借助于3d霍爾傳感器非接觸地測量相對位置的方法
【專利摘要】本發明涉及一種非接觸地測量產生磁場的磁場源(102)和磁場傳感器(100)相對于彼此的相對位置的方法。本發明還涉及相應的位移傳感器。本發明描述了傳感器的工作原理，該工作原理基于霍爾效應，并且通過當由磁場的控制丟失時存儲更早的值，以及同時在尺寸上減小的磁體而實現傳感器輸出范圍的增大。尤其是，本方法包括如下步驟：基于兩個磁通量密度分量的商而計算位置信號；計算磁通量密度的幅值并將該幅值與預定閾值相比較；如果所述磁通量密度的幅值高于閾值，則輸出當前計算的位置信號；如果磁通量密度的幅值小于或等于閾值，則輸出先前存儲的位置信號；存儲輸出的位置信號。
【專利說明】借助于3D霍爾傳感器非接觸地測量相對位置的方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種用于非接觸地測量產生磁場的磁場源和磁場傳感器相對于彼此的相對位置的方法。本發明還涉及相應的位移傳感器。本發明描述了一種傳感器的工作原理，該傳感器基于霍爾效應，并且通過一種當由磁場的控制丟失時存儲早先的數值而同時尺寸減小的磁體而實現傳感器輸出范圍的增加。
[0002]借助于根據本發明的方法，尤其是，借助于在一個或多個永磁體與基于霍爾效應的磁性傳感器之間的磁相互作用，預期可以非接觸地探測和評估線性運動。
【背景技術】
[0003]例如，線性運動的測量用于在氣動、在自動技術和機器人和在汽車領域中控制機械工具。非接觸的運動探測還提供了免于磨損的優點。光學和磁性方法是非接觸測量方法中最為廣泛的。由于光的小波長，光學方法確保了非常高水平的精度，而磁性方法對污垢和損壞非常不敏感，尤其是在磁體和傳感器部件完全包封在非磁性密封外殼中的情況下。
[0004]各個生產商在市場上銷售有位移傳感器系統，在這些位移傳感器中，可移位的永磁體的位置借助于二維或三維霍爾傳感器來建立。
[0005]為了探測在一個位置處的相對線性運動，測量兩個相互垂直的磁場分量并且求得它們的商，以探測位置。這個方法具有如下的優點:在一個場分量呈極端值并因此不探測小位移的區域中，另一場分量對位移更強地反應，使得在整個測量范圍內提供基本上同等水平的測量精度。
[0006]此外，這個原理具有的優點是:由于場分量之間的比例數值用于探測位置，因此對絕對磁場強度的變化相對而言不是非常敏感。
[0007]歐洲專利說明書EP 0979988B1公開了用于對永磁體和電子傳感器之間的相對線性運動進行非接觸磁性探測的測量方法。為了借助于電子傳感器探測相對線性運動，在一個位置處探測兩個相互垂直的場分量，求得這兩個場分量的商以探測該位置。
[0008]在第二種方法變型中，已知的測量方法也可以如下方式進行，使得，為了借助于電子傳感器探測相對線性運動，在兩個位置處探測兩個相互垂直的場分量，求得這兩個場分量的商以探測該位置。
[0009]公開的歐洲專利申請EP 2159546A2公開了一種用于非接觸地探測傳感器布置和永磁體之間的相對線性運動的測量方法，所述傳感器布置用于探測兩個相互垂直的磁場分量(R、A)。二維或三維霍爾傳感器用于替代單個的傳感器來探測各個場分量。準線性位置測量線通過函數U = y - e+g形成，其中y是場分量的函數關系，而e和g是可預定的電壓值。特別地，準線性位置測量線U = f(y)是根據關系y = a+b.R/f(c.Rn+d.An)由霍爾傳感器的輸出信號而形成，其中R是徑向場分量，A是軸向場分量，U是測量電壓，而a、b、c、d和η是恒定因數。
[0010]公開的歐洲專利申請EP 1243897Α1涉及一種磁性位移傳感器，其包括磁場源和磁場傳感器，所述磁場源和磁場傳感器相對于彼此沿著預定路徑可移位。磁場傳感器測量磁場源產生的磁場的兩個分量。然后，從測量的分量中得出位置信號，該位置信號構成所述磁場傳感器和磁場源的相對位置。在這個公開文件中給出的關于位移傳感器的解釋的區別在于:位置信號的建立包含磁場的兩個測量分量的除法。
[0011]但是，這些已知的方法具有這樣的缺點，磁性控制場在測量范圍的端部處變得非常弱，使得用于計算位置的磁通量密度的分量呈現小的值，并因此，兩個值的信噪比變得不利于計算。
[0012]圖1示出了其中霍爾傳感器100布置在固定位置以便非接觸地探測線性運動，且可移動永磁體102的磁場被探測的布置。根據永磁體102的運動方向上的北/南極化，在運動方向上延伸的磁場隨后被指定為磁場分量Bz，而與之橫向延伸的分量被隨后指定為By。
[0013]圖2不出了根據永磁體102所處的位置z,磁通量密度的分量By和Bz的路徑。零位置是永磁體102和傳感器100彼此正對的位置。
[0014]可根據如下方程(I)計算的角度α通常被用作測量信號。
(βΑ
Γηηι Ri a = aretan ——
[] UvJ (1)
[0016]磁通量密度的幅值I B I的路徑作為位置z的函數在圖3中示出。磁通量密度的向量幅值I B I可以根據以下方程(2)由單獨的分量By和Bz以已知的方式計算。當使用其他坐標系或者當包括第三磁場分量Bx時，相應的計算原則如本領域技術人員常規所做的那樣應用。
[0017]B^ = ^By +Bz~ ())
[0018]如圖4所示，角度α相對線性地取決于永磁體102相對于霍爾傳感器100的位置一直到給定的極限值。當前測得的特性線借助于線alin大體上進一步線性化，如圖4所示。線性化的線a lin然后形成傳感器的輸出特性線。圖5示出了傳感器輸出的位置信號OUT的路徑。
[0019]在商業上，傳統3D霍爾傳感器僅在存在充分強的磁場的情況下才能夠工作。如果永磁體位于傳感器的探測范圍之外，就不再可獲得傳感器信號。
[0020]還存在另一種已知的布置，其中，進行所謂的“鉗位(clamping) ”，也就是說，在測量范圍邊緣的測量值的省略。用與當前測量無關的固定的預定值替代不再可靠的實際測量值而輸出。美國專利說明US 6502544B2描述了這種霍爾傳感器用于節氣門裝置，其中，傳感器信號被設定為下或上鉗位電壓，下或上鉗位電壓分別構成傳感器的最小或最大可能的輸出電壓。
[0021]但是，這種鉗制電壓對于特定的技術應用來說不是充分靈活的，這是因為它們是固定地預設的，并且不取決于當前測量值。特別是，當傳感器在動態范圍的中心處丟失磁場時，如例如在汽車領域中的H橋電路中所發生的，這種固定設定的鉗制測量值是不適合的。
【發明內容】
[0022]本發明的目的是改進測量方法和所提及類型的位移傳感器，使得該位移傳感器能夠用于基本上更大的偏離范圍，并在偏離范圍的限定的部分范圍內具有最佳精度，而不需要更強的磁場源。
[0023]這個目的是通過獨立權利要求的主題來實現的。從屬權利要求涉及根據本發明的方法和位移傳感器的有利發展例。
[0024]本發明基于這樣的概念，即磁場傳感器被進一步提供有存儲單元，在磁場源的控制丟失時，該存儲單元允許有效的傳感器信號被進一步輸出。尤其是，仍然可靠地被確定的最后的位置值被存儲和輸出，直到永磁體已經再次沿著朝向傳感器的方向移動足夠遠，使得永磁體在其中產生充分強的磁場為止。根據本發明的傳感器然后再次輸出當前測量值，以取代所存儲的數值。
[0025]由于根據本發明的傳感器總是輸出有效的輸出信號，理論上它可以用于任何尺寸的位移路徑，而不會導致隨后硬件和軟件被處于可允許值之外的信號所干擾。對于其中雖然位移路徑相對大而實際所涉及的測量范圍僅是相對小的應用來說，可以摒棄不必要大的磁體的選用，該不必要大的磁體將處于這樣的位置使得其覆蓋整個位移范圍。
[0026]如果二維或三維霍爾傳感器用作磁場傳感器并且磁場源包括至少一個永磁體，那么根據本發明的優點可尤其輕易地實現。
[0027]如果磁通量密度的幅值在傳感器的位置處被監測，可以用特別簡單和有效的方式以確定磁場源已經到達距磁場傳感器過大距離處的狀態，以仍然確保滿意的信噪比。由于傳感器在任何情況下探測單獨的磁場通量密度分量，因此不需要額外的技術測量復雜性用于計算磁通量密度的幅值，但是代之以僅需要進行計算。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0028]為了更好地理解本發明，參照附圖中所示的實施方式對它更加詳細地解釋。相同的部件利用相同的附圖標記和相同的部件名稱表示。此外，來自所示和所描述的實施方式的單個特征或特征組合也可以構成根據本發明的方案或有創造性的獨立的方案。
[0029]在圖中:
[0030]圖1示出根據本發明的其信號能夠被評估的位移傳感器；
[0031]圖2示出了根據永磁體的位置產生的磁場分量的路徑；
[0032]圖3示出由所產生的磁場分量計算得到的磁通量的幅值的路徑；
[0033]圖4示出由所產生的磁場分量計算得到的角度α的路徑和線性化的角度的路徑;
[0034]圖5示出作為位置的函數的傳感器的輸出信號的路徑；
[0035]圖6示出用于在實際測量范圍外的位移路徑的角度α的路徑；
[0036]圖7是在具有大位移路徑的工作期間的在沒有存儲單元的情況下的傳感器的輸出信號的圖示；
[0037]圖8是用于探測測量范圍的邊緣區域的傳感器布置的示意圖；
[0038]圖9是用于在位移范圍的邊緣處有效地探測部分測量范圍的根據本發明的傳感器布置的示意圖；
[0039]圖10示出對于相對大位移路徑ζ的計算的角α的路徑；
[0040]圖11是屬于圖10的磁通量密度的幅值的路徑的圖示；
[0041]圖12是使用本發明的存儲的角度值的示意圖；
[0042]圖13是由圖12的角度值計算的輸出值的圖示；
[0043]圖14是對于磁通量密度的多個閾值的根據位置的輸出值的圖示；
[0044]圖15是用于在氣缸應用中精確測量縮回位置的測量布置的不意圖；
[0045]圖16不出了對于圖15的布置根據位移路徑的輸出信號輸出；
[0046]圖17是用于精確測量選擇桿的中心位置的測量布置的示意圖；
[0047]圖18示出對于圖17的布置，根據角度Φ的輸出信號的路徑；
[0048]圖19是從底部看的用于探測H橋電路的中立位置的測量布置的視圖；
[0049]圖20示出用于圖19的布置的單個間隙的側視圖；
[0050]圖21示出根據第一磁體的位置的傳感器的輸出信號；
[0051]圖22示出根據第二磁體的位置的傳感器的輸出信號；
[0052]圖23示出根據第三磁體的位置的傳感器的輸出信號。
【具體實施方式】
[0053]下面，參照附圖，本發明意于被更詳細地解釋。
[0054]根據第一實施方式的位移傳感器布置在圖1中示出。霍爾傳感器100安裝在固定位置，而永磁體102相對于霍爾傳感器100以線性可移動的方式被支撐。永磁體102被極化，使得它的北/南軸線定向為平行于運動方向。然而，原理上，本發明的原理也可以應用到其中永磁體102極化為使得它的北/南軸線橫向于運動方向延伸的布置中。永磁體102能夠沿兩個方向通過相應應用所確定的位移路徑104從圖1所示的零位置移開。霍爾傳感器100探測至少兩個正交的磁場分量——一個沿著運動線延伸，而另一個橫向于運動線延伸(見圖2)。兩個分量的向量和提供了磁場I i I的幅值，如圖3所示。角度α被定義為總磁場向量I B I與相對于運動方向的垂線所包圍的角度。
[0055]如已經提到的，角度α由在運動方向上的或相對于運動方向橫向的磁場分量根據方程⑴計算:
(Bz)
[0056]Λ = arclan 7
(I)
[0057]所計算的角度α被線性化，以可用作位移比例輸出信號0UT，如圖4和5所示。
[0058]自然，根據本發明的原理也可以轉移到其他磁場源(例如，電磁體)和其他磁場傳感器(諸如磁阻傳感器或感應傳感器)。
[0059]在本說明書中，一方面在運動方向上的磁場的值Bz和另一方面橫向于運動方向的磁場的值By被用作磁場分量，該磁場分量根據永磁體102在磁場傳感器(在這種情況下是霍爾傳感器100)中位置而被測量。自然地，正交于By延伸的值Bx也可以用于計算。
[0060]圖6示出了根據方程⑴計算的角度α，用于圖1的布置在-40到+40mm之間的更廣闊的位移范圍，其中，3D霍爾傳感器100定位在將被探測的移動路徑的中心處。在位置ζ = O處，磁性控制場的幅值I B I最大。在測量范圍端部(在這個情況下:在大于+35
或-35mm的ζ值處)，磁性控制場變得非常弱，使得用于計算角度的值By和Bz變得非常小，并因此這兩個值的信噪比變得不利于計算。這導致在測量范圍端部處的值α的很大變化，直至振蕩,如圖6所示。
[0061]為了抑制這種不期望的行為，在很多已知的傳感器中幅值I B I被連續監測。如果值落入到最小值以下，傳感器信號被關閉或者可容許特性線范圍外的值被輸出。這在圖7中示出。在這種情況下，對于范圍z〈-35mm和z>+35mm，傳感器被關閉，且磁體的位移位置不再被示出。磁通量密度By或Bz的信噪比因此界定了在這些已知傳感器中的磁體的最大可能位移范圍，這是因為磁通量密度的分量仍必須足夠大以提供有意義的測量信號。因此，本發明提出具有存儲單元106的3D霍爾傳感器102。
[0062]在很多應用中，僅磁體位移范圍的一部分需要精確地探測，而剩余的位移范圍可以以相對不精確方式表示，并且在這個范圍內，恒定的有效信號輸出就足夠了。如果對于這種應用，傳感器定位在整個位移范圍的中心處，必須使用具有非常強控制場的相對大的永磁體102，使得在整個測量范圍上信噪比保持足夠大以用于可靠探測。圖8示出這種布置，其中MBA表示測量范圍開始,MBE表示測量范圍端部,且MBM表示測量范圍中心。TMBl示出感興趣的部分測量范圍I。
[0063]借助于根據本發明的傳感器，輸出特性線能夠用簡單得多的方式并且通過小得多的永磁體102而產生，通過將傳感器100直接定位在MBA和TMBl之間的部分測量范圍內，并且可移動的磁體被構造成僅大到使得它的控制場對于這個局部測量范圍足夠強即可。根據本發明，傳感器100具有存儲裝置106，該存儲裝置106在作用為閂鎖的位置，用于存儲磁體離開探測范圍之前的最后的當前值α。可替代的或額外的，也可以存儲線性化輸出值0UT，該線性化輸出值可選地以另一種方式被進一步處理。
[0064]傳感器輸出這個值，直到磁體102被帶回到傳感器100的探測范圍。換言之:根據本發明的3D霍爾傳感器100被擴展有最后輸出值的存儲功能，使得傳感器仍然以穩定的方式工作的測量布置中可實現在理論上無限大的磁體的位移范圍。
[0065]圖10示出了具有磁體的延長的位移范圍的角度α的特征。離開探測范圍的磁體借助于通量密度的幅值I B I來評估，如圖11所示。如果幅值I i I小于最小通量密度Bmin
的閾值，則α最后的有效值被存儲為存儲值Cilatcted，并進一步用于輸出信號OUT的計算(見圖12和13)。
[0066]取決于針對B場的幅值來說可容許范圍被選擇成如何窄，存儲的值的位置和剩余的線性范圍的寬度變化。這例如在圖14中示意性地表示。界定較大的閾值Bmin具有的優點在于信噪比較大并且干擾的風險低，但是具有實際動態測量范圍較窄的缺點。
[0067]針對根據本發明的存儲3D傳感器，多個有利的應用示例意于在下文中闡述。
[0068]圖15示出一種傳感器布置，該傳感器布置允許縮回位置的精確測量，用于在氣缸應用中控制末端位置。可移動的磁體102在這種情況下固定到氣缸活塞108上。傳感器100位于末端位置的構成實際感興趣的測量范圍的區域內。
[0069]在該位置上相關聯的輸出特性線在圖16中示出。可以清楚地看出所需要的位移路徑在200mm處相對大，但是在大的距離ζ>ΤΜΒ1上，僅將所存儲的最終值OUTlatehed輸出到相連接的信號處理單元，直到磁體102在位置z = TMBl處進入其產生對于傳感器100足夠高的磁場的范圍內為止。根據本發明，傳感器再次輸出實際測量值，以替代存儲的值OUTlatched.
[0070]根據本發明的傳感器布置的另一有利應用在圖17和18中示出，用于精確測量選擇桿的中間位置或中立位置。永磁體102的位移路徑在這個情況下在圓弧110上延伸，選擇桿112連接到永磁體102。傳感器100被固定為使得當選擇桿112處于要被探測的零位置時傳感器100最靠近可移動的磁體102。
[0071]如圖18所示，例如，對于角度Φ而言，位移路徑可以在從-90度到+90度的范圍內延伸。然而，僅僅圍繞零位置的若干角度的部分范圍是必須精確探測的。如果原則上不感興趣的邊緣區域中的有效測量值被傳遞到后續的電子評估單元，那么相對小的磁體102繞它延伸。這根據本發明而實現，在離開限定的測量范圍之前的最后測量值被存儲并且供整個剩余位移范圍輸出。
[0072]另一有利的應用示于圖19至23中。根據本發明的布置也以有利的方式用于精確測量汽車中H橋電路的中立位置。如原理上所知道的，單獨的控制磁體102A、102B、102C用于每個間隙。在由于磁體布置的橫向位移所致的間隙變化的情況下，如圖19所示，傳感器100存儲在中間位置的范圍內的當前值，直到探測到相鄰間隙的磁體為止。
[0073]相關聯的測量信號在圖21至23中示出。從倒擋R到第五擋5的假想切換路徑通過不連續的線示意性示出:首先，傳感器100根本未測量到任何磁場，因此，作為輸出信號輸出最后有效測量值(由磁體102C產生)。在沿著正Z方向進一步移位的過程中，由于磁體102C，控制場變得對于傳感器100而言足夠大以輸出當前測量值。如果間隙變化，圖19的整個磁體布置現在沿X方向移動，使得在傳感器100處測量的B場落到閾值IBminI以下。傳感器100然后輸出在圖23的特性線的動態范圍內測量的最后值，直到磁體102B產生足夠大的控制場為止。
[0074]在這種狀態下，圖22的特性線的當前測量值可以被暫時輸出。在磁體布置沿著負X方向進一步位移的情況下，傳感器也丟失了借助于第二磁體102B的控制，并且輸出所存儲的最后測量值，直到它被第三磁體102C控制為止。由于磁體布置在正ζ方向上移動，輸出信號OUT首先在其中輸出測量值的動態范圍上變化。如果控制磁場在ζ方向上丟失，傳感器100對于大約1mm上的所有位置輸出最后的有效測量值。
[0075]因此，根據本發明的傳感器具有如下優點，它在小的局部測量范圍內以顯著更精確方式測量，但是向后續單元提供在整個位移范圍上有效的測量值，并從而可以在廣泛得多的環境下使用。此外，小得多的控制磁體就足以用來實現測量目的。此外，根據本發明的存儲功能也提供了這樣的可能性，其可存儲在傳感器已經丟失了借由磁場源的控制之前的當前已經被測量的任意值，即使所存儲的值不是在測量值的上端或下端。
[0076]附圖標記列表:
[0077]100霍爾傳感器
[0078]102U02AU02BU02C永磁體
[0079]104位移路徑
[0080]106存儲單元[0081 ] 108 氣缸活塞
[0082]110圓弧
[0083]112選擇桿
【權利要求】
1.一種用于非接觸式測量磁場源(102)和磁場傳感器(100)相對于彼此的相對位置的方法，所述磁場源產生磁場，其中，所述磁場源(102)和磁場傳感器(100)相對于彼此可移動； 其中，所述磁場傳感器(100)探測所述磁場的磁通量密度的至少兩個空間分量(By、Bz)，并且位置信號由所測量的分量產生，并且其中所述方法包括以下步驟: 基于兩個磁通量密度分量的商而計算所述位置信號； 計算磁通量密度的幅值并將該幅值與預定的閾值相比較； 如果所述磁通量密度的幅值高于所述閾值，則輸出當前計算的位置信號； 如果所述磁通量密度的幅值小于或等于所述閾值，則輸出先前存儲的位置信號； 存儲所輸出的位置信號。
2.如權利要求1所述的方法，其中，所述磁場傳感器包括二維或三維霍爾傳感器(100)。
3.如前述權利要求中任一項所述的方法，其中，所述磁場源包括至少一個永磁體(102)。
4.如前述權利要求中任一項所述的方法，其中，所述位置信號的計算包括: 根據a - arc tan I — I建立角度α ；.K By) 線性化所述角度，以產生位移比例輸出信號。
5.如前述權利要求中任一項所述的方法，其中，所述磁通量密度的幅值的計算是通過由所述磁場的磁通量密度的至少兩個空間分量(By、Bz)計算向量幅值而進行的。
6.如前述權利要求中任一項所述的方法，其中，所述位置信號的存儲包括存儲角度
(βζ、a = arctan ^的值和/或存儲所述角度的線性化的值。
KByJ
7.—種位移傳感器，用于非接觸式測量磁場源(102)和磁場傳感器(100)相對于彼此的相對位置，所述磁場源產生磁場， 其中，所述磁場源(102)和磁場傳感器(100)相對于彼此可移動； 其中，所述磁場傳感器(100)被構造成使得其探測所述磁場的磁通量密度的至少兩個空間分量(By、Bz)，并從所測量的分量產生位置信號， 其中，所述磁場傳感器(100)包括: 控制和計算單元，所述控制和計算單元用于基于所述兩個磁通量密度分量的商而計算位置信號，并用于計算磁通量密度的幅值并將該幅值與預定的閾值相比較，其中，所述控制和計算單元可以被操作以實現如果磁通量密度的幅值高于所述閾值時則輸出當前計算的位置，并且如果磁通量密度的幅值小于或等于所述閾值時則輸出先前存儲的位置信號，用于存儲所輸出的位置信號的存儲單元(106)。
8.如權利要求7所述的位移傳感器，其中，所述磁場傳感器(100)包括二維或三維霍爾傳感器。
9.如權利要求7或權利要求8所述的位移傳感器，其中，所述磁場源(102)包括至少一個永磁體。
10.如權利要求7至9中任一項所述的位移傳感器，其中，所述磁場源(102)產生相對于軸線旋轉對稱的磁場，所述軸線由所述磁場源和所述磁場傳感器之間的相對線性運動所限定。
11.如權利要求7至10中任一項所述的位移傳感器，其中，所述磁場源(102)和所述磁場傳感器(100)布置在零位置，使得所述磁場傳感器(100)被固定在由所述磁場源(102)產生的磁通量密度的幅值小于或等于所述閾值的位置處。
【文檔編號】G01D5/244GK104204730SQ201380016198
【公開日】2014年12月10日 申請日期:2013年3月1日 優先權日:2012年3月1日
【發明者】O.沙夫 申請人:泰科電子Amp有限責任公司