持恒定。然后使用多个谐波检测器来检测来自传感器的偶次谐波的幅度。基于恒定的DC偏置场、恒定的AC场、传感器的恒定的BH曲线以及来自芯的恒定的偶次谐波信号，可以确定传感器的位置和方向，其中的细节在下文中进一步讨论。

[0030] 第三示例性方法可以用于在六个自由度上确定传感器的位置和方向。在该方法中，第一传感器导线线圈绕拥有明确的BH曲线跳变(或者拐点)的第一铁磁芯进行缠绕。然后来自第一线圈的两根引线被连接至第二传感器导线线圈，第二传感器导线线圈的轴被定位成与第一传感器线圈的轴成非零角。第二传感器线圈被选择成具有基本上线性的BH曲线。第一传感器线圈和第二传感器线圈形成有效的复合传感器。如第一方法和第二方法一样，提供了DC偏置场和AC场并且调节DC偏置场以使所检测到的来自复合传感器的二次谐波、偶次谐波的子组最大化。第一传感器线圈和第二传感器线圈被布置为使得它们的长轴相对于彼此形成非零角。可以使用与第一示例性方法相似的方法独立地在5个自由度上来确定每个传感器线圈的位置和方向。基于传感器线圈的位置和方向，可以确定复合传感器的位置。此外，可以使用与第二示例性方法相似的方法在5个自由度上定位复合传感器的净最大响应轴。当具有非线性芯的第一传感器线圈不沿着复合传感器的磁轴定位时，可以在6个自由度上来确定复合传感器的位置和方向。

[0031] 在一些实施中，谐振电容器与第一传感器或第二传感器串联或并联地放置以形成调谐电路。该电路可以被用于增加来自以上示例性方法的传感器元件(例如传感器、传感器线圈等)的信号幅度。然后可以调谐所得到的组合的谐振频率以使从传感器发射的二次谐波最大化，从而增加跟踪范围。

[0032] 示例性实施

[0033] 参照图1，用于通过传感器104跟踪对象102的位置和方向的系统100包括：向传感器104施加一个或更多个磁场的场发生器106；以及与处理器例如计算机112通信的一个或更多个检测器108、110。在图1所示的示例中，场发生器106包括用于响应于DC激励118(例如，DC电流)而产生DC场116的磁激励场线圈114。可以响应于AC激励120(例如，AC电流)来生成AC场。通过一个或更多个检测器108、110来检测或接收传感器104对所施加的一个或更多个磁场的响应，即偶次谐波，并且通过计算机112进行处理。在一些实施中，计算机112包括在用户界面中向用户显示所检测到的信号、处理步骤和/或处理结果(例如所检测到的传感器104的位置和方向)的显示器(未示出)。可以使用户能够与用户界面进行交互以对系统100中的不同元件作出调节。在一些实施中，计算机112被连接至网络例如因特网，并且可以通过网络将针对所检测到的信号的、处理步骤的和/或处理结果的信息和数据发送至对于计算机112来说非本地的另外的机器或用户界面。

[0034] 传感器104可以为铁磁线的形式。用于传感器的合适的材料可以包括所谓的“矩形回线”材料，例如77％Ni 6％Mo 17％Fe，市售为来自美国宾夕法尼亚州怀俄明州的卡彭特技术公司的作为示例，可以通过将传感器材料拉成线并且在轴向磁场中对该线进行退火来制成传感器104。所形成的传感器可以具有图3所示的类正方形的BH曲线300。该BH曲线300包括线性区302、饱和区304、306、正拐点308以及负拐点310。拐点308、310二者接近正方形。

[0035] 基于针对跟踪对象的需要例如对象的尺寸和/或形状、跟踪的精度等来选择传感器104的尺寸。作为示例，可以将传感器104的尺寸选择成使得：具有预定范围的DC场116可以在正拐点308与负拐点310之间移动传感器104的内部B场。调节DC偏置场并产生期望的内部B场的处理会受到以下因素中的一个或更多个的影响：场发生器106的物理尺寸和功耗、操作体积122的期望的尺寸、传感器104的直径和长度以及其他的参数。在一些情况下，上述参数中的两个或更多个是相关的并且会共同影响该调节。作为示例，传感器104具有大约10mm至20mm的直径例如大约15mm的直径以及10mm至50mm的长度例如大约16mm的长度。还可以使用其他的尺寸。

[0036] 发生器106、传感器104、检测器108、110以及计算机112可以彼此相对接近地放置，例如放置在相同的医疗室。有时，发生器106、传感器104和检测器108、110放置在相对于彼此在一米内的距离处，例如厘米的量级。在一些实施中，计算机112可以位于不同的房间或者可以通过网络被连接至检测器108、110或系统100的来自远程位置的其他元件，[0037] 第一示例性实施

[0038] 控制AC场和DC场以在传感器104中产生期望的B场，该期望的B场的值有时被称为传感器104的BH曲线上的操作点。在操作的示例中，场发生器106同时产生AC场和DC场116。该AC场可以具有12KHz的频率并且叠加在DC场116上。初始地，施加并且调节正DC场直到接收器124或126接收到AC激励120的偶次谐波为止。接收器124或126所接收到的信号可以通过放大器140或144被放大并且传送至检测器108。来自检测器108或110的与所检测到的偶次谐波有关的信息被传送至计算机112。在一些实施中，接收器124或126为导线线圈并且对磁场敏感。检测器108、110可以为将期望的信号(例如，偶次谐波)与由各个接收器124、126所接收到的所有其他的信号分开的FFT(快速傅里叶变换)处理器。每个检测器108、110还处理所接收到的偶次谐波，例如通过实施FFT或其他合适的手段例如同步解调器来计算幅度。
然后期望的信号分量的幅度被发送至计算机112。

[0039] 检测器和接收器可以相对于传感器和相对于彼此以各种方式来布置。有时，基于仿真或实验或者基于不同的情况来选择布置。在一些实施中，沿着半径与传感器104要被跟踪的最远点相等的圆环来放置元件，并且在跟踪期间可以调节元件的位置。接收器124或126可以位于操作体积122周围，在图6中示出了其示例。

[0040] 然后例如通过操作者或能够直接访问DC激励118的用户或者通过网络或机器来调节DC激励118，直到使接收器124或126所接收到的偶次谐波的信号最大化为止。通常，该调节包括增加或减小至一个或更多个线圈的DC电流以产生期望的DC磁矢量。当实现最大化时，由BH曲线300描绘的传感器104的内部B场使得通过DC偏置场生成的分量近似地在正拐点308处或者正好在正拐点308处。在AC激励的正半周期，传感器104的内部B场进入饱和区304，并且在AC激励的负半周期，传感器104的内部B场进入线性区302。在图3所示的示例中，传感器104的拐点308几乎为正方形，并且通常这样的传感器的导磁率在饱和区304中为近似1并且在线性区302中为近似10,000。

[0041] 响应于DC激励和AC激励，传感器104产生非对称的传感器辐射B场，图4示出了其示例400。通常，如果铁磁杆具有相对高的长度与直径比，例如10:1或更高，则当杆的B场是在BH曲线的线性区时该铁磁杆可以具有10或更高的相对高的磁化增益。当杆的B场是在BH曲线的饱和区时，该杆的磁化增益近似为1。

[0042] 在AC激励的负半周期期间并且当传感器104的内部B场是在BH曲线300的线性区302时，铁磁杆形式的传感器104基于其高的磁化增益来生成线性区辐射场402。在AC激励的正半周期期间并且当传感器104的内部B场是在饱和区304时，由于饱和降低了磁化增益，所以传感器104生成相比于场402的幅度较低的幅度的饱和区辐射场404。作为以上机制的结果，传感器104产生包含偶次谐波的非对称辐射磁场。

[0043] 在一些实施中，选择并且控制发生器106以除了DC场以外产生低失真的正弦波，使得基波为高于偶次谐波水平的80dBv至100dBv。通常，基波是指AC源的主要的、最低不失真频率分量，并且偶次谐波为基波的所有偶数倍，不包括零倍。因此，接收器124或126所接收到的偶次谐波主要源于传感器104。作为示例，传感器104处的偶次谐波水平为低于基波的大约50dBv至大约70dBv，并且传感器104生成的偶次谐波与寄生二次谐波之比为大约10至50。当发生器106例如由失真引起而未产生完美的谐波自由基波时，会发生寄生二次谐波。

[0044] 所检测到的来自传感器104的谐波可以被用于调节DC激励以将传感器104的操作点置于拐点308附近，例如正好在拐点308处。当激励的DC分量通过进入饱和区304或线性区302而使BH曲线上的传感器104的操作点偏离拐点时，该偏离可以使由传感器104辐射的场的不对称性降低，从而导致降低辐射场中的二次谐波含量。在一些实施中，用户可以通过计算机112监视所检测到的二次谐波并且调节DC激励118的幅度来使二次谐波最大化。在一些实施中，通过机器来自动进行所述监视和所述调节中的一者或更多者。

[0045] 然后将DC激励118的极性反向，并且通过相似的处理，传感器104的操作点位于BH场300的负拐点310处。对于给定的传感器，正拐点308与负拐点310之间的距离312具有固定值。在一些实施中，可以使用并且控制多个发生器106、130使得每个发生器在传感器104处产生相同的场差(或BH曲线300上的距离312)。发生器130可以与发生器106相同。例如，发生器包括响应于AC激励136和DC激励134来生成磁场的磁激励场线圈132。

[0046] 通常，当杆具有10或更大的长与直径比时，长铁磁杆的响应于激励而生成的磁场基本上局限于沿着杆的长轴。作为示例，传感器104具有大约10：1至大约500：1例如大约106.67：1的长与直径比。传感器104的磁化增益可以大于2000，这通常意味着传感器104使用与杆的长轴对齐的激励场来达到饱和相比于使用与长轴形成非零角的激励场来达到饱和容易2000倍。响应于激励，传感器104辐射沿着其长轴方向的基本上所有的场。

[0047] 还参照图6，在一些实施中，通过发射器600对图1的一个或更多个发生器106、130进行供能(或者供电以响应于电流而产生磁场)。在确定BH曲线300上的距离312期间，来自发生器106、130的场的方向与传感器604的长轴对齐，该传感器604与传感器104相同或相似。作为示例，发射器600可以为包括三个发生器的偶极子发射器，该三个发生器中的每一个均与发生器106相同或相似。每个发生器的线圈602可以被布置为三个共绕正交线圈，其中线圈602例如与线圈114相似或相同。发射器600可以产生在发射器600的实际限制内的具有任何期望的方向和任何幅度的DC磁场矢量和AC磁场矢量。实际限制的一些示例包括由于线圈的功耗而产生的热或者在线圈1缠绕在铁磁芯上的情况下的芯的磁饱和。

[0048] 发射器600中的每个线圈602位于所选择的空间位置和方向以在操作体积606内产生DC场和AC场的期望的幅度和方向。可以使用一些方法例如有限元分析或数学建模来便于该选择。在一些实施中，选择多个线圈602共处在一处以产生公共的磁中心，同时发射具有非平行角的磁场。每一个都与接收器124相似或相同的多个接收器608a至608g放置在操作体积606周围以收集来自传感器604的数据。

[0049] 图2示出了在空间上共处在一处的一组200线圈202、204的示例。在一些实施中，组200中可以包括彼此成直角地缠绕的三个嵌套的正交线圈。每个嵌套的线圈可以为不同发生器例如发生器106的一部分。系统如同系统100一样可以包括多个发射器例如图6的发射器600。作为示例，图5以正方形布置示出了四个发射器500、502、504、506。在一些实施中，在多个发射器中，仅一个发射器包括AC源例如图1的AC激励120。该系统生成具有X、Y、Z分量和幅度的单个AC磁矢量。多个发射器中的每一个包括DC源例如DC激励118。当系统包括图5所示的四个发射器时，生成具有X、Y、Z幅度的四个DC磁矢量，该四个磁矢量的组合被用于激发传感器。

[0050] 可以通过调节多个发生器106、130的DC激励118来实现激励场与传感器104的长轴对齐，使得当接收器124或126处的偶次谐波水平为最大时来自所有发生器106、130的总电流为最小。这样的最小电流与最小总外部B场对应以产生传感器104的期望的内部B场，即内部B场接近正拐点308或负拐点310或者在正拐点308或负拐点310处。然后可以基于所识别的拐点来计算正拐点308和负拐点310之间的距离312。由于传感器104的高的磁化增益，所以当外部B场(其为AC场和DC场的组合)与传感器104的长轴平行时最小外部B场可以被用于定位拐点。AC分量的平均值为零，因此DC场将平均内部场置于拐点的中心处。作为示例，为了使能够使用最小外部B场，发生器106、130被选择成四组图2和图5所示的两个线圈正交偶极子。有时可以使用少于或多于四组。此外，每组可以包括多于两个例如三个的线圈正交偶极子。因为磁矢量的卡笛尔分量均由线圈中的一个控制，所以该布置可以使得在创建具有已知幅度和方向的空间磁矢量时在数学上简单化。其他的布置也是可以的，并且通过对B场进行绘图或建模，可以获得相似的结果。

[0051] 在对所有发生器106、130供能之后，计算机112基于用于每个发生器106、130的DC激励118来计算由发生器106、130生成的可能的场。作为示例，计算机112可以针对线圈型发生器106、130使用椭圆积分或Legendre积分来执行计算。可以以各种方式将关于发生器的信息输入到计算机112。例如，计算机制图机器人可以自动地将信息发送至计算机112，该计算机可以接收该信息作为来自磁场模拟程序的输出，或者用户可以手动输入或调节该信息。在一些实施中，预先获得的图可以被用于叠加来自多个发生器106、130的场。作为示例，可以通过将发生器106、130的布置放置在紧挨着其上安装有磁传感器的卡笛尔机器人来创建预先获得的图。该机器人在操作体积中移动传感器通过限定的点，并且计算机记录每个点处的磁场矢量分量和传感器位置。然后存储此信息使得场值可以被用于确定传感器位置。

[0052] 然后计算机112识别在不同发生器106、130的所有测量中具有相同幅度和方向的磁矢量。磁矢量的位置和方向与传感器104相对于接收器124、126的位置和方向相对应，这对于用户和/或计算机112是已知的。然后计算机112向用户传送或显示与传感器104的位置和方向有关的信息。有时，可能传送或显示多个位置，而可能的原因包括金属失真、超过系统的操作体积、传感器104具有不能针对预期用途充分地定向的低的长度直径比、或者发射器600是欠定的(under determined)，其改进可能需要调节发射器600或发生器106、130的更多元件的放置。

[0053] 第二示例性实施

[0054] 在第一实施中讨论的每个特征可以单独地或与其他的特征组合来被应用于第二实施，除非这些特征与以下具体描述的任何部分相冲突。

[0055] 再次参照图1，在操作的另一个示例中，响应于AC激励120，发生器106产生具有12KHz的频率的AC场，该AC场被叠加在响应于DC激励118而产生的DC场116上。调节正DC激励
118直到接收器126接收到AC激励120的偶次谐波为止，并且该偶次谐波通过检测器108、110被检测并且被传送至计算机112。检测器108、110实施FFT或其他合适的手段例如同步解调器。然后调节DC激励118直到使由接收器124、126接收到的偶次谐波的信号最大化为止。另外，调节AC激励120来进一步增加由接收器124、126接收到的偶次谐波的水平。在这一点上，其示例被示出为图3的BH曲线300的传感器104的内部B场使得由DC场116贡献的分量近似在拐点308处或者正好在拐点308处。

[0056] 在AC场的正半周期期间，传感器104的内部B场进入BH曲线300的饱和区304，并且在AC场的负半周期期间，传感器104的内部B场进入BH曲线300的线性区302。如前面所解释的，当拐点308几乎是正方形(如图3所示)时，在饱和区304传感器104的磁导率Ur近似为1，并且在线性区302近似为10,000。

[0057] 响应于AC场和DC场，传感器104产生非对称的传感器辐射B场，图4中示出了其示例。在AC场的负半周期期间并且当传感器104的内部B场是在BH曲线300的线性区302时，由于传感器104的高的磁化增益所以由传感器104产生线性区辐射场402。在AC场的正半周期期间并且当传感器104的内部B场是在饱和区304时，因为饱和的传感器具有近似为1的磁化增益，所以产生了幅度低于线性区辐射场的幅度的饱和区辐射场404。

[0058] 发生器106被配置成产生低失真正弦波使得基波为高于偶次谐波的水平的80dBv至100dBv，并且接收器124、126接收到的偶次谐波主要源于传感器104。在一些情况下，由传感器104生成的偶次谐波的水平为低于基波的50dBv至70dBv，并且由传感器104生成的偶次谐波与寄生二次谐波的比为10至50。当DC场116使BH曲线上的传感器104的操作点基本上偏离拐点308时，可以降低由传感器104辐射的场的不对称性。该降低的不对称性可以导致降低辐射场中的二次谐波含量。基于这些相关性，可以基于例如通过计算机112来监视接收到的二次谐波来执行针对使二次谐波最大化的DC激励118的幅度的调节。

[0059] 尽管可以类似地确定负拐点310，但是这样的确定可以不是必需的。负拐点310或正拐点308可以被用于使从传感器104发射的偶次谐波最大化。有时，不需要定位拐点308、310二者或者计算该两个拐点之间的距离312。

[0060] 如上面所解释的，传感器104具有长形形状，例如具有10:1或更大的长度与直径比，并且传感器104辐射基本上沿着其长轴的磁场。

[0061] 在对从传感器104发射的二次谐波进行优化之后，接收器124的状态针对测量周期的剩余部分保持不变，在该剩余部分中传感器的位置和方向被测量并且被提供给用户。在一些实施中，使用超过一个的接收器124来收集关于来自传感器104的辐射场的足够的数据/信息量来定位传感器104。例如，为了计算机112计算用于传感器104的方位角、仰角、X、Y、Z坐标以及有效增益，计算机112需要使用接收器与传感器104之间的至少六个耦合系数。因此，需要每个均与接收器124相同或相似的至少六个接收器来收集或提供该六个耦合系数。有时，系统100使用过定(over determined)方案来更可靠地操作。作为示例，当需要至少六个时采用十二个接收器。然后计算机112例如通过显示器来向用户提供关于所计算的传感器的位置和方向的信息。

[0062] 这与跟踪技术中所谓的“逆向系统”相似，其中通常被用作对来自大的磁元件的信号作出响应的接收器的小的磁元件被代替地用作发射器。然后大的磁元件被用作接收器。由于变换器的相互性，所以无论正向操作还是反向操作，元件之间的耦合系数是相同的，从而可以使用任一方法来确定位置。

[0063] 图9示出了具有本体902和针904的注射器900。为了在使用注射器900期间跟踪或者测量针904的位置，可以将与图1的传感器104相同或相似的传感器906结合到针904中。用于生成DC激励磁场的DC偏置线圈908被放置在注射器本体902中。在使用注射器900期间，该布置使传感器906能够与DC偏置线圈保持相对靠近，例如在若干厘米或3cm至4cm内。与位于注射器900外部的DC激励线圈相比，由于减小了传感器906与线圈908之间距离所以可以将偏置线圈908制作得较小，同时仍然提供足够的磁场强度来定位传感器906中的在其BH拐点例如图3的拐点308、310处的B场。另外，线圈908的长轴被注射器本体902限制为基本上与传感器906的长轴对齐。这样的布置使能够仅用单个偏置线圈908来跟踪或测量针位置。

[0064] 第三示例性实施

[0065] 在第一实施和第二实施中讨论的每个特征可以单独地或与其他的特征组合来被应用于此第三实施，除非这些特征与以下具体描述的任何部分相冲突。

[0066] 参照图7和图8，代替单个长形传感器，可以在用于跟踪或测量对象的位置和方向的系统700中使用具有两个或更多个传感器的复合传感器800。在一些示例中，整个复合传感器800可以被结合到对象中来在六维上跟踪该对象的位置和方向。复合传感器800中的第一传感器802可以与与图1的传感器104相同或相似。第一传感器802具有BH曲线(见例如图3)，该BH曲线具有线性区和可以被识别为拐点的两个或更多个非线性区。线圈806绕传感器
802的长轴缠绕。复合传感器800还包括另一线圈804绕其进行缠绕的第二传感器808。第二传感器808与第一传感器802不同，使得当在第一传感器802中所激发的内部磁场沿着BH曲线的线性部分移动并且跳变到所述两个或更多个非线性区时，第二传感器808中由相同的源引发的内部磁场保持在其BH曲线的线性区。传感器808未必是长形的而是可以具有任何形状，例如圆形等。传感器808中使用的材料可以与传感器802中使用的材料不同。在一些实施中，不存在传感器808而仅存在线圈804。

[0067] 用于线圈804的合适的材料的示例包括空心线圈、铁素体或其他。在一些实施中，线圈804为具有大约3mm的直径和大约10mm的长度的空心线圈，并且缠绕有600匝的48AWG磁导线。另一方面，作为示例，线圈806可以具有均匀地缠绕在传感器802的长度(其可以是10mm至20mm，例如15mm的长度)上的1000匝的54AWG导线。两个线圈804、806并联地电连接，并且线圈804在机械上被定向成与传感器802和线圈806反平行。可选地，可以添加与传感器
802并联的电容器810以增加从传感器802和两个线圈804、806发射的信号。线圈804、806之间的端部对端部距离可以为大约5mm，并且两个线圈的长轴形成非零角，例如170度。可选的电容器810可以为0.01μF的表面贴装电容器。复合传感器的元件还可以按照其他形式进行布置。例如，线圈806可以缠绕在传感器802之上并且位于线圈804内部(图中未示出)。

[0068] 特别参照图7，可以使用分别通过DC偏置线圈710、712生成DC磁场的DC激励706、708和通过AC偏置线圈714、716生成AC磁场的两个AC激励702、704来激发复合传感器800。线圈806、804二者对AC激励作出响应并发射谐波。可以检测谐波的净发射方向，该方向与来自两个线圈806、804的组合响应对应，该响应有时可以被看作有效组合线圈的响应。然而，线圈806、804不对低频率激励作出响应，例如DC磁场，传感器802是。基于该响应性，可以调节DC激励来定位传感器802的BH曲线的两个拐点并且使从复合传感器发射的谐波最大化，在此期间，传感器808保持在其BH曲线的线性区。

[0069] 为了检测和分析来自复合传感器800的响应信号，在图7所示的示例中，两个接收器720、722被放置在复合传感器800周围以接收来自在复合传感器800中的由DC磁场和AC磁场激发的磁场的数据。接收器720、722通过放大器728、730将数据分别传送至检测器724、726。检测器与图1的检测器108相同或相似并且处理所接收到的数据。至少部分处理后的数据进一步被传送至计算机740以用于在确定复合传感器800和传感器802的位置和方向中使用。在一些实施中，计算机740与AC激励702、704和DC激励706、708通信以控制例如调节激励。在一些实施中，对电容器810进行调谐使得包括电容器810、传感器802、808和两个线圈
804、806的复合传感器800具有AC激励702、704的频率的近似两倍的谐振频率。

[0070] 因此，使用在第一实施和第二实施中描述的特征的组合在六维上来确定复合传感器800的位置和方向。DC激励706、708对DC偏置线圈710、712进行供能使得传感器802的内部B场被定位在其BH曲线的正拐点处，例如图3的拐点308处。AC激励702、704对AC线圈714、716进行供能使得复合传感器800发射AC激励702、704的AC频率的偶次谐波。作为示例，AC激励的频率为16KHz。通过接收器720、722来检测由复合传感器800生成的偶次谐波并且通过放大器728、730来向谐波施加期望的增益。检测器724、726处理所接收到的关于偶次谐波的信息并且将该处理后的信息传送至计算机740。该信息的示例为所计算的偶次谐波的幅度。

[0071] 基于所接收到的关于偶次谐波的信息，计算机740确定是否需要针对复合传感器800调节DC激励706、708以产生最大的偶次谐波。计算机740还可以提供关于应当如何做出调节的信息，例如DC电流增加多少或降低多少，以及有时自动地做出调节。计算机740可以与DC激励通信并且可以自动地调节DC激励而不需要来自用户的干涉。在其他情况下，用户可以基于由计算机740提供的信息来调节DC激励706、708。

[0072] 一旦将偶次谐波最大化，保持复合传感器800的偶次谐波或二次谐波，同时调节用于激励706、708的DC电流来定位传感器802的BH曲线上的拐点。特别地，寻找来自多个DC偏置线圈的最小组合激励电流。在最小组合激励电流处，总的正DC偏置场与传感器802的长轴对齐并且通过DC偏置场激发的内部B场在其BH曲线的正拐点处。

[0073] 然后计算机740指示DC激励706、708对DC偏置线圈进行供能以定位其BH曲线的负拐点。例如，DC激励706、708的极性被反向并且实施用于定位正拐点的相同的过程。在最小组合激励电流处，总的负DC偏置场与传感器802的长轴对齐。

[0074] 计算机740根据在特定激励周期中使用的针对每个DC偏置线圈710、712的DC激励706、708来计算正电流和负电流之间的差。该差表示将传感器802内的磁场移动与BH曲线上的正拐点与负拐点之间的距离相等的距离所需的净激励电流。可以在激励周期中基于关于每个线圈710、712的磁场特性的知识来开发磁场图。在该磁场图中，至少一个磁场矢量在方向上与传感器802的长轴对齐并且具有与正拐点与负拐点之间的距离成比例的幅度。

[0075] 使用一组或更多组不同的DC激励线圈710、712来重复包括定位正拐点和负拐点并且产生场图的该激励过程。由于传感器802的BH曲线是传感器802的特征并且不随着不同的激励过程而改变，所以可以产生包括一组或更多组场矢量的一个或更多个场图。根据不同的场图，计算机740可以搜索公共的矢量值。相应的矢量的位置和方向表示传感器804相对于线圈710、712、714、716的X、Y、Z位置、方位角以及仰角。因此，可以在五个自由度上确定传感器802的位置和方向。

[0076] 为了确定传感器802的最后的自由度，即侧倾角，测量复合传感器800的位置和方向。由于传感器802和线圈804、806在空间上移位的位置，所以来自复合传感器800的总的二次谐波磁发射可能不与传感器802的长轴对齐或者不以传感器802的长轴为中心。基于从复合传感器800接收的偶次谐波信号，计算机740计算相对于偏置线圈的方位角、仰角、X、Y、Z位置以及复合传感器800的有效增益。这样的计算需要接收器720、722与传感器802之间的至少六个已知的耦合系数。因此，尽管示出了两个接收器，但是部署了至少六个接收器。有时，为了提供可靠性，部署十二个接收器。

[0077] 因此，基于传感器802的内部磁场的DC场分量来确定传感器802相对偏置线圈的空间位置、方位角和仰角，并且使用响应于来自复合传感器800的偶次谐波AC场分量的多个接收器来独立地确定复合传感器800的偶次谐波AC磁部分的空间位置、方位角和仰角。因此，跟踪系统能够在五个自由度上获得独立的两组数据。通过相对于二次谐波AC磁中心和复合传感器800的长轴来对传感器802的空间位置进行移位，可以确定第六个自由度即侧倾角。

[0078] 前述实施或示例中的任何两个或更多个可以以适当的组合在用于测量对象的位置和方向的适当系统中使用。同样地，可以以适当的组合来使用前述实施的任何两个或更多个实施的各个特征。小节和其各自的标题被用于方便对描述的阅读和理解。小结的标题不覆盖或不限制各小节的内容的说明。小节的内容不是彼此分离或独立的。代替地，可以作出来自不同小节的特征的适当组合。

[0079] 可以组合本文中描述的不同实施的元件来形成以上没有具体阐述的其他的实施。一些元素可以不包括在本文中描述的处理、系统、装置等中而不对它们的操作产生不利影响。各种独立的元件可以被组合成一个或更多个个体元件以执行本文中描述的功能。

[0080] 尽管描述了方法和系统的某些实施方式，但是一些变型可以被包括到这些实施方式中，或者还可以使用其他的实施方式。例如，用于跟踪/测量对象的位置和方向的传感器未必具有如图3所示的BH曲线或者与图3所示的BH曲线相似的BH曲线。传感器的BH曲线可以不具有明确定义的或明确的拐点。在这种情况下，可以使用BH曲线上的其中偶次谐波信号处于峰值的点而不是使用正拐点和/或负拐点。在跟踪或测量期间，BH曲线的拐点不必被精确地定位。代替地，可以使用BH曲线上的能够以重复的方式达到的位置来代替任何拐点。

[0081] 其他的实施方式在所附权利要求的范围内。

标题	发布/更新时间	阅读量
氧传感器-专利编号CN104950029B	2020-05-11	775
湿度传感器-专利编号CN105486729A	2020-05-12	831
传感器装置-专利编号CN1738725A	2020-05-12	103
数字传感器-专利编号CN108291844A	2020-05-13	593
氧传感器-专利编号CN104950029A	2020-05-11	243
压力传感器-专利编号CN110763393A	2020-05-13	559
传感器设备-专利编号CN105940316B	2020-05-13	120
传感器设备-专利编号CN105940316A	2020-05-11	877
传感器组件-专利编号CN102713595B	2020-05-12	585
化学传感器-专利编号CN109564159A	2020-05-11	835

磁传感器

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