CN101243308A - 角传感器装置 - Google Patents

Abstract

一种角传感器装置，用于确定可移动对象的角位置信息和/或角速度信息，该角传感器装置包括设置于可移动对象上的至少一个磁编码区域，至少一个磁场检测器，和角位置和/或角速度信息确定单元，其中至少一个磁场检测器适配成检测当与可移动对象一起移动的至少一个磁编码区域经过至少一个磁场检测器的周围区域时所述至少一个磁编码区域产生的信号，且其中角位置和/或角速度信息确定单元适配成根据检测的信号确定可移动对象的角位置信息和/或角速度信息。

Description

角传感器装置

技术领域

本发明涉及一种角传感器装置、一种多参数传感器设备、一种确定角位置信息的方法、一种制造角传感器装置的方法，涉及一种对象、一种制造对象的方法、一种用于磁化可磁化元件的设备和一种磁化可磁化元件的方法。

背景技术

磁变送器技术在扭矩和位置的测量中得到应用。该技术是特别为轴或任何其它经受扭矩或线性移动的部件中的扭矩的无接触测量而开发的。转动或往复运动的元件可设置有磁化区域，即磁编码区域，且当轴转动或往复运动时，该磁编码区域在磁场检测器(如磁线圈)中产生特征信号，使得能够确定轴的扭矩或位置。

该类传感器例如在WO 02/063262中公开。

发明内容

本发明的目的是提供一种高效的磁传感器。

该目的可通过提供根据独立权利要求的一种角传感器装置、多参数传感器设备、确定角位置信息的方法、制造角传感器装置的方法、一种对象、制造对象的方法、磁化可磁化元件的设备、以及磁化可磁化元件的方法来实现。

根据本发明的示范性实施例，提供一种角传感器装置，用于确定可移动对象的角位置信息和/或角速度信息，所述角传感器装置包括：设置于所述可移动对象上的至少一个磁编码区域；至少一个磁场检测器；以及角位置和/或角速度信息确定单元；其中所述至少一个磁场检测器适于检测当随所述可移动对象移动的至少一个磁编码区域经过所述至少一个磁场检测器的周围区域时所述至少一个磁编码区域产生的信号，且其中所述角位置和/或角速度信息确定单元适于根据所检测的信号确定可移动对象的角位置信息和/或角速度信息。

根据本发明的另一示范性实施例，提供一种能够确定可移动对象的至少两个参数的多参数传感器设备，所述多参数传感器设备包括具有上述特征的用于确定所述可移动对象的角位置信息和/或角速度信息的角传感器装置；还包括另外的参数确定单元；其中所述另外的参数确定单元适于根据所检测的信号确定表征所述可移动对象的至少一个另外的参数。

根据本发明的另一示范性实施例，提供一种确定可移动对象的角位置信息和/或角速度信息的方法，所述方法包括以下步骤：通过至少一个磁场检测器检测随所述可移动对象移动的至少一个磁编码区域经过所述至少一个磁场检测器的周围区域时所述至少一个磁编码区域产生的信号；根据所检测的信号确定所述可移动对象的角位置信息和/或角速度信息。

根据本发明的另一示范性实施例，提供一种制造用于确定可移动对象的角位置信息和/或角速度信息的角传感器装置的方法，所述方法包括以下步骤：在所述可移动对象上设置至少一个磁编码区域；提供至少一个磁场检测器；提供角位置和/或角速度信息确定单元；适配所述至少一个磁场检测器，以检测当随所述可移动对象移动的所述至少一个磁编码区域经过所述至少一个磁场检测器的周围区域时所述至少一个磁编码区域产生的信号；以及适配所述角位置和/或角速度信息确定单元，以根据所检测的信号确定所述可移动对象的角位置信息和/或角速度信息。

根据本发明的另一示范性实施例，提供一种对象，该对象包括至少一个磁编码区域，该至少一个磁编码区域以沿所述对象的圆周角不对称的几何方式设置和/或设置为使得磁场强度沿所述对象的圆周随角度变化。

根据本发明的另一示范性实施例，提供一种制造对象的方法，该方法包括以下步骤：以沿所述对象的圆周角不对称的几何方式设置至少一个磁编码区域和/或设置所述至少一个磁编码区域使得磁场强度沿所述对象的圆周随角度变化。

根据本发明的另一示范性实施例，提供一种磁化可磁化元件以生成磁编码区域的设备，所述设备包括：用于电接触所述可磁化元件的至少两个不同部分的电连接元件；连接到所述电连接元件并适于将至少两个不同的电信号施加到所述至少两个不同的部分从而在所述可磁化元件的所述至少两个不同的部分生成至少两个不同的磁编码区域的电信号提供单元。

根据本发明的另一示范性实施例，提供一种磁化可磁化元件以生成磁编码区域的方法，该方法包括以下步骤：将所述可磁化元件的至少两个不同的部分电连接到电信号提供单元；通过所述电信号提供单元将至少两个不同的电信号施加到所述至少两个不同的部分，从而在所述可磁化元件的所述至少两个不同部分生成至少两个不同的磁编码区域。

本发明的一个实施例涉及能够检测可移动(例如转动)对象的角信息的角传感器装置，所述对象在例如其圆周部分具有一个或多个磁编码区域，该一个或多个磁编码区域在转动过程中经过一个或多个磁场检测器。当经过一个这样的磁场检测器时，例如在相应磁场检测器中产生(例如感应)磁信号，该磁信号(如果需要，则与其它磁检测信号结合)可允许导出关于转动对象的相对或甚至绝对角信息。

所述角传感器装置还可检测角速度信息，例如通过以随时间变化的方式测量角位置。角的导数表示角速度。因而通过所述角传感器装置还可确定速度信息。

优选地，实现磁编码区域的不对称配置，使得在对象的转动过程中信号的时序允许确定转动对象的角位置。磁编码区域的该不对称设置导致所检测的信号的不对称。例如，磁编码区域的该不对称配置可通过不对称地磁化可磁化对象的对应部分获得或通过沿可移动对象的圆周不对称地设置磁编码部分的位置来获得。

根据本发明的另一实施例，提供一种多参数感测技术，该技术允许以磁的方式同时检测关于可移动对象的多个信息。例如，除了角信息，还可感测速度和/或扭矩信息，且如果需要还可组合速度和/或扭矩信息。例如转动对象的速度和扭矩的乘积表示施加到移动对象的功率。

根据本发明另一实施例，提供一种用于磁化可磁化元件以生成磁编码区域的方案，其中多个不同的电连接元件连接到要磁化的对象的表面上的不同部分。然后，对每个部分可单独施加单个磁化方案，例如电流或电压。因此对要磁化的对象的不同表面区域提供在磁场强度、极性等方面不同的磁编码区域。这允许生成磁化对象的用户定义的磁化表面结构，从而可灵活产生所期望的磁场信号图案。

以下描述角传感器装置的进一步示范性实施例。然而，这些实施例也适用于多参数传感器设备、确定角位置信息的方法、制造角传感器装置的方法、对象、制造对象的方法、磁化可磁化对象的设备和磁化可磁化对象的方法。

上述至少一个磁编码区域可沿可移动对象的圆周以角对称的几何方式设置。通过仅沿可移动对象的圆周的部分提供磁编码区域，当对象转动时可通过磁场装置检测在时间上不同的磁信号。这样，由于不对称的几何布置，随时间变化的信号图象允许导出角信息。

附加地或可替选地，所述至少一个磁编码区域可以设置为磁场强度沿可移动对象的圆周角度变化。换句话说，在编程或产生磁编码区域期间即可实现磁属性沿圆周的不对称。例如，产生电流的磁编码区域可沿对象的圆周施加不同极性的不同强度。

此外，所述至少一个磁编码区域可以设置为磁场极性沿可移动对象的圆周角度变化。例如，正电压或电流可施加到可移动对象的表面的一部分以形成磁编码区域，而用于磁化另一部分的该电压或电流的另一极性可施加到该另一部分。通过采取该措施，沿角传感器的圆周可产生特征图案，该特征图案允许在磁场检测器的位置产生磁场传感器信号，该信号表示可移动对象的当前角位置。这样的磁场检测器可沿可移动对象的圆周布置，所述可移动对象附着有或一体地设置有磁编码区域。

上述角位置和/或角速度信息确定单元可适于根据所检测的磁信号确定可移动对象的绝对角位置信息。这可通过将磁编码区域以如下方式沿对象的圆周布置来实现，即：使得一个磁场检测装置或多个结合的磁场检测装置所产生的信号对特定角位置是唯一的。这允许信号和角位置的明确指定。

上述角传感器装置还可包括可移动对象。磁编码区域可设置在可移动对象内部，可设置在可移动对象的表面区域或可以可拆或不可拆的方式直接附着到可移动对象的表面。

所述可移动对象可以是包括圆轴、管、盘、环和非圆形对象(例如具有矩形横截面)的组中的至少一个。然而，这些几何结构仅是示范性的。

上述可移动对象可以是包括引擎轴、往复式工作体、推拉杆的组中的一个。在所有这些应用中，这样的位置、扭矩、剪切力和/或角传感器的磁化非常有利，因为这允许以低成本制造高度准确且可靠的力、位置、扭矩、剪切力和/或角位置传感器。特别地，采矿和钻探装备可装备有本发明的系统，且可用来监控钻探角、钻探方向和钻探力。本发明的另一典型应用是引擎爆震的识别和分析。

角传感器装置可包括沿对象的圆周对称或不对称设置的多个磁场检测器，例如两个、三个、四个或更多磁场检测器。

特别地，上述角位置和/或角速度信息确定单元可适于根据对多个磁场检测器检测的磁信号的同步分析来确定可移动对象的角位置信息。这样，通过结合多个信号，可以从检测结果中去除失真，且各种磁场检测装置的同步感测信号的组合可允许测量移动对象的绝对角位置。特别地，在特定时间点不同信号图像的组合可表示唯一角位置，从而允许导出在该特定时刻的绝对角位置。

沿可移动对象的圆周可布置多个磁编码区域。这允许识别角传感器装置的当前角位置。

上述角传感器装置还可包括控制单元，该控制单元适于根据角位置和/或角速度信息确定单元提供给控制单元的角位置信息控制可移动对象的移动。这样的控制单元可根据当前导出的角传感器装置角位置信息控制或调节可移动对象的移动，特别是转动。因而提供了一种反馈机制，允许灵活调整例如可移动对象的驱动信号，以补偿从可移动对象的目标位置的偏离。

上述角传感器装置的至少一个磁编码区域可以是永磁区域。术语“永磁区域”指的是在没有外部磁场的情况下也有剩磁的磁化材料。这样，“永磁材料”包括铁磁材料、亚铁磁材料等。这样的磁区域的材料可以是如铁、镍或钴等3d铁磁材料，或可以是稀土材料(4f磁性)。

所述至少一个磁编码区域可以是可移动对象的纵向磁化区域。因而磁编码区域的磁化方向可沿可移动对象的延伸方向取向。制造这样的纵向磁化区域的方法在不同的文本中，即在WO 02/063262中公开，并使用单独的磁化线圈。

可替选地，上述至少一个磁编码区域是可移动对象的圆周磁化区域。这样的圆周磁化部分可特别地适配成使得所述至少一个磁编码区域由朝向第一方向的第一磁通区域和朝向第二方向的第二磁通区域形成，其中第一方向与第二方向相反。

这样，上述磁编码区域可实现为两个同心朝向的空心圆柱体状结构，其中该两个同心布置的磁通区域的磁化方向优选地彼此基本上垂直。这样的磁结构可通过以下详细描述的PCME方法制造，即通过将磁化电流直接施加到由可磁化材料制成的可移动对象上来制造。为制作上述两个相反的磁通部分，可将电流脉冲施加到轴。

参照上述实施例，在可移动对象的横截面图中，可具有第一方向第一半径的第一环磁通和第二方向第二半径的第二环磁通，其中第一半径可大于第二半径。

特别地，上述至少一个磁编码区域可根据对可磁化元件施加第一电流脉冲的制造步骤来制造，其中施加第一电流脉冲使得具有沿可磁化元件的纵轴的第一方向的第一电流，其中第一电流脉冲使得该电流脉冲的施加在可磁化元件中生成所述磁编码区域。

此外，可以对可磁化元件施加第二电流脉冲，其中可施加第二电流脉冲使得具有沿可磁化元件的纵轴的第二方向的第二电流。

上述第一和第二电流脉冲各自可具有上升沿和下降沿，其中上升沿比下降沿陡(见图30、35)。

特别地，第一方向可与第二方向相反。

上述可磁化元件可具有围绕可磁化元件的芯区的圆周表面。而且，第一电流脉冲可在圆周表面的第一位置引入可磁化元件，使得具有可磁化元件的芯区的第一方向的第一电流。该第一电流脉冲可在圆周表面的第二位置从可磁化元件放出。该第二位置可在第一方向上距第一位置一段距离。

特别地，所述第二电流脉冲可在圆周表面的所述第二位置引入可磁化元件，使得具有可磁化元件的芯区的第二方向的第二电流，其中第二电流脉冲可在圆周表面从可磁化元件放出。

第一电流脉冲不必在所述可磁化元件的端面施加到所述可磁化元件。

上述至少一个磁编码区域可以是附着到可移动对象的表面的磁元件。这样，外部元件可附着到可移动对象的表面以形成所述磁编码区域。这样的磁元件可通过粘贴(例如使用粘胶剂)附着到可移动对象，或可使用磁元件的磁力固定到可移动轴。

也可以不将磁对象附着到可移动对象表面，而是使用具有不同磁属性的材料(例如一种材料具有较高磁导率，另一种具有较低磁导率)。磁对象可从轴/圆柱体的外部附着或可位于圆柱体内部。

任何磁场检测器可包括线圈，该线圈的轴的朝向与可移动对象的延伸基本平行。此外，任何磁场检测器可实现为线圈，该线圈的轴的朝向与可移动对象的延伸基本垂直。线圈的轴的朝向与可移动对象的延伸之间也可以具有任何其它角度。作为线圈(通过调制通过线圈的磁通，移动的磁编码区域可在该线圈中感应出感应电压)的替选，利用霍耳效应可将霍耳效应元件作为磁场检测器。或者巨磁共振磁场传感器或磁共振磁场传感器可用作磁场检测器。然而，也可使用任何其它磁场检测器来检测(定性或定量)一个磁编码区域在各磁场检测器的足够近的附近存在或不存在。

以下描述多参数传感器设备的示范性实施例。然而，该实施例还适用于上述角传感器装置、确定角位置信息的方法、制造角传感器装置的方法、对象、制造对象的方法、磁化可磁化元件的设备以及磁化可磁化元件的方法。

上述至少一个另外的参数可从包括以下参数的组选择：可移动对象的位置(例如往复运动时)、施加到可移动对象的扭矩、施加到可移动对象的力、施加到可移动对象的剪切力、可移动对象的速度、可移动对象的功率。然而，这些例子不是除感测可移动对象的相对或绝对角位置之外可能要感测的仅有的参数。此外，可进一步处理多个可同时检测的参数，例如以导出其它参数。例如，估计的速度和估计的扭矩的乘积表示施加到旋转对象的功率。

以下描述制造角传感器装置的方法的其它示范性实施例。然而，这些实施例也适用于所述角传感器装置、多参数传感器设备、确定角位置信息的方法、对象、制造对象的方法、磁化可磁化元件的设备、制造可磁化元件的方法。

该方法还可包括以下步骤：形成所述至少一个磁编码区域，使得沿可移动对象的圆周具有随角度变化的磁场强度。换句话说，用于对角位置估计的不对称可以在形成磁编码区域的过程中已经形成。通过不对称地磁化可移动对象的圆周的不同部分，磁场强度以及相应地磁场检测装置所测量的磁场检测信号的强度可在特性上变化以表示当前角位置。

上述至少一个磁编码区域可通过相对于至少一个磁化对象不对称地设置可移动对象并将磁化信号施加到所述至少一个磁化对象来形成。例如，沿可磁化对象的圆周可以不连续地或不对称地布置多个不同的电接触，通过这些电接触，可以将磁化信号传送到可移动对象。于是当磁化信号施加到磁化对象上时，布置的不对称性使得磁场分布也沿圆周变化。

上述至少一个磁编码区域可通过由可移动对象不对称地包围所述至少一个磁化对象并将磁化信号施加到该至少一个磁化对象来形成。例如，可移动对象可实现为空心管，且相对于空心管的对称轴可偏离中心地设置引线，对该引线可施加磁化电流。于是，磁化引线和空心管的不同表面部分之间的距离不同，因而磁化磁场强度沿空心管的圆周不同，从而实现了磁编码区域的不对称结构。

此外，所述至少一个磁编码区域可通过由所述至少一个磁化对象不对称地接触可移动体并将磁化信号施加到该至少一个磁化对象来形成。例如，四个导电接触件可与例如圆柱体形状的可移动对象的圆周接触。当四个接触件的布置沿圆周不连续或不对称时，所生成的磁场以及相应地磁编码区域的磁场特征沿可移动对象的圆周不同，从而提供了明确依赖于可移动对象的角位置的可检测信号。

上述至少一个磁编码区域可通过从所述至少一个磁编码区域不对称地去除材料而形成。例如，在可移动对象的表面上可形成槽、凹陷或缺口，从而产生基于角度的信号。

此外，上述至少一个磁编码区域可通过将材料不对称地添加到所述至少一个磁编码区域来形成。例如，磁材料的凸起可施加到可磁化对象的表面的一部分上，从而将材料添加到可移动对象的表面上，导致基于角度的磁检测信号。

以下说明用于磁化可磁化元件的设备的示范性实施例。然而，这些实施例也适用于所述角传感器装置、多参数传感器设备、确定角位置信息的方法、对象、制造对象的方法、制造角传感器装置的方法和磁化可磁化元件的方法。

所述电连接元件可连接以形成电连接元件组，其中各组电连接元件可指定到至少两个不同部分中的每个，其中一组电连接元件中的至少一个电连接元件可适配成将相应的电信号从电信号提供单元引导到相应的部分，且一组电连接元件中的至少一个电连接元件可适配成将相应的电信号从相应部分引导到所述电信号提供单元。

通过采取该措施，可磁化元件的不同部分可单独磁化，基本上不受相邻部分的磁化属性的影响。不同部分的磁化可同时或顺序进行。因而，在要磁化的对象的表面上甚至可形成磁场属性的复杂形态。

特别地，可以形成所述磁编码区域，使得在可移动对象的至少两个部分具有变化的磁场强度和/或在可移动对象的至少两个部分的变化的磁极性。

该设备可适于磁化管状可磁化元件使得在可磁化元件的表面的平面投影中，磁编码区域的磁场强度和/或极性可形成棋盘状结构。这样，具有不同极性和不同强度的不同区域可彼此邻近地设置。例如，所述棋盘的“黑”域可由具有正极性的部分形成，而棋盘的“白”域可由具有负极性的部分形成。

通过结合附图描述的以下说明和所附权利要求，本发明的以上和其它方面、目的、特征和优点将更加明显，在附图中相同的部件或元件由相同的附图标记表示。

附图说明

用来提供对本发明的进一步理解并构成说明书一部分的附图示出本发明的实施例。

在附图中：

图1示出具有根据本发明一个示范性实施例的传感器元件的扭矩传感器，用于解释根据本发明一个示范性实施例的制造扭矩传感器的方法；

图2a示出根据本发明的扭矩传感器的传感器元件的示范性实施例，用于进一步解释本发明的原理和本发明的制造方法的示范性实施例的方面；

图2b示出沿图2a中AA’的横截面图；

图3a示出根据本发明的扭矩传感器的传感器元件的另一示范性实施例，用于进一步解释本发明的原理，和根据本发明的制造扭矩传感器的方法的示范性实施例；

图3b示出沿图3a中BB’的横截面图；

图4示出根据本发明的示范性实施例的方法制造的图2a和3a的扭矩传感器的传感器元件的横截面图；

图5示出根据本发明的扭矩传感器的传感器元件的另一示范性实施例，用于进一步解释制造根据本发明的扭矩传感器的方法的示范性实施例；

图6示出根据本发明的扭矩传感器的传感器元件的另一示范性实施例，用于进一步解释根据本发明的制造扭矩传感器的方法的示范性实施例；

图7示出用于进一步解释根据本发明的制造扭矩传感器的方法的示范性实施例的流程图；

图8示出用于进一步解释根据本发明示范性实施例的方法的电流-时间关系图；

图9示出具有根据本发明示范性实施例的电极系统的根据本发明的扭矩传感器的传感器元件的另一示范性实施例；

图10a示出具有根据本发明示范性实施例的电极系统的根据本发明的扭矩传感器的另一示范性实施例；

图10b示出在通过图10a的电极系统施加电流浪涌之后图10a的传感器元件；

图11示出根据本发明的扭矩传感器的扭矩传感器元件的另一示范性实施例；

图12示出根据本发明另一示范性实施例的扭矩传感器的传感器元件的示意图，示出两个磁场可存储在轴中并以首尾相连的环分布；

图13是示出PCME感测技术的另一示意图，PCME感测技术使用可根据本发明的制造方法产生的两个反向环或磁场回路；

图14示出另一示意图，说明当没有机械应力施加到根据本发明示范性实施例的传感器元件上时，磁通线沿其原始路径分布；

图15是进一步解释本发明的示范性实施例的原理的另一示意图；

图16是进一步解释本发明的示范性实施例的原理的另一示意图；

图17-22是进一步解释本发明的示范性实施例的原理的示意图；

图23是用于解释本发明的示范性实施例的原理的另一示意图；

图24、25和26是用于进一步解释本发明的示范性实施例的原理的示意图；

图27是用于说明可施加到根据本发明示范性实施例的制造方法制造的传感器元件的电流脉冲的电流与时间关系图；

图28示出根据本发明示范性实施例的输出信号与电流脉冲长度关系图；

图29示出电流与时间关系图，其中具有可根据本发明示范性实施例施加到根据本发明的方法制造的传感器元件的电流脉冲；

图30示出另一电流与时间关系图，该图示出根据本发明示范性实施例的方法施加到传感器元件(如轴)的电流脉冲的示范性实施例；

图31示出根据本发明示范性实施例的信号和信号效率与电流关系图；

图32是根据本发明示范性实施例具有PCME电流密度的传感器元件的横截面图；

图33示出根据本发明示范性实施例的传感器元件的横截面图和脉冲电流电平不同且逐渐增加的电脉冲电流密度；

图34a和34b示出在根据本发明的传感器元件中的利用磁通的不同流脉冲实现的间隔；

图35示出可施加到根据本发明示范性实施例的传感器元件的电流脉冲的电流与时间关系图；

图36示出到根据本发明示范性实施例的传感器元件的电多点连接；

图37示出具有弹簧加载的接触点以将电流脉冲施加到根据本发明示范性实施例的传感器元件的多通道电连接固定件；

图38示出根据本发明示范性实施例具有增加数量的电连接点的电极系统；

图39示出图37的电极系统的示范性实施例；

图40示出用于根据本发明示范性实施例的方法的轴处理保持夹具；

图41示出根据本发明的传感器元件的双场编码区域；

图42示出根据本发明示范性实施例的顺序双场编码的处理步骤；

图43示出根据本发明另一示范性实施例的双场编码的另一处理步骤；

图44示出传感器元件的另一示范性实施例，示出了根据本发明另一示范性实施例的电流脉冲的施加；

图45示出用于描述当没有施加应力时根据本发明的传感器元件中的磁通方向的示意图；

图46示出当施加力时图45的传感器元件的磁通方向；

图47示出当所施加的扭矩方向改变时图45的PCM编码轴内部的磁通；

图48示出根据本发明示范性实施例的6通道同步脉冲电流驱动器系统；

图49示出根据本发明另一示范性实施例的电极系统的简化图；

图50是根据本发明示范性实施例的传感器元件的视图；

图51是根据本发明的传感器元件的另一示范性实施例，具有PCME处理感测区域和两个约束区域；

图52是解释根据本发明的示范性实施例用于制造具有编码区域和约束区域的传感器元件的方法的示意图；

图53是根据本发明示范性实施例的制造方法制造的根据本发明的示范性实施例的传感器元件的另一示意图；

图54是用于进一步解释本发明的示范性实施例的简化示意图；

图55是用于进一步解释本发明的示范性实施例的另一简化示意图；

图56示出根据本发明的示范性实施例的扭矩传感器在电机的齿轮箱中的应用；

图57示出根据本发明示范性实施例的扭矩传感器；

图58示出根据本发明示范性实施例的无接触扭矩感测装置的组件的示意图；

图59示出根据本发明示范性实施例的感测装置的组件；

图60示出具有根据本发明示范性实施例的传感器元件的线圈的设置；

图61示出根据本发明示范性实施例的单通道传感器电子装置；

图62示出根据本发明示范性实施例的双通道短路保护系统；

图63示出根据本发明另一示范性实施例的传感器；

图64示出根据本发明示范性实施例的次级传感器单元组件的示范性实施例；

图65示出根据本发明示范性实施例的主传感器和次级传感器的几何布置的两种结构；

图66是用于解释次级传感器单元和传感器主体之间的间隔例如尽可能小的示意图；

图67是示出主传感器编码装备的实施例；

图68A示出根据本发明示范性实施例磁化可移动对象的方法；

图68B示出与图68A相比替选的几何结构；

图69A、69B示出在对称磁化方案情况下的传感器信号输出；

图70A、70B示出根据本发明示范性实施例，以偏离中心的方式磁化可磁化对象的信号传感器输出和几何形状；

图71示出根据本发明示范性实施例用于磁化可磁化对象的设置；

图72示出根据本发明示范性实施例用于磁化对象的另一设置；

图73A-73C示出与图71相比替选的几何结构；

图74A示出根据本发明示范性实施例用于磁化可磁化对象的设备；

图74B示出根据图74A磁化的可磁化对象的表面的棋盘状结构；

图75示出根据本发明示范性实施例制造角传感器装置的方法；

图76A示出根据本发明示范性实施例的角传感器装置；

图76B示出根据本发明示范性实施例的角传感器装置；

图77示出根据本发明示范性实施例的角传感器装置；

图78示出根据本发明示范性实施例的角传感器装置；

图79示出根据本发明示范性实施例的另一角传感器装置；

图80示出图79的结构的横截面图；

图81示出根据本发明示范性实施例具有磁编码区域的对象；

图82示出响应图81所示的对象的角旋转的磁场检测信号的示意图；

图83示出根据本发明示范性实施例的角传感器装置；

图84示出根据本发明示范性实施例的角传感器装置；

图85和86示出响应传感器主体的转动角度的传感器信号输出的示意图；

图87示出根据本发明示范性实施例的角传感器装置。

图88和89示出基于转动角度的磁场检测信号的图线；

图90示出根据本发明示范性实施例的角传感器装置；

图91示出根据本发明示范性实施例的角传感器装置；

图92示出传感器输出信号对角度旋转的相关性的示意图；

图93示出根据本发明示范性实施例用于偏心磁编码的磁检测元件的设置；

图94示出基于转动角度的传感器输出信号；

图95示出根据本发明示范性实施例的多参数传感器设备；

图96示出根据本发明示范性实施例的传感器信号输出对传感器主体的转动角度的相关性；

图97示出根据本发明示范性实施例的角传感器装置；

图98和99示出依赖于图97的可移动对象的角旋转的传感器信号输出；

图100示出在可移动对象表面具有偏离中心的纵向切口以产生不对称磁编码区域的可移动对象；

图101示出根据本发明示范性实施例的角传感器装置；

图102示出根据本发明示范性实施例的角传感器装置；

图103示出根据本发明示范性实施例的角传感器装置在确定角速度信息中的可能的应用。

具体实施方式

公开了具有传感器元件(如轴)的传感器，其中可根据以下制造步骤制造该传感器元件：

-对传感器元件施加第一电流脉冲；

-其中施加第一电流脉冲使得在沿传感器元件的纵轴的第一方向具有第一电流；

-其中第一电流脉冲为使得该电流脉冲的施加在传感器元件中产生磁编码区域。

公开了还可对传感器元件施加第二电流脉冲。该第二电流脉冲可这样施加，使得在沿传感器元件的纵轴的方向具有第二电流。

公开了所述第一和第二电流脉冲的方向可彼此相反。此外，所述第一和第二电流脉冲各自可具有上升沿和下降沿。例如，上升沿比下降沿陡。

据信，电流脉冲的施加会在传感器元件中产生磁场结构，使得在传感器元件的横截面图中，存在具有第一方向的第一环形磁通和具有第二方向的第二磁通。第一磁通的半径可大于第二磁通的半径。在具有非圆形横截面的轴中，磁通不一定是圆形的，而是可具有基本上对应于并适于相应传感器元件的横截面的形状。

据信如果不对传感器元件施加扭矩，则不存在或基本上不存在可在外部检测的磁场。当对传感器元件施加扭矩或力时，存在从传感器元件发出的可通过合适的线圈检测的磁场。以下将对其进行更详细说明。

扭矩传感器可具有围绕传感器元件的芯区的圆周表面。在圆周表面的第一位置将第一电流脉冲引入传感器元件，使得在传感器元件的芯区沿第一方向具有第一电流。在圆周表面的第二位置从传感器元件放出所述第一电流脉冲。第二位置与第一位置在第一方向上有一段距离。可在圆周表面的第二位置或邻近第二位置将第二电流脉冲引入传感器元件，使得在传感器元件的芯区或邻近芯区具有第二电流。在圆周表面的第一位置或邻近第一位置从传感器元件放出第二电流脉冲。

如上所述，传感器元件可以是轴。该轴的芯区可在轴内部沿其纵向范围延伸，使得芯区围绕轴的中心。轴的圆周表面是轴的外表面。第一和第二位置分别是轴外部的圆周区域。可存在构成这样的区域的有限数量的接触部分。可通过例如提供铜环制成的电极区域作为电极来提供真实接触区域。此外，导体的芯部可环绕在轴周围以提供导体(如电缆)和轴之间的无绝缘的良好电接触。

第一电流脉冲和第二电流脉冲可不在传感器元件的端面施加到传感器元件。第一电流脉冲的最大值可以是40-1400安培或60-800安培或75-600安培或80-500安培。电流脉冲的最大值可以是使得对传感器元件进行正确的编码。然而，由于可使用的不同的材料和传感器元件的不同形式以及传感器元件的不同尺寸，可根据这些参数调整电流脉冲的最大值。第二电流可具有相似的最大值或可具有比第一最大值小约10％、20％、30％、40％或50％的最大值。然而，第二脉冲还可具有比第一最大值高约10％、20％、40％、50％、60％或80％的更高的最大值。

这些脉冲的持续时间可相同。然而，第一脉冲可以具有比第二脉冲显著长的持续时间。然而，第二脉冲也可具有比第一脉冲更长的持续时间。

第一和/或第二电流脉冲可具有从脉冲的开始到最大值的第一持续时间，且可具有从最大值到脉冲基本上结束的第二持续时间。第一持续时间可明显长于第二持续时间。例如，第一持续时间可小于300ms，而第二持续时间可大于300ms。然而，还可以是第一持续时间小于200ms而第二持续时间大于400ms。同样，第一持续时间可以是20-150ms，而第二持续时间可以是180-700ms。

如上所述，不仅可施加多个第一电流脉冲，还可施加多个第二电流脉冲。传感器元件可由钢制成，而钢可包括镍。用于主传感器或传感器元件的传感器材料可以是如在DIN 1.2721或1.4313或1.4542或1.2787或1.4034或1.4021或1.5752或1.6928中所说明的50NiCr13或X4CrNi13-4或X5CrNiCuNb16-4或X20CrNi17-4或X46Cr13或X20Cr13或14NiCr14或S155。

可通过至少具有第一电极和第二电极的电极系统施加第一电流脉冲。第一电极位于第一位置或邻近第一位置，第二电极位于第二位置或邻近第二位置。

第一和第二电极中的每一个可具有多个电极引脚。第一和第二电极各自的多个电极引脚可在传感器元件的圆周设置，使得在第一和第二位置处，在轴的外圆周表面的多个接触点，传感器元件被第一和第二电极的电极引脚接触。

如上所述，可应用薄片状或二维电极表面，而不是电极引脚。例如，电极表面可适合于轴的表面，使得可确保电极和轴材料之间的良好接触。

至少一个第一电流脉冲和至少一个第二电流脉冲可施加到传感器元件，使得传感器元件具有磁编码区域，从而在与传感器元件表面基本垂直的方向上，传感器元件的磁编码区域具有一种磁场结构，使得在第一方向具有第一磁通，在第二方向具有第二磁通。第一方向可与第二方向相反。

在传感器元件的横截面图中，可具有第一方向和第一半径的第一环形磁通以及第二方向和第二半径的第二环形磁通。第一半径可大于第二半径。

此外，传感器元件可具有与第一位置相邻的第一约束区和与第二位置相邻的第二约束区。

可根据以下制造方法制造约束区。根据该方法，为形成第一约束区，在第一位置或与第一位置相邻的位置，将第三电流脉冲施加到传感器元件的圆周表面，使得在第二方向具有第三电流。该第三电流在沿第二方向偏离第一位置的第三位置处从传感器元件放出。

为形成第二约束区，在第二位置或与第二位置相邻的位置，可在圆周表面将第四电流脉冲施加到传感器元件，使得在第一方向具有第四电流脉冲。该第四电流在沿第一方向偏离第二位置的第四位置放出。

可提供包括具有磁编码区域的第一传感器元件的扭矩传感器，其中第一传感器元件具有表面。在与第一传感器元件的表面基本垂直的方向，第一传感器元件的磁编码区域可具有一种磁场结构，使得在第一方向具有第一磁通，在第二方向具有第二磁通。第一和第二方向可彼此相反。

扭矩传感器还可包括具有至少一个磁场检测器的第二传感器元件。该第二传感器元件可适于检测磁编码区域中的变化。更准确地说，该第二传感器元件可适于检测从第一传感器元件的磁编码区域发出的磁场的变化。

所述磁编码区域可沿着第一传感器元件的一部分纵向延伸，但不从第一传感器元件的一个端面延伸到第一传感器元件的另一个端面。换句话说，磁编码区域不是沿着第一传感器元件的全部，而是仅沿其部分延伸。

第一传感器元件可具有施加到第一传感器元件以改变磁编码区域或产生磁编码区域的至少一个电流脉冲或波动所导致的第一传感器元件的材料变化。该材料变化可通过例如施加电流脉冲的电极系统和相应传感器元件的表面之间的接触阻抗不同来产生。该变化可例如是烧痕或颜色变化或退火标记。

该变化可以在传感器元件的外表面，而不在第一传感器元件的端面，因为电流脉冲施加到传感器元件的外表面而不是其端面。

可提供在横截面具有在相反方向分布的至少两个环形磁回路的磁传感器的轴。该轴据信可根据上述制造方法制造。

此外，可提供具有同心设置的至少两个环形磁回路的轴。

可提供根据以下制造步骤制造的用于扭矩传感器的轴，其中首先对轴施加第一电流脉冲。对轴施加该第一电流脉冲使得沿着轴的纵轴在第一方向具有第一电流。第一电流脉冲使得该电流脉冲的施加在轴中产生磁编码区域。这可通过使用上述电极系统并施加上述电流脉冲来实现。

可提供对扭矩传感器的传感器元件施加电流浪涌的电极系统，该电极系统具有至少第一电极和第二电极，其中第一电极适合位于传感器元件的外表面上的第一位置。第二电极适合位于传感器元件的外表面上的第二位置。第一和第二电极适于在第一和第二位置施加和放出至少一个电流脉冲，使得产生传感器元件的芯区内的电流。所述至少一个电流脉冲使得在传感器元件的一部分生成磁编码区域。

电极系统可包括至少两组电极，每个电极包括多个电极引脚。每个电极的电极引脚沿圆环布置，使得在传感器元件的外表面的多个接触点处传感器元件与所述电极的电极引脚接触。

传感器元件的外表面不包括传感器元件的端面。

图1示出了根据本发明的扭矩传感器的示范性实施例。该扭矩传感器包括具有矩形横截面的第一传感器元件或轴2。第一传感器元件2基本上沿着X指示的方向延伸。在第一传感器元件2的中间部分，具有编码区域4。第一位置由附图标记10示出，表示编码区域的一端，第二位置由附图标记12指示，表示编码区域或要编码的区域4的另一端。箭头14和16指示电流脉冲的施加。如图1所示，第一电流脉冲在与第一位置10相邻或靠近的外部区域施加到第一传感器元件2。例如，如稍后更详细所述，电流在与第一位置靠近并且例如围绕第一传感器元件2的外表面的多个点或区域沿第一位置10引入第一传感器元件2。如箭头16所示，电流脉冲在靠近或邻近第二位置12的位置或在第二位置12(例如在的多个位置)处沿着要编码的区域4的端部从第一传感器元件2放出。如前所述，可连续施加多个电流脉冲，这些电流脉冲可具有从位置10到位置12或从位置12到位置10的交变的方向。

附图标记6表示第二传感器元件，第二传感器元件例如是连接到控制器电子装置8的线圈。控制器电子装置8可适于进一步处理第二传感器元件6输出的信号，使得可从控制电路输出与施加到第一传感器元件2的扭矩相对应的输出信号。控制电路8可以是模拟或数字电路。第二传感器元件6适于检测由第一传感器元件的编码区域4发出的磁场。

如上所述，据信如果没有应力或力施加到第一传感器元件2，则基本上第二传感器元件6检测不到场。然而，在对第一传感器元件2施加应力或力的情况下，编码区域发出的磁场有变化，从而第二传感器元件6检测到磁场从几乎不存在场的增加。

应注意根据本发明其它示范性实施例，即使没有应力施加到第一传感器元件，也可能有在第一传感器元件2的编码区域4外部或附近可检测的磁场。然而，应注意施加到第一传感器元件2的应力导致编码区域4发出的磁场变化。

以下，参照图2a、2b、3a、3b和4，说明根据本发明示范性实施例的制造扭矩传感器的方法。特别地，该方法涉及第一传感器元件2的磁编码区域4的磁化。

如从图2a可见，电流I被施加到要被磁编码的区域4的端部区域。如上所述该端部区域由附图标记10示出，且可以是第一传感器元件2的外表面上的圆周区域。电流I在附图标记12所示且称作第二位置的磁编码区域(或要磁编码的区域)的另一端部区域从第一传感器元件2放出。该电流是在第一传感器元件的外表面，例如在靠近或邻近位置12的区域在圆周取出。如位置10和12之间的虚线所示，电流I在位置10或沿位置10引入第一传感器元件，通过芯区或与芯区平行地流到位置12。换句话说，电流I流过第一传感器元件2中要被编码的区域4。

图2b示出沿从’的横截面图。在图2b的示意性表示中，以十字表示电流流入图2b的平面。此处示出电流在第一传感器元件2的横截面的中心部分。据信将具有上述或下述形状并具有上述或下述最大值的电流脉冲引入在横截面图中产生磁通结构20，该磁通结构20具有一个方向(此处顺时针方向)的磁通方向。图2b所示的磁通结构20基本上是圆形。然而，磁通结构20可适于第一传感器元件2的实际横截面，例如可以更像椭圆形。

图3a和3b示出根据本发明示范性实施例的方法的可在图2a和2b所示的步骤之后应用的步骤。图3a示出施加第二电流脉冲的根据本发明示范性实施例的第一传感器元件，图3b示出第一传感器元件2的沿BB’的横截面图。

如从图3a可见，与图2a相比，在图3a中箭头16所示的电流I在位置12或邻近位置12被引入传感器元件2，并在位置10或邻近位置10从传感器元件2放出或取出。换句话说，电流在图3a中，从在图2a中被引入的位置放出，反之亦然。这样，图3a中向第一传感器元件2引入和放出电流I可导致流过要被磁编码的区域4的电流与图2a中的相应电流相反。

在图3b中示出电流在传感器元件2的芯区。如从比较图2b和图3b可见，磁通结构22具有与图2b中的磁通结构20相反的方向。

如上所述，图2a、2b和3a以及3b中所示的步骤可单独应用或彼此连续地应用。当首先执行图2a和2b所示的步骤，然后执行图3a和3b所示的步骤时，可产生如图4中所示的通过编码区域4的横截面图中所表示的磁通结构。如从图4可见，两个电流结构20和22被一起编码到编码区域。这样，在与第一传感器元件2的表面基本上垂直的方向，在向着传感器元件2的芯部的方向，存在具有第一方向的第一磁通，并在其下存在具有第二方向的第二磁通。如图4所示，磁通方向可彼此相反。

因而如果没有扭矩施加到第一扭矩传感器元件2，两个磁通结构20和22可彼此抵消，使得在编码区域的外部基本上没有磁场。然而，在对第一传感器元件2施加应力或力的情况下，磁场结构20和22不再彼此抵消，从而在编码区域外部出现可通过次级传感器元件6检测的磁场。以下将对其进行更详细说明。

图5示出根据本发明示范性实施例的第一传感器元件2的另一示例，其可用在根据本发明示范性实施例的制造方法制造的根据示范性实施例的扭矩传感器中。如从图5可见，第一传感器元件2具有例如根据图2a、2b、3a、3b和4中所示的步骤和设置编码的编码区域4。

与位置10和12相邻设置了约束区域42和44。设置这些区域42和44以避免编码区域4的磨损。换句话说，约束区域42和44允许编码区域4具有更明确的开头和末尾。

简言之，可通过例如参照图2a所述相同的方式靠近或邻近第一位置10将电流38引入第一传感器元件2来适配第一约束区域42。然而，电流在距离靠近或在位置10的编码区域末端一段距离的第一位置30处从第一传感器元件2放出。该较远的位置由附图标记30表示。电流脉冲I的引入进一步由箭头38表示，其放出由箭头40表示。所述电流脉冲的形状形成最大值与上述相同。

为产生第二约束区域44，在距离靠近或邻近位置12一段距离的编码区域4的末端的位置32将电流引入第一传感器元件2。然后在或邻近位置12处从第一传感器元件2放出电流。电流脉冲I的引入由箭头34和36表示。

约束区域42和44例如使得这些约束区域42和44的磁通结构与相邻编码区域的对应相邻的磁通结构相反。如从图5可见，约束区域可在编码区域4的编码或完全编码之后被编码到第一传感器元件2。

图6示出没有编码区域4的本发明的另一示范性实施例。换句话说，根据本发明示范性实施例，约束区域可在磁编码区域4的实际编码之前被编码到第一传感器元件2。

图7示出用于制造根据本发明示范性实施例的扭矩传感器的第一传感器元件2的方法的简化流程图。

在步骤S1开始后，该方法继续到步骤S2，根据参照图2a和2b所述施加第一脉冲。在步骤S2之后，该方法继续到步骤S3，根据参照图3a和3b所述施加第二脉冲。

然后，该方法继续到步骤S4，判断是否对第一传感器元件2编码约束区域。如果在步骤S4判断出没有约束区域，该方法直接继续到步骤S7结束。

如果在步骤S4判断出要对第一传感器元件2编码约束区域，该方法继续到步骤S5，将第三脉冲沿箭头38和40所示的方向施加到约束区域42，并沿箭头34和36所示的方向施加到约束区域44。然后，该方法继续到步骤S6，对各约束区域42和44施加第四脉冲。对约束区域42施加方向与箭头38和40所示的方向相反的第四脉冲。同样，对约束区域44施加方向与箭头34和36相反的第四脉冲。然后，该方法继续到步骤S7结束。

换句话说，例如施加两个脉冲以对磁编码区域4编码。这些电流脉冲例如具有相反的方向。此外，将各自具有相应方向的两个脉冲施加到约束区域42和约束区域44。

图8示出施加到磁编码区域4和约束区域的脉冲的电流与时间关系图。图8的y轴正方向指示x方向的电流，y轴负方向指示y方向的电流。

如图8所示，为了编码磁编码区域4，首先施加具有x方向的电流脉冲。如从图8可见，该脉冲的上升沿非常陡，而下降沿与上升沿相比具有较长的方向。如图8所示，该脉冲可具有约75安培的最大值。在其它应用中，该脉冲可不象图8所示这样陡。然而，上升沿应比下降沿更陡，或具有更短的持续时间。

然后，对编码区域4施加方向相反的第二脉冲。该脉冲可具有与第一脉冲相同的形状。然而，第二脉冲的最大值也可不同于第一脉冲的最大值。尽管脉冲的直接外形可不同。

图8所示的编程方案特别适于第一次磁化的轴。

然后，为了编码约束区域，可如参照图5和图6所述对约束区域施加与第一和第二脉冲相似的脉冲。这样的脉冲可同时也可连续施加到各约束区域。如图8所示，所述脉冲可具有与第一和第二脉冲基本上相同的形状。然而，最大值可较小。

图9示出根据本发明示范性实施例的扭矩传感器的第一传感器元件的另一示范性实施例，示出用于施加电流脉冲以编码磁编码区域4的电极设置。如从图9可见，无绝缘的导体可环绕第一传感器元件2，如从图9可见，该第一传感器元件2可以是具有圆形横截面的圆轴。为了确保导体在第一传感器元件2的外表面上的紧密配合，应如箭头64所示夹紧导体。

图10a示出根据本发明示范性实施例的第一传感器元件的另一示范性实施例。此外，图10a示出根据本发明示范性实施例的电极系统的另一示范性实施例。图10a所示的电极系统80和82通过三角形第一传感器元件的在要编码为磁编码区域的区域4的每一侧上的各相处的两个接触点接触具有三角形横截面的第一传感器元件2。总之，在区域4的各侧具有六个接触点。每个接触点可彼此连接，然后连接到一个单独的接触点。

如果在电极系统和第一传感器元件2之间仅存在有限数量的接触点，且如果所施加的电流脉冲非常高，则电极系统的接触部和第一传感器元件2的材料之间的不同的接触电阻可在与电极系统接触的点处在第一传感器元件2上造成烧痕。该烧痕90可以是颜色变化、焊斑、退火区域或仅是烧痕。根据本发明示范性实施例，增加接触点的数量或甚至提供接触面使得可避免这样的烧痕90。

图11示出第一传感器元件2的另一示范性实施例，该第一传感器元件2是具有根据本发明示范性实施例的圆形横截面的轴。如从图11可见，磁编码区域在第一传感器元件2的端部区域。根据本发明示范性实施例，磁编码区域4不在第一传感器元件2的整个长度上延伸。如从图11可见，其可位于第一传感器元件2的一端。然而，应注意根据本发明示范性实施例，电流脉冲是从第一传感器元件2的圆周表面而不是从第一传感器元件2的端面100施加的。

下面将详细说明所谓的PCME(脉冲电流调制编码)传感技术。根据本发明示范性实施例，可实施该技术以磁化可磁化对象，然后根据本发明对该对象部分去磁。下面将在扭矩传感的环境中部分地说明PCME技术。然而，也可以在位置传感的环境中实现该概念。

在该说明书中有多个缩略语，因为如果不使用这些缩略语的话一些解释和说明会难以阅读。尽管缩略语“ASIC”、“IC”、“PCB”已经是市场标准定义，还有许多特别与基于磁致收缩的NCT传感技术有关的术语。应注意在该说明书中，当提及NCT技术或PCME时，指的是本发明的示范性实施例。

表1示出在以下对PCME技术的说明中所使用的缩略语列表。

表1：缩略语列表

缩略语	解释	种类
			ASIC	专用IC	电子装置
DF	双场	主传感器
			EMF	地磁场	测试标准
FS	满刻度	测试标准
			Hot-Spotting	对附近铁磁材料的灵敏度	规格
IC	集成电路	电子装置
			MFS	磁场传感器	传感器组件
NCT	无接触扭矩	技术
			PCB	印刷电路板	电子装置
PCME	脉冲电流调制编码	技术
			POC	概念证据
RSU	旋转信号均匀性	规格
			SCSP	信号调节&信号处理	电子装置
SF	单独场	主传感器
			SH	传感器主体	主传感器
SPHC	轴处理保持夹具	处理工具
			SSU	次级传感器单元	传感器组件

基于磁原理的机械应力传感技术允许设计和生产可在使用铁磁材料的场合应用的多种“物理参数传感器”(如力传感、扭矩传感和材料诊断分析)。用来构造“基于磁原理”的传感器的最通用的技术是：感应差分位移测量(需要扭力轴)，测量材料磁导率的变化并测量磁致伸缩效应。

在过去20年，多家不同的公司(即ABB、FAST、Frauenhofer研究院、FT、Kubota、MDI、NCTE、RM、Siemens等)开发了自己的关于如何设计和生产基于磁原理的扭矩传感器的非常特别的解决方案。这些技术处于不同开发阶段，并在“如何工作”、可获得的性能、系统可靠性以及制造/系统成本方面不同。

一些这样的技术要求对要测量扭矩的轴进行机械改变(chevron)，或依赖于机械扭矩效应(需要在扭矩作用下扭曲的长轴)，或需要将某物附着于轴自身(将特定属性的环压配合到轴表面)，或用特定材料涂敷轴表面。还没有人掌握可应用于(几乎)任何轴尺寸、获得严格的性能裕度、且不基于已有技术专利的大批量制造工艺。

下面说明一种基于磁致伸缩原理的无接触扭矩(NCT)传感技术，该技术向用户提供大量新特征和改进性能，这在之前是不可能的。该技术使得能够实现全集成(占用空间小)、实时(高信号带宽)的扭矩测量，该技术可靠并可以以支付得起的成本生产任意期望的数量。该技术称作：PCME(脉冲电流调制编码)或磁致伸缩横向扭矩传感器。

PCME技术可应用到轴，而不需要对轴进行任何机械变化，也不需要将任何物附着到轴。更重要的是，PCME技术可应用到任何轴直径(大部分其它技术对此有限制)且在编码处理期间不需要转动/旋转轴(非常简单和低成本的制造工艺)，这使得该技术非常适用于大批量应用。

以下将说明磁场结构(传感器原理)。

传感器寿命依赖于“闭环”磁场设计。PCME技术基于两个磁场结构，存储彼此之上，并在相反方向分布。当没有扭矩应力或运动应力施加到轴(也称作传感器主体(sensor host)，或SH)时，SH将表现为磁中性(在SH外部感测不到磁场)。

图12示出两个磁场存储在轴中并在首尾相接环中分布。外部磁场在一个方向运行，而内部磁场在相反方向运行。

图13示出PCME传感技术使用存储在彼此上方的两个反循环磁场环路(Picky-Back模式)。

当在PCME磁化的SH(传感器主体或SH)的两端施加机械应力(如往复运动或扭矩)时，则两个磁结构(或环路)的磁通线将与所施加的扭矩成比例地倾斜。

如图14所示，当没有机械应力施加到SH时，磁通线沿其原路径分布。当施加了机械应力时，磁通线与所施加的应力(像线性移动或扭矩)成比例地倾斜。

根据所施加的扭矩方向(相对于SH，顺时针方向或逆时针方向)，磁通线将向右或向左倾斜。当磁通线到达磁编码区域的边界时，来自上层的磁通线与来自下层的磁通线联合，反之亦然。这将形成良好控制的螺旋形。

这样的磁场结构的好处是：

□当对SH施加机械应力时减小(几乎消除)了寄生磁场结构(这将导致更好的RSU性能)。

□因为当生成与机械压力相关的信号时有两个互补的“活动”层，传感器输出信号斜率更高。解释：当使用单层传感器设计时，在编码区域边界出来的“倾斜”磁通线必须创建从一个边界侧到另一个的“返回通路”。该努力影响次级传感器单元在SH外可感测和测量多少信号。

□对于应用PCME技术的SH(轴)的尺寸维度没有限制。双层磁场结构可适用于任何实心或空心轴维度。

□物理维度和传感器性能在很大范围内可编程，因此可适应目标应用。

□该传感器设计允许测量来自所有三维轴的机械应力，包括施加到轴(可用作测压元件)的轴向力。解释：早期的(例如FAST技术的)磁致伸缩传感器设计局限于仅在2维轴灵敏，而不能测量轴向力。

参照图15，当对SH施加扭矩时，来自两个反循环磁环的磁通线在传感器区域的边界处彼此连接。

当对SH施加机械扭矩应力时，磁场将不再绕圆环运行，而是与所施加的扭矩应力成比例地稍微倾斜。这将导致来自一层的磁力线与另一层的磁力线连接，这样就形成了螺旋形。

参照图16，示出了当对SH施加高扭矩时磁通线如何形成有角度螺旋结构的放大或理想表示。

以下将说明PCM编码(PCME)处理的特征和好处。

根据本发明的NCTE磁致伸缩NCT传感技术提供如下高性能传感特征：

□在传感器主体上不需要机械变化(可使用已存在的轴)

□不需要将任何东西附着到传感器主体上(因此不会有什么来减少或改变轴寿命＝高MTBF)

□在测量期间SH可转动，往复或以任何期望速度运动(对rpm无限制)

□非常良好的RSU(旋转信号一致性)性能

□优秀的测量线性度(高达FS的0.01％)

□高测量可重复性

□非常高的信号分辨率(优于14位)

□非常高的信号带宽(优于10kHz)

根据选择的磁致伸缩传感技术类型和选择的物理传感器设计，机械功率传送轴(也叫“传感器主体”或简称“SH”)可照原样使用，而不对其进行任何机械改变或对该轴附着任何东西。这被称作“真正”无接触扭矩测量原理，允许轴在两个方向以任意期望速度自由转动。

在此所述的根据本发明示范性实施例的PCM编码(PCME)制造过程提供了其它磁致伸缩技术不能提供的另外的特征(该技术的唯一性)：

□与其它磁致伸缩编码处理(如FAST的“RS”处理)相比信号强度大三倍多。

□简单容易的轴加载处理(高制造产量)。

□在磁编码过程中没有移动组件(低复杂性制造装备＝高MTBF，和更低成本)。

□工艺允许NCT传感器被“精细调整”以获得百分之一小数的目标精度。

□制造过程允许轴在相同的处理周期“预处理”和“后处理”(高制造产量)。

□传感技术和制造过程是比例计量，因此适用于所有轴或管直径。

□PCM编码处理可以在SH已组装的情况下应用(依赖于可接近性)(维护友好性)。

□最终的传感器对轴向轴移动不敏感(实际允许的轴向轴移动依赖于磁编码区域的物理“长度“)。

□当不对SH施加力(如扭矩)时，磁编码SH保持中性，且具有很少甚至没有磁场。

□对所有三维轴的机械力敏感。

以下将说明SH中的磁通分布。

PCME处理技术基于使用经过SH(传感器主体或轴)的电流以实现对铁磁材料的期望的永久磁编码。为实现所期望的传感器性能和特征，需要非常特定和良好控制的电流。使用DC电流的早期实验未能成功，因为不了解多小或多大量的DC电流流过导体(在本例中“导体”是机械功率传送轴，也称作传感器主体或简称“SH”)。

参照图17，示出了导体中的假定电流密度。

普遍假定当电流(DC)经过导体时，导体中的电流密度在导体的整个横截面均匀分布。

参照图18，示出了形成把电流路径束缚在导体中的磁场的小电流。

我们的经验是当小电流(DC)经过导体时电流密度在导体的中心最高。两个主要原因是：经过导体的电流生成磁场，将电流路径一起束缚在导体中心，且在导体的中心阻抗最低。

参照图19，示出了导体中小电流的典型流动。

然而，实际上电流可以不沿从一个连接极到另一个连接极的“直”线(与天空中闪电的形状相似)流动。

一定电平的电流所生成的磁场足够导致铁磁轴材料的永久磁化。由于电流在SH的中心或其附近流动，永久存储的磁场将位于相同的位置：在SH中心或其附近。当对轴施加机械扭矩或线性力以振荡/往复运动时，轴内部存储的磁场将通过根据所施加的机械力倾斜其磁通路径来响应。由于永久存储的磁场位于轴表面以下较深处，可测量的效应非常小、不均匀，因此不足以构造可靠的NCT传感器系统。

参照图20，示出导体中处于饱和电平的均匀电流密度。

仅在饱和电平电流密度才在导体的整个横截面均匀分布(当施加DC时)。获得该饱和电平的电流量非常大，且主要受所使用的导体的横截面和导电率(阻抗)的影响。

参照图21，示出在导体表面或其以下流过的电流(集肤效应)。

普遍假定当交变电流(如射频信号)流过导体时，信号经过导体的表层，称作集肤效应。所选择的交变电流的频率限定集肤效应的“位置”和“深度”。在高频，电流将正好在导体表面或其附近流动(A)，而在低频(对20mm直径SH，为5-10Hz)，交变电流将更多地穿过轴横截面的中心(E)。此外，与非常低的AC频率下轴中心附近的相对电流密度相比(因为有更多电流流过的空间)，在较高AC频率下，电流占据区域中相对电流密度更高。

参照图22，示出当不同频率的交变电流经过导体时该电导体(与电流成90度的横截面)的电流密度。

所期望的PCME传感器技术的磁场设计是存储在位于彼此上方的两层中且在彼此相反的方向分布(反循环)的两个环形磁场结构(Picky-Back)。

再次参照图13，示出期望的磁传感器结构：两个无终点磁环路位于彼此上方，以彼此相反的方向运行：反循环“Picky-Back”场设计。

为使该磁场设计对将施加到SH(轴)的机械应力高度敏感，并产生尽可能大的传感器信号，期望的磁场结构必须尽量靠近轴表面。使环形磁场靠近SH的中心将导致用户可用的传感器输出信号斜率的衰减(大部分传感器信号将行经铁磁轴材料，因为其与空气相比具有更高的磁导率)，并增加(与轴相对于次级传感器的转动和轴向移动相关)传感器信号的非均匀性。

参照图23，示出存储在轴表面附近和存储在轴中心附近的磁场结构。

当使用AC(交变电流)时，由于所生成的磁场的极性不断变化，可能难以获得SH的期望永久磁编码，因此可用作消磁系统。

PCME技术需要强电流(“单极性”或DC，以防止所期望磁场结构的消磁)正好在轴表面以下流过(以确保传感器信号均匀且在轴外部可测量)。另外需要形成反循环“picky back”磁场结构。

可通过相继将两个反循环磁场结构存储在轴中将其置入轴中。首先将内层存储在SH中，然后通过使用更弱的磁力(防止内层被中和并被无意删除)存储外层。为实现该目的，可按照在FAST技术的专利中所述应用已知的“永久”磁编码技术，或通过使用电流编码和“永久”磁编码的结合。

更简单快速的编码处理“仅”使用电流来实现期望的反循环“Picky-Back”磁场结构。此处最具挑战性的部分是产生反循环磁场。

均匀电流将产生与电流方向成90度角绕电导体运行的均匀磁场(A)。当并排放置两个导体时(B)，则两个导体之间的磁场好象抵消彼此的效应(C)。尽管仍然存在，但是在紧密放置的两个导体之间没有可检测(或可测量)的磁场。当并排放置多个电导体时(D)，“可测量”磁场好象围绕“平坦”形状导体的表面外部。

参照图24，示出了从具有均匀电流流过其中的电导体的横截面看时的磁效应。

现在将“平坦”或矩形导体弯成“U”形。当电流流过“U”形导体时，跟随“U”形的外尺寸的磁场抵消“U”的内半部中的可测量效应。

参照图25，当电流流过“U”形导体时，该导体内部的区域好象磁“中性”。

当没有机械应力施加到“U”形导体的横截面上时，在“U”内部好象不存在磁场(F)。但是当弯曲或扭曲“U”形导体时，磁场将不再跟随其原始路径(与电流成90度角)。根据所施加的机械力，磁场开始稍微改变其路径。此时在导体表面、“U”形内外，可感测并测量由机械应力所导致的磁场矢量。注意：该现象仅在非常特定的电流电平适用。

同样的原理适用于“O”形导体设计。当在“O”形导体(管)中流过均匀电流时，在“O”(管)内可测量的磁场效应彼此抵消(G)。

参照图26，当电流流过导体时，“O”形导体内的区域好象磁“中性”。

然而，当对“O”形导体(管)施加机械应力时，显然在“O”形导体的内侧存在磁场。内部的反向磁场(以及外部磁场)开始根据所施加的扭矩应力倾斜。该倾斜场可清楚感测和测量。

以下将说明编码脉冲设计。

为实现SH内所期望的磁场结构(反循环、Picky-Back、场设计)，根据本发明方法的示范性实施例，使单极电流脉冲通过轴(或SH)。通过使用“脉冲”可实现所期望的“集肤效应”。通过使用“单极”电流方向(不改变电流的方向)，不会无意地消除所产生的磁效应。

所使用的电流脉冲形状对于实现所期望的PCME传感器设计是最重要的。每个参数都需要准确且可重复地控制：电流上升时间、恒流接通时间、最大电流幅度和电流下降时间。此外电流在整个轴表面非常均匀地进入和出来也非常重要。

以下将说明矩形电流脉冲形状。

参照图27，示出矩形电流脉冲。

矩形电流脉冲具有快速上升的正沿和快速下降的电流沿。当矩形电流脉冲通过SH时，上升沿负责形成PCME传感器的目标磁结构，而矩形电流脉冲的平坦“接通”时间和下降沿产生相反结果(counter productive)。

参照图28，示出矩形电流编码脉冲宽度(恒流接通时间)和传感器输出信号斜率之间的关系。

在以下例子中，使用矩形电流脉冲在15mm直径的14CrNi14轴中产生并存储反循环“Picky-Back”场。脉冲电流具有270安培左右的最大值。脉冲“接通时间”通过电子方式控制。因为编码脉冲的上升沿和下降沿的高频分量，该实验不能真实表现真正的DC编码SH的效应。因此传感器输出信号斜率曲线在经过1000ms的恒流接通时间时，最终变平为约20mV/Nm。

在不使用快速上升电流脉冲沿(像使用受控斜坡斜率)的情况下，传感器输出信号斜率将非常低(低于10mV/Nm)。注意：在该实验中(使用14C rNi14)信号滞后为FS信号的约0.95％(FS＝75Nm扭矩)。

参考图29，示出通过连续使用几个矩形电流脉冲增加传感器输出信号斜率。

当连续使用几个矩形电流编码脉冲时，可改善传感器输出信号斜率。与其它编码脉冲形状相比，矩形电流脉冲的快速下降电流脉冲信号斜率将防止传感器输出信号斜率到达最佳性能水平。这意味着在仅在对SH(或轴)施加几个电流脉冲(2-10)之后，传感器输出信号斜率将不再增加。

以下说明放电电流脉冲形状。

放电电流脉冲没有恒流接通时间，且没有快速下降沿。因此在对SH磁编码中，主要且最能感测的效应是该电流脉冲类型的快速上升沿。

如图30所示，当产生PCME传感器时，陡的上升电流沿和典型放电曲线提供最好的结果。

参照图31，示出通过识别正确的脉冲电流的PCME传感器对输出信号斜率进行优化。

在脉冲电流范围的最低端(对于15mm直径，14CrNi14轴材料，为0-75A)，“放电电流脉冲类型”不够强，因而不能穿过创建铁磁轴内部的持续磁场所需的磁阈值。当增加脉冲电流幅度时，双环磁场结构开始在轴表面下形成。随着脉冲电流幅度增加，次级传感器系统的可获得的扭矩传感器输出信号幅度也增加。在约400A-425A，达到最佳PCME传感器设计(两个反流磁区域到达了对于最佳传感器性能最佳的距离和正确磁通密度)。

参照图32，示出了在编码脉冲期间具有最佳PCME电流密度和位置的传感器主体(SH)横截面。

当进一步增加脉冲电流幅度时，与扭矩力相关的绝对传感器信号幅度将进一步增加(曲线2)一段时间，而总的PCME典型传感器性能将减小(曲线1)。当流过900A的脉冲电流幅度时(对于15mm直径的轴)，与扭矩力相关的绝对传感器信号幅度也将开始下降(曲线2)，而PCME传感器性能非常差(曲线1)。

参照图33，示出了在不同且逐渐增加的脉冲电流电平下，传感器主体(SH)的横截面和电脉冲电流密度。

随着电流在SH中占据的横截面增大，内环区域和外(靠近轴表面)环区域之间的间隔变得更大。

参照图34，当反循环“Picky-Back”场设计之间的间隔窄(A)时实现更好的PCME传感器性能。

所期望的双反流环形磁场结构在扭矩力下创建闭环结构的能力将较弱，这会导致减小次级传感器信号幅度。

参照图35，使电流放电曲线变平也将增加传感器输出信号斜率。

当增加电流脉冲放电时间时(使电流脉冲更宽)时(B)，传感器输出信号斜率将增加。然而，减小电流脉冲的下降沿的斜率所需的电流量非常高。使用高电流幅度(具有最佳值)和尽可能低的放电时间结合以实现尽可能高的传感器输出信号斜率可能更实际。

以下将说明主传感器处理框架中的电连接装置。

PCME技术(应注意术语“PCME”技术用来指本发明的示范性实施例)依赖于在应生成主传感器的位置使非常高的脉冲调制的电流通过轴。当轴的表面非常干净且高度传导时，多点铜或金连接可足以实现所期望的传感器信号均匀性。重要的是各连接点到轴表面的阻抗相同。这一点在电缆与主电流连接点(I)连接之前确保电缆长度(L)相同时可最好地实现。

参照图36，示出到轴表面的简单的电多点连接。

然而，在大多数情况下，仅可通过确保在各连接点的阻抗相同并恒定来实现可靠和可重复的多点电连接。使用弹簧推压的尖锐的连接器将刺穿轴表面可能有的氧化或绝缘层(可能由指纹引起)。

参照图37，示出具有弹簧加载的接触点的多通道电连接固定件。

当处理轴时，最重要的是电流以尽可能均匀的方式被注入轴和从轴提取。上图示出在轴周围的由固定件保持的彼此绝缘的几个电连接器。该装置称作轴处理保持夹具(或SPHC)。SPHC中所需的电连接器的数目依赖于轴外径。外径越大，需要的连接器越多。相邻连接之间的电连接器之间的间隔必须相同。该方法称作对称“点”接触。

参照图38，示出了增加电连接点的数目将有助于输入并放出脉冲调制电流。还将增加所需电子控制系统的复杂性。

参照图39，示出了如何打开SPHC以进行容易的轴装载的例子。

以下将说明主传感器处理的框架中的编码方案。

可通过使用在转动的轴处施加的永磁铁或使用通过轴的期望部分的电流来进行主轴的编码。当使用永磁铁时，需要非常复杂的顺序处理以将闭环磁场的两层在轴中置于彼此上方。当使用PCME处理时，电流需要以尽可能对称的方式进入轴和从轴出来以实现期望的性能。

参照图40，SPHC(轴处理保持夹具)置于计划的传感编码区域的边界处。脉冲电流(I)通过一个SPHC进入轴，而脉冲电流(I)在第二SPHC从轴出来。两个SPHC之间的区域将变成主传感器。

该特定传感器处理将产生单场(SF)编码区域。该设计的一个好处(与以下说明的相比)是该设计对关于次级传感器装置位置的任何轴向移动不敏感。该设计的缺点是当使用轴向(或同轴)放置的MFS线圈时系统将对杂散磁场(如地磁场)敏感。

参照图41，双场(DF)编码区域(指并排的具有相反极性的两个独立起作用的传感器区域)允许当使用轴向(或同轴)放置的MFS线圈时抵消均匀杂散磁场的效应。然而，该主传感器设计也缩短轴在轴向移动(相对于MFS线圈的位置)的容许范围。有两种方式利用PCME技术产生双场(DF)编码区域。一种是顺序处理，其中相继产生磁编码部分，另一种是并行处理，其中同时产生两个磁编码部分。

顺序双场设计的第一处理步骤是磁编码一个传感器部分(与单场步骤相同)，其中两个SPHC之间的间隔必须是主传感器区域的期望最终长度的一半。为简化该过程的说明，我们将位于最终主传感器区域中心的SPHC称作中心SPHC(C-SPHC)，将位于中心SPHC左侧的SPHC称作L-SPHC。

参照图42，顺序双场编码的第二处理步骤使用位于主传感器区域中心的SPHC(称作C-SPHC)和位于中心SPHC另一侧(右侧)的称作R-SPHC的第二SPHC。重要的是中心SPHC(C-SPHC)中的电流方向在两个处理步骤中相同。

参照图43，最终主传感器区域的性能依赖于两个编码区域彼此放置得多近。且这依赖于所使用的中心SPHC的设计。C-SPHC的同轴空间接触尺寸越窄，双场PCME传感器的性能越好。

图44示出根据本发明另一示范性实施例的脉冲施加。从上图可见，脉冲施加到轴的三个位置。由于电流分布在电流I进入轴处的中间电极的两侧，在侧电极离开轴的电流仅是在中间电极输入的电流的一半，即1/2I。图中示出电极为其尺寸适配于轴外表面的尺寸的环。然而，应注意可使用其它电极，如下文中稍后说明的包括多个引脚电极的电极。

参照图45，示出当不对轴施加扭矩或线性移动应力时，双场PCME传感器设计的两个传感器部分的磁通方向。反流磁通环彼此不影响。

参照图46，当在特定方向施加扭矩力或线性应力时，磁通环开始在轴内部以增加的倾斜角度运行。当倾斜的磁通到达PCME段边界时磁通线与反流的磁通线彼此作用，如图所示。

参照图47，当施加的扭矩方向改变时(例如从顺时针改为逆时针)，PCM编码轴内部的反流磁通结构的倾斜角度也将改变。

以下将说明用于轴处理的多通道电流驱动器。

在不能保证到轴表面的电流路径的绝对相同阻抗的情况下，可以使用电流控制的驱动器级来克服该问题。

参照图48，示出用于小直径传感器主体(SH)的六通道同步脉冲电流驱动器系统。随着轴直径增加，电流驱动器通道的数目也将增加。

以下将说明黄铜环接触和对称“点”接触。

当轴直径较小且轴表面干净且在期望感测的区域没有任何氧化时，可选择简单的黄铜环(或铜环)接触方法来处理主传感器。

参照图49，可使用紧密配合到轴表面的黄铜环(或铜环)，其中电线采用的焊接连接。两个黄铜环(或铜环)之间的区域是编码区域。

然而，可获得的RSU性能比使用对称“点”接触方法时很可能低得多。

以下将说明热点概念。

标准单场(SF)PCME传感器具有非常差的热点性能。SF PCME传感器段的外部磁通分布(当施加扭矩时)对附近环境的可能的改变(与铁磁材料有关)非常敏感。由于没有良好地限定(没有“约束”)SF编码传感器段的磁边界，它们可能向铁磁材料所在的PCME传感区域附近的方向延伸。

参照图50，PCME处理磁化传感区域对可能与感测区域的边界邻近的铁磁材料非常敏感。

为减小热点传感器敏感性，PCME传感器段边界必须通过约束来更好地限定(它们不能再移动)。

参照图51，示出具有两个“约束场区域”的PCME处理的感测区域，感测区域的每侧有一个。

通过将约束区域靠近地设置在感测区域的每一侧，感测区域边界被约束到非常具体的位置。当铁磁材料靠近感测区域时，可能对约束区域的外边界具有影响，但是对感测区域边界影响非常有限。

根据本发明示范性实施例，存在处理SH(传感器主体)以得到单场(SF)感测区域和分别位于感测区域两侧的两个双约束区域的多种不同方式。各区域可以相继处理(顺序处理)，也可以两个或三个同时处理(并行处理)。并行处理提供更均匀的传感器(寄生场减少)，但是需要更高电平的电流以获得目标传感器信号斜率。

参照图52，示出单场(SF)PCME传感器的并行处理例子，其中在主感测区域的任一侧具有约束区域，以减小(或甚至消除)热点。

双场PCME传感器对热点的效应较不敏感，因为传感器中心区域已被约束。然而，通过在双场传感器区域任一侧设置约束区域来进一步减小剩余热点敏感性。

参照图53，示出具有约束区域的双场(DF)PCME传感器。

当不允许或不可能有约束区域时(例：有限的可用轴向间隔)，感测区域必须磁屏蔽外部铁磁材料的影响。

以下将解释转动信号均匀性(RSU)。

根据目前理解，RSU传感器性能主要依赖于电流进入和流出SH表面时沿圆周的均匀度多高，以及电流进入和流出点之间的物理间隔。电流进入和流出点之间的间隔越大，RSU性能越好。

参照图54，当各个沿圆周设置的电流进入点之间的间隔相对于轴直径较大时(且沿圆周设置的电流流出点同样大)，则会导致非常差的RSU性能。在该情况下PCM编码段的长度必须尽可能大，否则所产生的磁场将沿圆周不均匀。

参照图55，通过加宽PCM编码段，在电流进入和电流流出点之间的一半距离处磁场沿圆周分布将更均匀(且最终几乎完美)。因此PCME传感器的RSU性能在电流进入/电流流出点之间的一半点处最佳。

下面说明NCT传感器系统的基本设计事项。

不探究PCM编码技术的具体细节，该感测技术的最终用户需要知道允许其在其应用中应用和使用该感测概念的一些设计细节。下文说明基于磁致伸缩的NCT传感器(像主传感器、次级传感器和SCSP电子装置)的基本元素，单个组件怎么样，以及当该技术集成到已有产品中时需要做什么选择。

原则上可使用PCME感测技术来制造独立的传感器产品。然而，在已有工业应用中几乎没有空间可用于“独立”产品。PCME技术可用在已有产品中，而不需要重新设计最终产品。

在独立扭矩传感器装置或位置检测传感器装置应用于电机传动系统的情况下，可能需要对整个系统进行主要的设计改变。

以下参照图56说明PCME传感器在引擎轴上的可能位置。

图56示出根据本发明示范性实施例的扭矩传感器在例如汽车的齿轮箱中的可能的设置位置。图56的上面部分示出根据本发明示范性实施例的PCME扭矩传感器的设置。图56的下面部分示出独立传感器装置的设置，该独立传感器没有象在本发明示范性实施例中一样集成在齿轮箱的输入轴中。

如从图56的上面部分可见，根据本发明示范性实施例的扭矩传感器可集成到齿轮箱的输入轴中。换句话说，主传感器可以是输入轴的一部分。换句话说，输入轴可被磁编码，从而自身变成主传感器或传感器元件。次级传感器(即线圈)可例如容纳在靠近输入轴的编码区域的轴承部分中。因此为了在电源和齿轮箱之间提供扭矩传感器，不需要中断输入轴并提供到电机的轴和到齿轮箱的另一轴之间的独立的扭矩传感器，如图56的下面部分所示。

由于编码区域集成在输入轴中，可在不对例如汽车的输入轴进行任何改变的情况下提供扭矩传感器。这在例如飞机的部件中非常重要，其中每个部件必须经过大量的试验才允许在飞机上使用。根据本发明的该扭矩传感器甚至可能不必经过大量的试验即可结合在飞机或涡轮的轴中，因为不改变当前轴。此外，对轴的材料不产生实质影响。

此外，如图56所示，根据本发明示范性实施例的扭矩传感器可允许减小齿轮箱和功率源之间的距离，因为在从功率源出来的轴和齿轮箱的输入轴之间提供分离的独立扭矩传感器变得更加明显。

下面解释传感器组件。

如图57所示，根据本发明示范性实施例，无接触磁致伸缩传感器(NCT传感器)可包括三个主要功能元件：主传感器、次级传感器和信号调节&信号处理(SCSP)电子装置。

依赖于应用类型(数量和质量需求、目标制造成本、制造工艺流程)，用户可选择购买单独的组件以在自己管理下构造传感器系统，或可转包单独模块的生产。

图58示出无接触扭矩感测装置的组件的示意图。然而，这些组件也可在无接触位置感测装置中实现。

在每年生产目标以千为单位的情况下，将“主传感器磁编码工艺”集成到用户的制造过程中效率会更高。在该情况下，用户需要购买专用“磁编码装备”。

在制造工艺的成本和完整性至关重要的大量应用中，一般NCTE仅提供构造无接触传感器所需的单独基本组件和装备：

□IC(表面安装封装，专用电子电路)

□MFS线圈(作为次级传感器的一部分)

□传感器主体编码装备(在轴上应用磁编码＝主传感器)

根据所需要的量，MFS线圈可以组装在框架上，且如果需要的话可电附着到带有连接器的线束再供货。同样，SCSP(信号调节&信号处理)电子装置可以PCB格式全功能供货，MFS线圈可以嵌入或不嵌入PCB中。

图59示出感测装置的组件。

如图60所示，所需的MFS线圈的数目依赖于所期望的传感器性能和物理传感器设计的机械公差。在具有完美传感体主体(SH或磁编码轴)且不利的杂散磁场的干扰最小的良好设计的传感器系统中，仅需要两个MFS线圈。然而，如果SH相对于次级传感器位置径向或轴向移动十分之几毫米，则MFS线圈的数目需要增加以实现所期望的传感器性能。

以下将解释控制和/或估计电路。

根据本发明示范性实施例，SCSP电子装置包括NCTE专用IC、多个外部无源和有源电子电路、印刷电路板(PCB)和SCSP外壳或封装。基于使用SCSP单元的环境，封装需要被恰当密封。

基于应用的具体需求，NCTE(根据本发明示范性实施例)提供多种不同的专用电路：

□基本电路

□具有集成调压器的基本电路

□高信号带宽电路

□可选高压和短路保护装置

□可选故障检测电路

图61示出一种单通道低成本传感器电子装置方案。

如图61所示，可提供包括例如线圈的次级传感器单元。例如如图60所示设置这些线圈以感测当对主传感器单元施加扭矩时从主传感器单元，即传感器轴或传感器元件发出的磁场变化。次级传感器单元连接到SCST中的基本IC。基本IC通过调压器连接到正电源电压。基本IC还接地。基本IC适配成向SCST的外部提供模拟输出，该输出对应于施加到传感器元件的应力所导致的磁场变化。

图62示出具有集成故障检测的双通道短路保护系统设计。该设计包括5个ASIC装置并提供高度的系统安全性。故障检测IC识别何时在传感器系统的任何部位存在断线、MFS线圈故障或“基本IC”的电子驱动器级中的故障。

下面解释次级传感器单元。

根据图63所示的实施例，次级传感器可包括以下元件：一到八个MFS(磁场传感器)线圈、排列&连接板、具有连接器的线束和次级传感器外壳。

MFS线圈可安装到排列板上。通常排列板允许每个MFS线圈的两个连接线以恰当方式焊接/连接。线束连接到排列板。MFS线圈和线束组装完成后的装置被次级传感器外壳嵌入或保持。

MFS线圈的主要元件是必须由类无定型材料制成的芯线。

基于使用次级传感器单元的环境，组装的排列板必须被保护性材料覆盖。当环境温度变化时该材料不能导致在MFS线圈上的机械应力或压力。

在操作温度不会超过+110摄氏度的应用中，用户可选择将SCSP电子装置(ASIC)放入次级传感器单元(SSU)中。尽管ASIC装置可在高于+125摄氏度的温度下操作，但补偿温度相关的信号偏移和信号增益改变将更加困难。

MFS线圈和SCSP电子装置之间的推荐最大电缆长度为2米。当使用合适的连接电缆时，可获得高达10米的距离。为避免多通道应用(在相同的主传感器位置操作的两个独立的SSU＝冗余的传感器功能)中的信号串扰，应考虑SSU和SCSP电子装置之间使用特别屏蔽的电缆。

当计划生产次级传感器单元(SSU)时，生产商必须决定SSU的哪些部分必须通过转包购买，哪些制造步骤在本厂(in-house)进行。

以下将说明次级传感器单元制造选项。

当将NCT传感器集成到定制工具或标准传动系统中时，系统制造商具有以下选项可选择：

□定制的SSU(包括线束和连接器)

□选择的模块或组件；最终SSU组装和系统测试可在用户管理下进行。

□仅主要组件(MFS线圈或MFS芯线、专用IC)且本厂生产SSU。

图64示出次级传感器单元组装的示范性实施例。

下面解释主传感器设计。

SSU(次级传感器单元)可置于磁编码SH(传感器主体)外部，或在SH空心的情况可置于SH内部。当位于空心轴内部时，可获得的相等的传感器信号幅度强度，但是具有更好的信噪比性能。

图65示出主传感器和次级传感器的几何设置的两种结构。

当对SH(轴)的直且平行的段应用磁编码处理时，可获得改进的传感器性能。对于直径为15mm到25mm的轴，磁编码区域的最佳最小长度为25mm。如果区域可以长达45mm(添加保护区域)传感器性能将进一步改善。在复杂和高度集成的传动(齿轮箱)系统中，难以找到这样的空间。在更理想的环境下，磁编码区域可短到14mm，但是这样可能无法获得所有期望的传感器性能。

如图66所示，根据本发明示范性实施例，SSU(次级传感器单元)和传感器主体表面之间的间隔应保持尽量小，以获得尽可能好的信号质量。

下面说明主传感器编码装备。

图67示出一个例子。

根据选择哪种磁致伸缩感测技术，需要相应地处理传感器主体(SH)。技术彼此差别很大(ABB、FAST、FT、Kubota、MDI、NCTE、RM、Siemens......)，所需要的处理装备也不同。一些可用的磁致伸缩感测技术不需要对SH进行任何物理变化，仅依赖于磁处理(MDI、FAST、NCTE)。

MDI技术是两段阶处理，而FAST技术是三阶段处理，NCTE技术是单阶段处理，称作PCM编码。

应注意在磁处理后，传感器主体(SH或轴)已变成“精度测量”装置，因而需要相应地对待。磁处理应是所处理的SH被小心置于其最终位置前的最后的步骤。

磁处理在以下环境下应是用户的生产过程(本厂磁处理)的整体的一部分。

□高生产量(如数千)

□SH重，或难以操纵SH(例如高装运成本)

□非常特定的质量和检查需求(例如国防应用)

在所有其它情况下，由有资格且授权的转包商，如NCTE磁处理SH在成本上可能更划算。对于“本厂”磁处理，需要专用制造装备。该装备可完全手动、半自动以及完全自动地操作。根据复杂性和自动化水平，该装备可花费两万欧元到50万欧元以上。

以下参照图68a-102，说明根据本发明示范性实施例的无接触、绝对和增量转动角传感器的示范性实施例。

PCME传感器编码处理的独特方面是其允许传感器主体中的终生持续磁编码。这仅当传感器主体由铁磁材料制成时才是可能的。以下可能基于PCME编码处理说明绝对和增量角传感器设计。然而，磁编码部分的产生仅可通过其它技术，例如公开在如WO 02/063262中的技术进行。

在以下说明的无接触转动角传感器可独立工作(所谓的单功能PCME传感器)，或可与其它传感器功能结合工作(多功能PCME传感器)。典型的多功能PCME传感器是绝对角感测和转动扭矩感测设备的结合。当知道角的变化时，可以计算传感器主体绕其轴转动的旋转速度。

旋转速度和转动扭矩的乘积是功率。换句话说，能够测量角度和扭矩的多功能PCME传感器会成为无接触机械功率感测装置。

然而，可以对一个、两个或更多测量的参数的进行任意期望的组合，包括弯曲力、转动力、角度、位置等。

以下说明角传感器位置的磁处理。

为产生绝对转动角传感器，即能够不仅以相对而且以绝对方式测量转动对象的角位置的角传感器，系统电子装置应能够从磁场检测装置获得数据，该数据对于设置在可移动对象上的磁编码区域的当前角位置应是“唯一的”。信号唯一性可通过多种不同的永磁编码处理获得。

以下说明所谓的“模拟信号，单周期模式”。

“模拟信号，单周期模式”转动角传感器的基本原理是当磁编码传感器主体转动360°角时，模拟输出信号具有近似正弦形信号(一个周期)。

图68A示出制造在角传感器装置的环境中可用作可移动对象的对象6800的方法，其中对象6800可通过沿对象6800的圆周布置具有随角度变化的磁场强度的磁编码区域6801来制造。

图68A示出在磁处理期间对象6800的横截面图和侧视图。为产生具有依赖于沿对象6800的圆周的位置的磁场强度的磁编码区域6801，用于产生以上所详细描述的PCME编码信号的电导体6802偏心地置于距离管状对象6800的对称轴一段距离“a”的位置。然后，以图30或35所示的方式将传感器信号施加到电导体6802，以产生磁编码区域6801中的磁化。由于在编程过程中电导体6802和磁编码区域6801的不同位置之间的距离不同，磁编码区域6801的磁化沿对象6800的圆周不同。

为获得相对于传感器主体的转动改变其信号幅度的传感器信号，磁编码信号(在该例中为“PCME”信号)可“偏心”地通过传感器主体管的内部。电导体6802离管中心点6803越远(或更好地，电导体6802离传感器主体管壁的一侧越近)，信号幅度调制将越强。换句话说，电导体和对象6800的可磁化材料之间的变化的距离提供了沿对象6800的圆周不均匀的磁化。

图68B示出对象6810被磁化的可替选磁化几何形状，其中电绝缘体6811置于电导体6802和对象6810的管壁之间。

以下参照图69A-70B说明编程处理和编程期间的不对称几何形状如何产生在对象附近测量的信号的角度相关性。

在图69A中，示出图线6900，其中图69B的传感器主体6910的转动角度沿横坐标6901绘制。沿纵坐标6902绘制沿传感器主体6910的圆周设置的磁场检测器的传感器信号输出。

图69A所示的曲线6903对应于图69B所示的传感器主体6910。在传感器主体6910的情况下，编程方案导致由于中心磁编码几何形状而在传感器主体6910的转动期间恒定的转动传感器信号幅度。换句话说，信号强度沿传感器主体6910的圆周分布恒定，这导致传感器信号输出6903的恒定的角度相关性。沿传感器主体6910的圆周的恒定磁场强度由同心圆6911(或由转动传感器信号幅度6911)示出。

与此相反，图70A所示的图线7000示出传感器信号输出(沿纵坐标7002绘制)与传感器主体的转动角度(沿横坐标7001绘制)的相关性。

曲线7003基本上具有正弦曲线形状。这由对应于与图68A所示相似的磁化方案的图70B所示的偏心磁编码方案所导致。因此，在传感器主体7010的圆周周围，可测量不对称旋转传感器信号幅度7011。

图线6900示出当传感器主体6910绕其中心轴转动360°角以上时的模拟传感器信号输出。在本例中，绕中心表面对称地进行传感器主体6910的磁编码。图70A的图线示出当沿其中心轴转动传感器主体7010时“偏心”磁编码所导致的输出信号调制7003。

磁编码传感器主体可以是可绕限定的轴转动的圆轴或管、圆盘、圆环或非圆形对象。当使用非圆形对象时，由于信号幅度会受到传感器主体的非对称形状的强烈影响，角度传感器信号处理器的要求将非常高。然而，这样的非对称几何结构还可用来检测传感器主体的角位置。

以下参照图71-73C说明用于以非对称方式磁化传感器主体的不同的几何结构。

在图71中，与要磁化的管状空心轴的对称轴6803一起示出磁编码区域6801。与图68A所示的磁化方案相反，电导体7100与磁编码区域6801的圆周端部分直接接触。沿磁编码区域6801的圆周非对称布置的电连接器7100将一个或两个或多个PCME编码脉冲(例如图30或图35所示)注入主体6801。由于电连接器7100的非对称配置，磁编码区域6801的磁场分布也将沿磁编码区域6801的圆周变化。

图71示出该配置的横截面图且图72示出其侧视图。

尽管图71和72将磁编码区域或要编码的对象表示为空心圆柱体，它们也可实现为实心圆柱体。

如图71和72所示，通过将电导体7100放置在传感器主体6801的“一侧”(即绕传感器主体非对称放置)，磁编码将导致在转动传感器主体时产生PCME幅度调制的信号。换句话说，可选择非对称编程几何形状。

如图73A-73C所示，可使用与磁编码区域6801的可磁化材料非对称接触的多个电连接器7100的可替选配置。在所有配置中，编程信号主要在磁编码区域6801的圆周的特定部分可注入。应强调作为图71-图73C所示的配置的替选，还可在空心管状对象6801的内壁部分接触一个或多个电连接器7100。

为实现期望的(伪)正弦角传感器信号形状，应实施最佳“非对称”电连接方法。根据传感器主体直径和“要编码的角传感器”长度，必须绕传感器主体6801“非对称”设置一个或多个电连接器。该设置可使得在一侧进入轴的电流比另一侧进入轴的电流多。

可使用在连接器接触传感器主体表面的不同位置具有不同阻抗的单个连接器7100，而不是使用独立的连接器(如图73A、73B所示)。该配置如图73C所示。

以下参照图74A、图74B说明用于磁化可磁化对象7403以产生磁编码区域的设备7400。

设备7400包括用于电接触可磁化对象7403的不同部分的电连接元件7401。此外，还提供了连接到电连接元件7401的电信号提供单元7402，其用于向不同部分施加不同的电信号，从而在可磁化对象7403的不同部分产生不同的磁编码区域。

更详细地，两个电连接元件7401连接到可磁化对象7403的圆周的左部分，其中电流I₁可在该部分注入。可磁化对象7403的右部分被另外两个电连接元件7401连接，以在该部分例如相反方向的电流I₁。可磁化对象7403的圆周的上部分被另外两个电连接元件7401接触以在可磁化对象7403的表面的相对应部分注入电流I₂。此外，电流I₂还通过另外两个电连接元件7401在可磁化对象7403的圆周的下部分注入，从而在表面的该部分产生另一个可单独确定且可限定的磁化。

关于方向、极性和幅度不同的电流I₁、I₂可单独调整，且同时或顺序施加到可磁化对象7403的表面的不同部分。

通过采取该措施，可在可磁化对象7403的表面上限定与电连接元件7401的接触有关的不同的磁表面部分。这可在可磁化对象7403的表面上导致如图74B所示的磁化图案。

图74B示出可磁化对象7403的表面的磁化部分的表面投影。

如图74B所示，在表面上可产生棋盘状图案。相邻的部分可关于磁场的极性和/或强度或在指定部分中产生的磁化而不同。

图74A、图74B所示的配置导致表面磁化图案，当通过设置于可磁化对象7403的圆周表面附近的磁场检测器采样或扫描时，该表面磁化图案具有多个正弦函数的作用。

换句话说，图74A、74B示出“模拟/数字信号，多周期图案”。

当磁编码传感器主体转动360°时，“模拟/数字，多周期图案”转动角传感器提供两个或多个完整周期的近似正弦形或准正弦形输出信号。

为获得多周期磁图案，PCME编码信号必须以两个或多个交替模式通过传感器主体。图74A、74B所示的解决方案可通过对铁磁轴的磁处理来实现。如果转动装置7403(如动力转向轴的传动轴)具有铁磁属性，则可对该轴应用磁处理。

根据图74A、74B所示的磁化方案，不同的电流I₁、I₂可相继或同步施加。

特别的，尽管图74A未示出，但是对每对电连接元件7401使用单独的电信号提供单元7402是有利的。

例如，电流I₂和I₁可彼此分离。意味着需要使用两个独立的电流源来确保在I₁和I₂之间没有电流串扰。

参照图74B，通过使用图74A所示的方法产生如图所示的棋盘。意味着当仅使用4个电流路径进行磁编码时，4×4的场结构自动形成。据信，其原因是仅内部的两个棋盘结构(列)直接通过从一个连接器到另一个电接触的电流产生。外部的两个棋盘列可在没有电流流过该区域的情况下通过自身产生。这可能与轴端部(直接磁编码区域外部的部分)和电缆之间的感应有关。

以下参照图75-76B说明绕非铁磁轴设置经磁处理的环的解决方案。

在转动装置(如动力转向轴的传动轴)的铁磁属性不允许对该装置直接磁处理的情况下，具有足够的铁磁属性的环可固定/连接到该装置。

根据主转动装置和经磁处理的环之间的铁磁属性区别，可以采用绝缘环。该绝缘环将磁编码环和主转动装置(例如动力转向轴的传动轴)进行磁隔离。

图75示出一种结构，其中非磁性转动轴7500可用非铁磁材料绝缘体7501覆盖，且铁磁环7502可安装在绝缘体7501上。绝缘体可由例如不锈钢或塑料制成。这样就获得了允许灵活连接多功能组件以实现高质量角传感器的模块化系统。

图76A示出处于安装或组装状态的这样的配置，其中铁磁环7502的中心部分形成磁编码区域6801。如图76B所示，也可省略绝缘体7501。

根据期望的角传感器性能，环宽度(环的实际长度)可改变。当磁编码环较宽时，角传感器信号量增加。这在对环应用“单周期图案”时尤其如此。

图75-76B的配置可例如在滚珠轴承等内实现。

图77示出根据本发明示范性实施例的角传感器装置。

图77的角传感器适于确定可转动的可移动对象7500的角位置信息。该角传感器装置包括设置于可移动对象7500上的磁编码区域7502。此外，提供多个磁场检测线圈7800并沿磁编码区域7502的圆周布置。此外，角位置和/或角速度信息确定单元(未示出)耦合到磁场检测线圈7800，并被提供以由磁场检测线圈7800检测的信号。

磁场检测线圈7800适于检测当与转动轴7500一起移动的磁编码区域7502经过磁场检测线圈7800的周围区域时，磁编码区域7502产生的信号。角位置和/或角速度信息确定单元基于检测的磁信号确定可移动对象7500的角位置信息。

图78示出与图77相比磁编码区域7502的实际长度减小的角传感器装置的另一示范性实施例。

换句话说，图77、78示出磁编码环7502的不同宽度(实际长度)。在本例中，磁编码环7502配合到磁绝缘环7501周围，允许使用非铁磁主轴7500。

图79示出根据本发明示范性实施例的角传感器装置的前视图，图80示出侧视图。

如图80所示，沿磁编码区域7502的圆周不仅可布置两个磁场检测器7800，还可布置三个、四个或更多磁感应线圈。与磁编码区域7502的圆周邻近地布置仅单个磁力线圈也可能就足够了。在这种情况下，特别可以测量角度变化。因而可执行动态测量，而不仅是静态测量。

如图79、图80所示，可提供两个磁场传感器7800以精确限定轴的转动角位置(当使用“模拟信号，单周期模式编码”时)。该两个磁场传感器装置7800彼此具有90°角间隔，以准确计算角信息。

以下参照图81说明增量PCME编码角传感器8100。

有许多不同的设计选项可构造增量无接触转动角传感器。可以不在传感器主体内部设置非对称(或非同心)永久磁场，而是传感器主体自身可在进行永久磁编码的位置或附近机械地改变。

换句话说，可通过从磁编码区域不对称地去除材料来形成磁编码区域。该去除可通过例如研磨在磁化轴中形成缺口或凹部来进行。

图81的左图示出具有可通过例如研磨产生的缺口8102的磁编码对象8101。

图81右图示出在靠近PCME磁编码区域的边缘处提供传感器主体缺口8102。该PCME磁编码区域由具有相反方向磁化矢量的两个圆周朝向的磁化部分8103、8104限定。

通过从至少一个磁编码区域去除材料形成该缺口8102，结果可获得磁化曲线的不对称分布，且磁编码区域不再产生转动均匀的信号，因为磁通会被机械缺口8102干扰(或磁通路径会改变)。

每次当PCME编码传感器主体完全转动时，磁场检测线圈(图81未示出)所测量的信号将在传感器主体设计不均匀的位置(即机械传感器主体缺口8102的位置)改变幅度。该信号幅度变化可用来计数传感器主体转动或测量传感器主体旋转速度(“旋转速度脉冲”)。

机械缺口的尺寸(深度、宽度、形状等)将限定磁场检测装置检测到的信号幅度变化。

关于缺口8102的几何结构可能有许多选择。与图81相反，还可沿轴8101的整个范围提供缺口8102，且可具有线性或螺旋形状。

或者可以通过将材料不对称地添加到磁编码区域来形成磁编码区域。例如，作为从轴8101的圆周去除材料的替选，可将磁材料添加(例如附着)到圆周上。这也可改变磁感应线圈可检测的磁信号的转动相关性。

以下将参照图82说明图线8200。

传感器主体的转动角度沿图线8200的横坐标8201绘制。传感器信号输出沿图线8200的纵坐标8202以伏特示出。从指示扭矩信号的曲线8203可看出3.0伏的偏移。

从图线8200还可看出由缺口8102引起的信号干扰下降8204。磁感应线圈的位置由字母m、n、o示出。换句话说，可通过在本例中具有三个磁力线圈m、n、o的传感器阵列获得图线8200。通过简单地对信号干扰下降8204计数，即可检测转动角度。

为从扭矩信号幅度提取转动脉冲信号，可以有几种选择：

1.并排设置磁场检测器阵列(m、n和o)，其中磁场检测器阵列必须覆盖比导致信号干扰下降8204的机械传感器主体缺口8102的物理尺寸更大的区域。该解决方案的优点是在任何旋转速度(从静止到最大每分钟转数)都可工作。

2.也可通过使用无源或有源电子高通信号滤波器实现扭矩和“转动脉冲”信号的分离。高通信号滤波器截止频率可由额定传感器主体转数限定。该解决方案可仅需要一个磁场检测线圈(因而可以低成本制造)，但是在较低的每分钟转数可能无法提取“转动+速度”信号。

3.图83示出与图81右图相似的配置，具有靠近传感器主体8100设置的三个磁场检测线圈7800的阵列，以测量传感器主体8100的扭矩和检测变形。磁场检测线圈7800的阵列必须覆盖明显大于机械变形(例如缺口8102)的表面尺寸的区域。

如图84所示，可绕传感器主体8101表面相继地设置几个机械改变(例如缺口8102或其它变形)，而不是仅有一个缺口8102。这将在传感器主体8101任何时候旋转时产生信号幅度变化的序列(信号代码)。设置机械改变或变形8102的区域还可称作“代码”区域。

以下参照图85说明图线8500。图线8500示出沿纵坐标8502绘制的传感器信号输出与沿横坐标8501绘制的传感器主体的转动角度的相关性。

在图85所示的曲线中，绘制了磁场检测器p检测的扭矩信号8503，还绘制了当轴8101转动时由图84的缺口8102产生的信号干扰下降8504。

根据所选择的传感器主体表面变形8102的数量(在图84的例子中为三个缺口8102)，只要变形8102经过磁场检测装置p下方，扭矩传感器信号8503就将改变幅度。最终，传感器主体8101(“代码”区域)的整个圆周可被规则或不规则形状的变形覆盖。

以下参照图86说明图线8600，图线8600示出在纵坐标8602上绘制传感器信号输出与沿横坐标8601绘制的传感器主体的转动角度的相关性。

图线8600包括两部分，即额定转动传感器主体部分8603和增加的转动传感器主体速度部分8604。

在使用规则形状变形8102来限定信号“代码”的情况下，扭矩信号幅度将被以与传感器主体8101绕其轴转动的速度相关的频率调制：增量角传感器按照变形8102绕传感器主体8101 360°的数量乘以旋转速度来计算幅度调制频率。

以下参照图87说明根据本发明示范性实施例的角传感器装置8700。

沿传感器主体7500表面的一部分形成磁编码区域7502。在磁编码区域7502的不同部分中，形成具有特定长度且因而具有第一代码的第一缺口8701，在磁编码区域7502的第二部分形成具有表示第二代码的第二长度的第二缺口8702。相应的磁场检测器7800分别位于邻近第一缺口8701的位置和邻近第二缺口8702的位置。

通过在磁编码区域7501的边缘设置一个以上代码区域8701、8702，增量角传感器装置8700可作为绝对角传感器操作。

对于在磁编码区域7502或其附近放置多少“代码”区域没有限制，只要结果磁信号调制可被正确解码，且质量能够区别不同的代码即可。

以下参照图88说明图线8800。

沿图线8800的横坐标8801绘制传感器主体8700的转动角。沿纵坐标8802绘制传感器信号输出。图线8800示出由位于图87左侧的磁场检测装置7800所接收的检测信号。换句话说，图88绘制了第一代码或第一缺口8701产生的磁信号。

图89以相似的方式示出图线8900，沿横坐标8901绘制传感器主体8700的转动角度，沿纵坐标8902绘制图87右侧的磁场检测装置7800的传感器信号输出，作为曲线8903。换句话说，曲线8903表示所接收的由于第二缺口8702导致的第二代码。

该两个磁场检测元件7800测量的信号一起产生仅与传感器主体的一个角位置直接相关的独特图案。换句话说，图线8800和8900的位置信息的组合，或图87所示的两个磁场检测元件7800的组合可允许清晰确定图87所绘制的角传感器装置8700的绝对角位置。

以下将进一步详细说明信号检测和信号处理。

基本上，可以用任何磁场感测装置来测量传感器主体产生的绝对磁场信息。这可包括但不限于：霍耳效应传感器、磁阻传感器、巨磁阻传感器和感应器(例如线圈)。

由于感应器具有几个优点，以下说明仅使用感应器。这些优点中的一些是：感应器非常鲁棒，成本低，具有宽温度范围(例如-50℃-+200℃)。它们在设计上很小，且非常灵敏。然而，在该说明书中使用感应磁场检测装置的地方也可使用其它磁场检测装置代替。

图90示出根据本发明示范性实施例的角传感器9000。

图91示出根据本发明另一示范性实施例的角传感器装置9100。

角传感器装置9000示出绕磁编码环7502的具有平行线圈轴的磁场检测线圈7800的一种排列。此外，图90的磁场检测线圈7800的线圈轴基本上与轴7500的延伸平行。两个或多个磁场检测线圈7800是有利的，特别是当它们关于磁编码环7502的中心彼此成90°角地设置时。通过使用正弦/余弦信号处理电子装置，可计算绝对角信息。

图91所示的角传感器装置9100示出仅有两个磁场检测线圈7800置于靠近磁编码环7502的一个角位置处。图91所示的一个磁场检测线圈7800与环7502的轴或轴7500的延伸方向平行地(同轴或轴向)设置，而另一个磁场检测线圈7800转动90°角并指向磁编码环7502(径向方向)。此处仅从一个传感器位置提取所需的正弦/余弦信号信息，这允许减小物理传感器外壳设计。

以下参照图92和图93说明在具有四个磁场检测线圈7800的配置中的自动信号幅度补偿。

图92示出图线9200，具有横坐标9201和纵坐标9202。沿横坐标9201绘制来自传感器主体的转动角度，沿纵坐标9202绘制图93所示的任何一个磁场检测线圈7800所检测的传感器信号输出。这导致具有信号幅度“A”的测量曲线9203。

图93示出磁编码区域7502的位置和当磁编码区域7502作为轴转动时由该磁编码区域7502产生的不对称信号分布9300。结果，磁场检测线圈7800的信号幅度具有特征值。

如图92、93所示，通过如图93所示在角传感器的磁编码区域7502周围每90°设置一个磁场检测线圈7800，可计算绝对角传感器信号的实际“零”补偿电压。“零”补偿线z是所有四个磁场检测线圈7800的读数的平均值，或换句话说是z＝(e+f+g+h)/4。

以下参照图94说明图线9400。沿图线9400的横坐标9401绘制图93所示的传感器主体的转动角度。沿图线9400的纵坐标9402示出传感器信号输出。此外，绘制了绝对角度信号的零补偿线9404。

计算每个磁场检测线圈e、f、g和h关于零补偿线9403的信号差，然后计算对这些磁场检测线圈7800的相对差将产生对图93所示的传感器主体的每个转动角位置唯一的信号图案。

以下参照图95说明能够确定可移动对象7500的至少两个参数的多参数传感器设备9500。

多参数传感器设备9500包括适于确定可移动对象7500的角位置信息的角传感器装置9501(如图95示意性所示)。此外，多参数传感器设备9500能够检测施加到可移动对象7500的扭矩(图95中由附图标记9502示意性表示)。

经过磁处理(例如通过上述PCME技术)的传感器主体9500能够同时检测或测量几个物理参数。在图95中，给出这样的多功能PCME传感器的例子，其能够实时地同时测量扭矩和角度。

特别地，根据一个磁场检测线圈(图95未示出)所捕获的磁场检测信号可以从可移动对象7500的转动计算绝对角度和扭矩。

当使用“模拟信号，单周期图案”磁PCME编码时，计算的绝对角传感器信号的“零”补偿线将根据所施加的扭矩力而改变。

以下参照图96说明图线9600。

沿图线9600的横坐标9601绘制传感器主体的转动角度。沿图线9600的纵坐标9602绘制传感器信号输出。

在图96中，示出三个曲线。用“K”标记的曲线表示当增加多参数传感器设备9500的扭矩时信号水平的变化。图96中的中间曲线指的是绝对角度信号的“零”补偿线。图96中用标记“L”表示的下面的曲线表示当减小扭矩时信号水平的变化。

如图96所示，当施加的转动扭矩力变大时，磁场检测线圈产生的输出信号将增加(曲线“K”)。当所施加的转动扭矩力变小时，磁场检测线圈所产生的输出信号将减小(曲线“L”)。角传感器的“零”补偿线的绝对值等于所施加的转动扭矩力。

根据PCME编码处理和所使用的信号调节电子装置，仅当使用自动信号幅度补偿处理时才有可能将测量信号分成扭矩和角位置，如上所述。在有的情况下，准正弦角度信号幅度可能根据所施加的扭矩力增加或减小。

以下参照图97说明根据本发明示范性实施例的角传感器装置9700。

在角传感器装置9700的情况下，在轴7500的不同部分提供两个不同的磁编码区域7502。在每个磁编码区域7502附近，放置所指定的一个磁场检测线圈7800。如图97所示，两个磁编码区域7502的磁化方向朝向相反方向。

换句话说，沿轴7500的延伸方向可设置多于一个，例如两个或三个或更多磁编码区域。为抑制干扰影响(例如来自地磁场的持续干扰或来自传感器环境中的其它磁活动装置的干扰影响)，可执行差分测量。

图98示出图9线800，该图9800具有横坐标9801，沿横坐标9801绘制传感器主体9700的转动角度。沿纵坐标9802绘制图97的左磁场检测线圈7800的传感器信号输出。如从曲线9803可见，在该装置可测量准正弦信号。

图99示出图线9900，该图线9900具有横坐标9901，沿横坐标9901绘制传感器主体9700的转动角度。沿纵坐标9902绘制图97右手侧所示的磁场检测线圈7800所检测的传感器信号输出。如图所示，结果曲线9903与图98所示的曲线“反相”。

当对传感器主体9700施加“差分区域磁处理”时，容易设计可处理非均匀杂散磁场(例如位于附近的电磁操作的致动器所导致)的角传感器系统。

然而，可以以低空间需求和低成本制造没有差分区域磁处理的配置。

以下参照图100绘制了具有沿轴7500的延伸范围的凹槽10000的角传感器装置，在轴7500的表面产生磁编码区域7502。图100以三维视图和横截面图示出具有这样的凹槽的角传感器装置。

此外，图100示出具有磁编码区域7502和附着到磁编码区域7502表面的磁元件10001的传感器主体的横截面图，该磁元件10001以棒状单向度方式形成。因而具有凹槽10000和棒10001的配置是互补的。

图101示出具有磁编码区域7502的轴7500，磁编码区域7502实现为在表面具有齿10100的某种环。齿10100与轴7500的延伸方向垂直地延伸。

图102示出轴7500，环状磁编码区域7500附着到轴7500，环状磁编码区域7500具有与轴7500的延伸基本上平行地延伸的齿10200。

图103示出根据本发明示范性实施例用于确定角速度信息的角传感器装置的可能的应用。

本发明的一个重要方面是“角”感测。测量速度可能也是有益的。换句话说，角传感器技术还可用来产生速度信息。这是通过使用微控制器进行的直接处理。到微控制器的输入可以是时间间隔和绝对角信息。微控制器的输出可以是数字形式(文本/数字或脉冲)的速度信息或模拟速度值。

图103示出与该应用有关的一些方面。

根据本发明的示范性实施例，可使用几个不同的磁力线圈并将其绕一个磁编码区域设置。或者可以并排设置两个或多个磁编码区域，其中例如各磁编码区域可以转动90度。也可以不采用0°和90°原则(需要两个磁编码区域来计算角位置)，还可使用0°、120°和240°原则(需要三个磁区域)。

应注意术语“包括”不排除其它元件或步骤。此外可组合与不同实施例相关联地说明的元件。

Claims (49)

1.一种角传感器装置，用于确定可移动对象的角位置信息和/或角速度信息，所述角传感器装置包括：

设置于所述可移动对象上的至少一个磁编码区域；

至少一个磁场检测器；

角位置和/或角速度信息确定单元；

其中所述至少一个磁场检测器适配成检测当与所述可移动对象一起移动的所述至少一个磁编码区域经过所述至少一个磁场检测器的周围区域时，所述至少一个磁编码区域产生的信号；

其中所述角位置和/或角速度信息确定单元适配成根据所检测的信号确定可移动对象的角位置信息和/或角速度信息。

2.根据权利要求1所述的角传感器装置，

其中所述至少一个磁编码区域沿所述可移动对象的圆周以角度不对称的几何方式设置。

3.根据权利要求1所述的角传感器装置，

其中所述至少一个磁编码区域沿所述可移动对象的圆周布置成具有随角度变化的磁场强度。

4.根据权利要求1所述的角传感器装置，

其中所述至少一个磁编码区域沿所述可移动对象的圆周布置成具有随角度变化的磁极性。

5.根据权利要求1所述的角传感器装置，

其中所述角位置和/或角速度信息确定单元适配成根据所检测的信号确定所述可移动对象的绝对角位置信息。

6.根据权利要求1所述的角传感器装置，

包括所述可移动对象。

7.根据权利要求6所述的角传感器装置，

其中所述可移动对象是包括圆轴、管、盘、环和非圆形对象的组中的至少一种。

8.根据权利要求1所述的角传感器装置，

其中所述可移动对象是包括引擎轴、可往复运动的工作圆柱体和推拉杆的组中的一种。

9.根据权利要求1所述的角传感器装置

包括多个磁场检测器。

10.根据权利要求9所述的角传感器装置，

其中所述角位置和/或角速度信息确定单元适配成根据所述多个磁场检测器检测的磁信号的同时分析确定所述可移动对象的角位置信息和/或角速度信息。

11.根据权利要求1所述的角传感器装置，

包括沿所述可移动对象的圆周设置的多个磁编码区域。

12.根据权利要求1所述的角传感器装置，

进一步包括控制单元，所述控制单元适配成根据所述角位置和/或角速度信息确定单元提供给所述控制单元的角位置信息和/或角速度信息控制所述可移动对象的运动。

13.根据权利要求1所述的角传感器装置，

其中所述至少一个磁编码区域是永磁区域。

14.根据权利要求1所述的角传感器装置，

其中所述至少一个磁编码区域是所述可移动对象的纵向磁化区域。

15.根据权利要求1所述的角传感器装置，

其中所述至少一个磁编码区域是所述可移动对象的圆周磁化区域。

16.根据权利要求1所述的角传感器装置，

其中所述至少一个磁编码区域由第一方向取向的第一磁通区域和第二方向取向的第二磁通区域形成，其中所述第一方向与第二方向相反。

17.根据权利要求16所述的角传感器装置，

其中在所述可移动对象的横截面图中存在具有第一方向和第一半径的第一环磁通和具有第二方向和第二半径的第二环磁通，其中所述第一半径大于所述第二半径。

18.根据权利要求1所述的角传感器装置，

其中所述至少一个磁编码区域根据以下制造步骤制造：

对可磁化元件施加第一电流脉冲；

其中施加所述第一电流脉冲使得在沿可磁化元件的纵轴的第一方向具有第一电流；

其中所述第一电流脉冲使得该电流脉冲的施加在所述可磁化元件中生成磁编码区域。

19.根据权利要求18所述的角传感器装置，

其中对所述可磁化元件施加第二电流脉冲；

其中施加所述第二电流脉冲使得在沿可磁化元件的纵轴的第二方向具有第二电流。

20.根据权利要求18所述的角传感器装置，

其中所述第一和第二电流脉冲中的每一个具有上升沿和下降沿；

其中所述上升沿比所述下降沿陡。

21.根据权利要求19所述的角传感器装置，

其中所述第一方向与所述第二方向相反。

22.根据权利要求18所述的角传感器装置，

其中所述可磁化元件具有围绕所述可磁化元件的芯区的圆周表面；

其中所述第一电流脉冲在所述圆周表面的第一位置被引入所述可磁化元件，使得在所述可磁化元件的芯区具有所述第一方向的第一电流；且

其中所述第一电流脉冲在所述圆周表面的第二位置从所述可磁化元件放出；

其中所述第二位置沿所述第一方向距离所述第一位置一段距离。

23.根据权利要求19所述的角传感器装置，

其中所述第二电流脉冲在所述圆周表面的所述第二位置被引入所述可磁化元件，使得在所述可磁化元件的芯区具有沿所述第二方向的第二电流；并且

其中所述第二电流脉冲在所述圆周表面的所述第一位置从所述可磁化元件放出。

24.根据权利要求18所述的角传感器装置，

其中所述第一电流脉冲在所述可磁化元件的端面施加到所述可磁化元件。

25.根据权利要求1所述的角传感器装置，

其中所述至少一个磁编码区域是附着到所述可移动对象的表面的磁元件。

26.根据权利要求1所述的角传感器装置，

其中所述至少一个磁场检测器包括以下各项组成的组中的至少一种：

具有基本上与所述可移动对象的延伸平行取向的线圈轴的线圈；

具有基本上与所述可移动对象的延伸垂直取向的线圈轴的线圈；

霍耳效应探测器；

巨磁共振磁场传感器；以及

磁共振磁场传感器。

27.一种多参数传感器设备，该多参数传感器设备能够确定可移动对象的至少两个参数，所述多参数传感器设备包括：

根据权利要求1所述的用于确定所述可移动对象的角位置信息和/或角速度信息的角传感器装置；

另外的参数确定单元；

其中所述另外的参数确定单元适配成根据所检测的信号确定表征所述可移动对象的至少一个另外的参数。

28.根据权利要求27所述的多参数传感器设备，

其中所述至少一个另外的参数选自由以下参数组成的组：所述可移动对象的位置、施加到所述可移动对象的扭矩、施加到所述可移动对象的拉力、施加到所述可移动对象的弯曲力、施加到所述可移动对象的剪切力、所述可移动对象的速率和所述可移动对象的功率。

29.一种确定可移动对象的角位置信息和/或角速度信息的方法，所述方法包括以下步骤：

通过至少一个磁场检测器，检测当与所述可移动对象一起移动的至少一个磁编码区域经过该至少一个磁场检测器的周围区域时，所述至少一个磁编码区域产生的信号；

根据所检测的信号确定所述可移动对象的角位置信息和/或角速度信息。

30.一种制造用于确定可移动对象的角位置信息和/或角速度信息的角传感器装置的方法，所述方法包括以下步骤：

在所述可移动对象上设置至少一个磁编码区域；

提供至少一个磁场检测器；

提供角位置和/或角速度信息确定单元；

将所述至少一个磁场检测器适配成检测当与所述可移动对象一起移动的所述至少一个磁编码区域经过所述至少一个磁场检测器的周围区域时所述至少一个磁编码区域产生的信号；

将所述角位置和/或角速度信息确定单元适配成根据所检测的信号确定所述可移动对象的角位置信息和/或角速度信息。

31.根据权利要求30所述的方法，

进一步包括沿所述可移动对象的圆周形成具有随角度变化的磁场强度的所述至少一个磁编码区域的步骤。

32.根据权利要求31所述的方法，

其中所述至少一个磁编码区域是通过关于至少一个磁化对象不对称地设置所述可移动对象并对所述至少一个磁化对象施加磁化信号形成的。

33.根据权利要求31所述的方法，

其中所述至少一个磁编码区域是通过由所述可移动对象不对称地包围所述至少一个磁化对象并对所述至少一个磁化对象施加所述磁化信号而形成的。

34.根据权利要求31所述的方法，

其中所述至少一个磁编码区域是通过由所述至少一个磁化对象不对称地接触所述可移动对象并对所述至少一个磁化对象施加所述磁化信号而形成的。

35.根据权利要求31所述的方法，

其中所述至少一个磁编码区域是通过从所述至少一个磁编码区域不对称地去除材料而形成的。

36.根据权利要求31所述的方法，

其中所述至少一个磁编码区域是通过将磁性或可磁化材料不对称地添加到所述对象来形成的。

37.一种对象，该对象包括：

以沿所述对象的圆周角度不对称的几何方式设置和/或沿所述对象的圆周随角度变化的磁强度设置的至少一个磁编码区域。

38.一种制造对象的方法，该方法包括以下步骤：

以沿所述对象的圆周角度不对称的几何方式和/或以沿所述对象的圆周随角度变化的磁强度设置至少一个磁编码区域。

39.一种用于磁化可磁化元件以产生磁编码区域的设备，包括

用于电接触所述可磁化元件的至少两个不同部分的电连接元件；

连接到所述电连接元件的电信号提供单元，所述电信号提供单元适配成将至少两个不同的电信号施加到所述至少两个不同的部分，以在所述可磁化元件的所述至少两个不同的部分产生至少两个不同的磁编码区域。

40.根据权利要求39所述的设备，

其中连接所述电连接元件以形成电连接元件组，其中每组电连接元件被指定到所述至少两个不同部分中的相应一个，其中电连接元件组中的至少一个电连接元件适配成将来自所述电信号提供单元的相应电信号引导到相应部分，且电连接元件组中的至少另一个电连接元件适配成将来自相应部分的相应电信号引导回所述电信号提供单元。

41.根据权利要求39所述的设备，

适配成在所述可移动对象的所述至少两个部分产生具有变化的磁场强度的所述磁编码区域。

42.根据权利要求39所述的设备，

适配成在所述可移动对象的所述至少两个部分产生具有变化的磁极性的所述磁编码区域。

43.根据权利要求39所述的设备，

适配成磁化管状可磁化元件，磁化方式使得在所述可磁化元件的表面的平面投影中磁编码区域的磁场强度和/或极性形成棋盘状结构。

44.根据权利要求39所述的设备，

其中所述至少两个磁编码区域根据以下制造步骤制造：

对相应部分施加第一电流脉冲；

其中施加所述第一电流脉冲使得在沿所述相应部分的纵轴的第一方向具有第一电流；

其中所述第一电流脉冲使得该电流脉冲的施加在所述相应部分产生磁编码区域。

45.根据权利要求44所述的设备，

其中对所述相应部分施加第二电流脉冲；

其中施加所述第二电流脉冲使得在沿所述相应部分的所述纵轴的第二方向具有第二电流。

46.根据权利要求44所述的设备，

其中所述第一和第二电流脉冲中的每个具有上升沿和下降沿；

其中所述上升沿比所述下降沿陡。

47.根据权利要求45所述的设备，

其中所述第一方向与所述第二方向相反。

48.根据权利要求39所述的设备，

包括多个电信号提供单元，其中每个所述电信号提供单元适配成对指定的一个部分施加电信号。

49.一种磁化可磁化元件以生成磁编码区域的方法，该方法包括以下步骤：

将所述可磁化元件的至少两个不同的部分与电信号提供单元电连接；

通过所述电信号提供单元将至少两个不同的电信号施加到所述至少两个不同的部分，从而在所述可磁化元件的所述至少两个不同部分产生至少两个不同的磁编码区域。

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