專利名稱：磁性定位方法和結構的制作方法
技術領域：
本發明涉及利用永磁體進行磁性定位方法和結構，其中，在位置傳感器所在的部位測量永磁體的磁通量密度另的矢量和局部梯度，并且由磁通量密度β的矢量和局部梯度計算永磁體的磁偶極相對于位置傳感器的位置F和方向。這種定位例如是在這樣的應用中采用，其中，一個物體相對于另一個物體或坐標系的位置將被檢測，而這兩者相對移動。永磁體和位置傳感器然后相應地被緊固在這兩個物體上，從而能夠經由磁性定位確定物體的當前的相對位置以及可能的方向。
背景技術：
磁偶極定位有時已經在地質學、醫藥以及國防技術中造成問題。各種不同的方法被用于確定磁性的或能被磁化的物體的位置以及經常還有朝向。因而，主要在醫藥領域但也在地質學領域中，經常采用這樣的方法，即在一個平面內沿一個方向或沿多個方向掃描磁場，因而獲得一種二維磁象。所述磁象隨后利用肉眼檢查的方式或利用圖象處理的合適的算法被分析，從而確定磁性物體的位置和方向。此外，已知利用磁場的幾何學特性而從磁性測量的數據定位磁偶極。為此目的，磁通量密度的矢量在四個空間位置被測量，其中所述四個空間位置并非位于一個平面內。首先，由位于不同平面中的每兩個位置的位置與磁場矢量確定兩個平面。這兩個平面的交叉直線同時是磁偶極的軸線。磁偶極在該直線上的位置然后由進一步的幾何學研究被確定， 例如在 G. Cauffet 等人的著作““Geometric Construction Technic to Localization of a Magnetic Dipole/r ， C0MPUMAG 2001,13th Conference on the Computation of Electromagnetic Fields，Lyon-Evian“中詳細說明。在國防技術、尤其地雷探測和地質學的應用中，通過利用離散構造的磁場傳感器測量梯度而定位磁偶極，其中所述磁場傳感器能夠通過空間偏差測量兩個不同的部位之間的磁場的變化、即局部梯度。由這些測量的值，利用磁偶極的反向的梯度張良確定磁偶極的位置。為此目的，一個平面內的梯度的確定是足夠的。該技術的實例在以下公開文獻中可見S. Kumar 等人的"Real-Time Tracking Magnetic Gradiometer for Underwater Mine Detection “，OCEANS 04. MTTS/IEEE TECHNO-OCEAN 04，ISBN 0-7803-8669-8/04,2004 ;S. Kumar 等人的"Real-Time Tracking Gradiometer for use in an Autonomous Underwater Vehicle for Buried Minehunting " , OCEANS,2005, Proceedings of MTS/IEEE, ISBN :0-933957-34-3 ；Takaaki Nara 等人的〃 A Closed-Form Formula for Magnetic Dipole Localization by Measurement of Its Magnetic Field and Spatial Gradients"，IEEE TRANSACTIONS ON MAGNETICS, VOL. 42, NO. 10 October 2006, pp. 3291-3293 ；Frahm, C. P.白勺"Inversion of the magnetic field gradient equations for a magnetic dipole field “ ， Naval Coastal Systems Laboratory, Informal Report (1972)，NCSL, pp. 135-172，Panama City, Fla.，或 Μ· C. Jeoffreys 的‘‘DISCRIMINATION AND IDENTIFICATION OF UNEXPL0DED ORDINANCES (USO) USINGAIRBORNE MAGNETIC GRADIENTS" ， Mathematics in Industry Study Groups in South Africa > MISGA 2006, University of the Witwatersrand(23rd-27th January 2006)。在這種情況中并在本申請中，術語梯度并非意味著矢量計算的數學算符，而實際上是根據空間方向(局部求導)的導數(或微分系數)。這些導數大體上根據三個笛卡爾坐標方向被確定。然而，其它坐標系的采用也基本上是可行的。由測量的磁場以及它們的梯度定位的另一種方法包括不反向場公式、而是借助于回歸確定場公式的參數，從而公式與測量的數據之間的誤差是最小的(最小二乘擬合)。例如，在 S. L. Helwig 等人的"Inversion von ortsaufgelostenffirbelstrommessdaten zur Bestimmung der Lage und Geometrie von Landminen[Inversion of Location-Resolved Eddy Current Measured Data to Determine the Location and Geometry of Landmines]“ ；DGZfP report volume 94-CD, DGZfP Annual Meeting 2005, poster 26 中說明了這種方法。對于緊湊位置傳感器內永磁體的磁場測量積分以及永磁體的位置或方向的計算而言，基于篩選或通過擬合算法的逼近的方法由于高要求的技術能力而被排除。如果這種位置傳感器將被集成到一芯片內，則不會考慮需要不同平面內的磁場傳感器的方法。因此， 測量磁通量密度的矢量以及局部梯度(location gradient)的僅僅上述技術適用于這些應用，這是因為對于該技術而言在一個平面內布置磁場傳感器就是足夠了的。為此目的，環形的、圓柱形的或立方形的永磁體被用作為上述永磁體。然而，在這種已知的技術中，永磁體的線性位置和方向無法彼此相互獨立地被事先確定。例如，由于安裝過程中磁體的歪斜的磁化或誤差而造成的方位自預定的方向的偏離也總是影響線性位置的測量。在顛倒的情況中，即如果旋轉軸線的位置并非與磁體的軸線和磁場傳感器的位置最佳對正，則這還導致測量的方位相對于實際方位的偏差。這種橫向靈敏度對于應用這種技術以定位是不利的。此外，確認的測量的值最初在該技術中具有任意標度，這源自于結構但是不易確認。因此，測量必須大體上被校正。另外，在線性移動的過程中，所探測的測量值的線性化對于確認線性位置而言是必須的。本發明的技術問題包括提出用于磁性定位的方法和結構，其允許磁性傳感器和分析電子器件集成在緊湊的位置傳感器中并且允許彼此相互獨立地確定線性位置與朝向。
發明內容
該技術問題通過根據權利要求1和8的方法和結構得以解決。該方法和該結構的有利的實施例在從屬權利要求中記載或者可以由以下說明和示意性實施例得出。在所提出的利用永磁體進行定位的方法中，利用磁場傳感器在位置傳感器所在的部位測量永磁體的磁通量密度另的矢量和局部梯度。由磁通量密度另的矢量和局部梯度計算永磁體的磁偶極相對于位置傳感器的位置F和方向。該計算基于已知的磁偶極公式以已知的方式實現。所提出的方法與現有技術的方法的區別之處在于采用具有均勻磁化強度的球形永磁體。通過采用球形永磁體(其在外部空間內具有理想的磁偶極的特性)來定位與確定磁偶極的方向是獨立的。因而，例如，為了進行定位，可以利用源自T.Nara等人"A Closed-Form Formula for Magnetic Dipole Localization by Measurement of ItsMagnetic Field and Spatial Gradients"，IEEE TRANSACTIONS ON MAGNETICS, VOL.42, NO. 10，OCTOBER 2006，pp. 3291-3293的公式。為了選擇位置傳感器上的基準坐標系，這些公式必須唯一地乘以因數-1。為了確定方向、即磁偶極矩A的矢量，針對偶極場的公式可以通過理論得出并且對mx、my和mz求解。在所提出的方法中，球形永磁體沿其三個平移自由度的位置以及沿兩個旋轉自由度的磁化方向可以由測量值被確定。第三旋轉自由度無法被確定，這是因為永磁體的磁場繞其磁化軸線是旋轉對稱的。所提出的用于定位的結構相應地包括球形與均勻磁化的永磁體以及與所述永磁體隔離布置的位置傳感器。位置傳感器設置成在位置傳感器所在的部位測量永磁體的磁通量密度云的矢量和局部梯度，并且所述位置傳感器具有分析電子器件或分析裝置，所述分析電子器件或分析裝置由所述磁通量密度另的矢量和空間梯度優選在所述位置傳感器的基準系內計算所述永磁體的磁偶極相對于所述位置傳感器的位置F和方向。在所提出的方法和相關的結構中，位置傳感器優選包括多個3-D磁場傳感器，所述3-D磁場傳感器在一平面內布置。因此，所述位置傳感器包括二維布置結構的磁場傳感器，所述磁場傳感器適于沿笛卡爾坐標系的所有三個空間方向測量磁場或磁通量密度，并且由此首先確定永磁體的六個機械自由度中的五個。磁場傳感器在該平面內安置，以使得除了磁場或磁通量密度矢量以外，還可以測量在所述傳感器的平面內沿笛卡爾方向的梯度。以下兩個公式優選被用于確定所測量的變量，即
權利要求
1.一種利用永磁體(1)定位的方法，其中所述永磁體(1)的磁通量密度云的矢量和局部梯度在位置傳感器( 所在的部位被測量；并且由所述磁通量密度另的矢量和局部梯度計算所述永磁體(1)的磁偶極相對于所述位置傳感器O)的位置F和方向，其特征在于，采用具有均勻磁化強度的球形永磁體(1)。
2.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，利用多個3-D磁場傳感器C3)測量所述磁通量密度另的矢量和局部梯度，所述3-D磁場傳感器在所述位置傳感器( 中安置在一平面中，以使得所述3-D磁場傳感器能夠在所述平面內沿兩個笛卡爾空間方向測量局部梯度。
3.根據權利要求2所述的方法，其特征在于，霍爾傳感器被用作為所述3-D磁場傳感器⑶。
4.根據權利要求2或3所述的方法，其特征在于，五個3-D磁場傳感器(3)被用于測量所述磁通量密度云的矢量和局部梯度，所述五個3-D磁場傳感器C3)中的四個在一想像矩形的四個角處布置，并且剩余一個在所述想像矩形的中心處布置。
5.根據權利要求1至4任一所述的方法，其特征在于，所述磁偶極的位置F通過以下公式被確定，即L1/1S1Bj^ + SrStA-^Bfi9rBr-iret-StSx'SttBt(B,Ss-2'^rSx -BjfSirSrBr^exB1'
6.根據權利要求1至5任意所述的方法，其特征在于，所述磁偶極的方向通過以下公式被確定，即“'SKo.yP3-γ -3 ”p -2- ,
7.根據權利要求1至6任一所述的方法，其特征在于，所述永磁體(1)和所述位置傳感器( 分別在與之對應的物體上布置，所述物體的相對位置和方向將要被確定。
8.一種利用永磁體(1)以及與所述永磁體(1)隔離布置的位置傳感器( 定位的結構，其中，所述位置傳感器( 設置成在所述位置傳感器( 所在的部位測量所述永磁體 (1)的磁通量密度另的矢量和局部梯度，并且所述位置傳感器具有分析電子器件，所述分析電子器件由所述磁通量密度另的矢量和空間梯度計算所述永磁體(1)的磁偶極相對于所述位置傳感器O)的位置F和方向，并且所述永磁體(1)是球形的并具有均勻磁化強度。
9.根據權利要求8所述的結構，其特征在于，所述位置傳感器(2)具有多個3-D磁場傳感器(3)，所述3-D磁場傳感器在一平面內布置，以使得它們能夠在所述平面內沿兩個笛卡爾空間方向測量局部梯度，以測量所述磁通量密度云的矢量和局部梯度。
10.根據權利要求9所述的結構，其特征在于，所述3-D磁場傳感器是霍爾傳感器。
11.根據權利要求9或10所述的結構，其特征在于，用于測量所述磁通量密度另的矢量和局部梯度的位置傳感器( 具有五個3-D磁場傳感器C3)被用于測量所述磁通量密度云的矢量和局部梯度，所述五個3-D磁場傳感器C3)中的四個在一想像矩形的四個角處布置， 并且剩余一個在所述想像矩形的中心處布置。
12.根據權利要求8至11任一所述的結構，其特征在于，所述分析電子器件設置成通過以下公式確定所述磁偶極的位置F，即
13.根據權利要求8至12任一所述的結構，其特征在于，所述分析電子器件設置成通過以下公式確定所述磁偶極的方向，即
14.根據權利要求8至13任一所述的結構，其特征在于，所述位置傳感器⑵是ASIC。
全文摘要
本發明涉及利用永磁體(1)磁性定位的方法和結構，其中，利用位置傳感器(2)測量永磁體(1)的矢量和局部梯度，由測量值計算永磁體(1)的磁偶極相對于位置傳感器(2)的位置與方向。具有均勻磁化強度的球形永磁體(1)在該方法和結構中被采用，防止位置與方向確定之間的實現出現的橫向靈敏度，并且允許沒有事先校正地進行測量。
文檔編號G01V3/08GK102449506SQ201080023313
公開日2012年5月9日 申請日期2010年5月21日 優先權日2009年5月25日
發明者J·紹埃雷爾, M·哈克納, V·彼得斯 申請人:弗勞恩霍弗應用技術研究院