CN101395681B - 具有线性磁通密度的磁体 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种具有线性磁通密度的磁体，该磁体磁通密度线性地变化。尤指一种具有线性磁通密度的磁体，通过改变其磁体的形状和磁化模式，使用磁通传感器可以精确测量出与相对磁体线性变化的位移成比例的位移，因而使得磁通密度对应于位移线性地(或直线地)变化。本发明磁体配置成矩状形状或梯形形状，以便通过使用磁通传感器更精确地测量与相对磁体线性变化的位移成比例的位移，同时也使得磁通密度值对应于矩形形状或梯形形状的磁化模式线性地(直线地)变化。
Description
技术领域
本发明涉及一种具有线性磁通密度的磁体，该磁体磁通密度线性地变化。尤指一种具有线性磁通密度的磁体，通过改变磁体的形状和磁化模式，使用磁通传感器更精确地测量与相对磁体线性变化的位移成比例的位移，同时也使磁通密度对应于位移线性地(或直线地)变化。
背景技术
磁体是具有磁力并能吸附铁粉的物体。术语“永磁体”意指具有强磁力的磁体，其产品用于工业中。永磁体通常被称为磁体。
磁体能够吸附放置于其周围的铁片。受磁力作用的空间称为磁场。也就是说，磁体产生磁场。磁场的形状可以通过由铁粉得到的磁场图案而确定。如果在磁体上放置一张厚的白纸，再将铁粉均匀撒在白纸上，就可以看到磁场图案。将小磁针放置在所述图案上时，小磁针指向磁力线方向。磁力线从磁体的N极指向磁体的S极。
两磁极之间的力遵循库仑定律，其中力与两磁极之间的距离的平方成反比，与磁极强度成正比。磁极强度和两磁极之间的距离的乘积定义为“磁矩”。磁极实质上由一对具有相同强度的N极和S极构成，因而磁距不应视为磁极强度而应视为一个基本物理量。磁矩是一个从S极指向N极的矢量。计算两个磁距之间的力时，力与距离的四次方成反比。因此，两个磁体之间的吸引力随两个磁体彼此接近而增大，随两个磁体彼此距离增大而快速减小。
通过改变磁畴的形状、配置和方向实现磁化。上述各特征几乎不变的物体一旦被磁化，即使磁场减小到0也不会恢复到初始状态，因而仍保留有磁矩。这种具有大剩余磁化强度的物体是永磁体。
术语“磁通量”意指在垂直于磁通密度或磁感应方向上的截面积分得到的量。磁通量的单位在CGS单位系统中是麦克斯韦(Maxwells)，Mx，而在MKS单位系统或SI单位系统中是韦伯(Webers)，Wb。当通过线圈的磁通量随时间变化时，在线圈的两端感应出与变化率成比例的电压(法拉第电磁感应定律)。电压的方向与阻止电流引起的磁场变化方向相同。这称为“楞次定律”。磁通量由通过永磁体或线圈的电流而产生。
对应于检测磁场的各方法已经有不同类型的传感器，最广为人知的传感器是霍尔传感器。霍尔传感器以下述方式工作，即当电流流过半导体器件(霍尔器件)的电极时沿垂直于半导体器件(霍尔器件)的方向施加磁场，在垂直于电流和磁场的方向上即可产生电势。
最简单的用于测距的仪器是使用永磁体和传感器来检测磁通量的仪器。该仪器能测量随相对于永磁体的距离变化而变化的磁通密度，并根据传感器产生的电势来测量距离。
然而，由于永磁体产生的磁通密度不是随距离而线性产生，因此需要在仪器中提供用于非线性补偿的程序或电路以使该仪器用作传感器来有效地测量距离。因此，该仪器仅当满足此条件时才可以起精确测量距离的作用。此外，为了补偿取决于距离的单一磁场产生的非线性磁通密度的分布，已经对通过不同类型的磁体与多个磁体的结合使用来获得具有线性磁通密度的结构开展了广泛的研究。
近来，已经研究出了不同类型的非接触式距离测量仪器，每一仪器在线性范围或者在角度范围内，都可以检测物体的绝对位置，并测量线性位移和角位移。
现有多种非接触方式的检测测量位置的方案。尽管使用滑动电阻或电位计的仪器是最典型的，但其可靠性不能令人满意。尽管光学定位器具有用于读取光学范围如狭缝范围的光学传感器，但其结构更加复杂。此外，尽管记录在磁介质上的磁范围被磁传感器读取，其结构依然复杂，而且不能检测绝对位置。
也就是说，只有两个任意点之间的距离可以测量。本发明提供一种具有线性磁通密度的磁体，通过此种磁体可以检测到待检测物体的绝对位置，而且此种磁体结构非常简单、测量范围大、可靠性高。
传统的仪器设计为在磁传感器14相对永磁体12并沿永磁体12的极轴方向移动时测量距离。图1是用于检测位置的传统的仪器(下文称“位置探测仪”)的透视图。图中，永磁体12与磁传感器14相对设置。在这种情况下，永磁体12和磁传感器14之间的距离L可能变化。也就是说，允许两个元件相对移动。磁传感器14相对于永磁体12沿着永磁体12的极轴方向移动。从永磁体12产生的磁场被磁传感器14中的敏感磁感应器件检测到，距离L由从磁传感器14输出的显示信号显示并检测。然而，在上述描述的结构中，具有高度线性特性曲线的有效距离非常短。
此外，如图2所示，闭合磁路28包括U形磁轭22、永磁体24和具有磁阻感应元件如Barber电极型元件的磁传感器26。磁传感器26相对于永磁体24沿着垂直于永磁体24的极轴方向移动。然而，在上述结构中，也难以得到精确的线性特性曲线。
发明内容
技术问题
因而，需要一种具有线性磁通密度的磁体，通过改变磁体的形状和磁化模式，可以使用磁通传感器更精确地测量与相对磁体线性变化的位移成比例的位移，同时也使得磁通密度对应于位移线性地(或直线地)变化。
技术方案
为了解决上述问题，本发明的一个目的在于提供一种具有线性磁通密度的磁体，通过改变磁体的形状和磁化模式，可以使用磁通传感器更精确地测量与相对磁体线性变化的位移成比例的位移，同时也使得磁通密度对应所述位移线性地(或直线地)变化。
有益效果
本发明通过使用这样一种结构，不再需要典型的误差校正过程，即将磁通密度的非线性变化转换为线性变化的复杂过程，消除了在误差修正过程中产生的位置相关误差。该结构通过对磁体形状、磁化强度以及磁化范围的改变使从磁极表面发出的磁通密度线性变化，并可通过一传感器测量磁极表面发出的线性磁通密度。其中传感器位于远离磁极表面一预先设定的距离处，与磁极表面平行，并且在平行磁极表面的方向移动。这样就可以根据传感器产生的电压精确测量绝对距离。因而，一种更加精确的使用磁体的位置传感器能够得以实施。
附图说明
图1为传统的位置检测仪的透视图；
图2为传统的使用U形磁轭的位置检测仪的透视图；
图3为典型磁体的形状和磁化模式的示意图；
图4为典型磁体的磁通密度沿平行极轴方向变化的曲线图；
图5为有效使用区间中呈现线性的曲线图；
图13为典型磁体的形状和磁化模式的示意图；
图7为典型磁体中的磁通密度沿垂直极轴的方向变化的曲线图；
图16为本发明的磁体的形状和磁化模式的示意图；
图9为本发明的磁通密度变化曲线图；
图10为本发明的另一实施例的磁体形状和磁化模式示意图；
图11为本发明的另一实施例的磁通密度变化曲线图；
图12为本发明的图11中的画圈部分A的放大视图；
图13为本发明的取决于磁通密度的边界变化示意图；
图14和15为使用磁显示器得到的、测量位置处磁体的磁通量分布的照片；和
图16为本发明的三角形和矩形(Rectangular)磁体的磁通密度变化曲线图。
实施本发明的最佳方式
本发明提供一种具有线性磁通密度的磁体，该磁体被用于测量距离的传感器，其中该磁体被配置成矩形(Rectangular)形状，并且磁体的N极和S极以正弦波的形式从矩形(Rectangular)形状磁体的边缘处沿对角线方向被磁化。
具体实施方式
根据本发明的优选实施例将参考下面的附图描述如下。
图1为传统的位置检测仪的透视图，图2为传统的使用U形磁轭的位置检测仪的透视图，图3为典型磁体的形状和磁化模式的示意图，图4为典型磁体的磁通密度沿平行极轴方向变化的曲线图，图5为有效使用区间中呈现线性的曲线图，图13为典型磁体的形状和磁化模式的示意图，图7为典型磁体中的磁通密度沿垂直极轴的方向变化的曲线图，图13为本发明的磁体的形状和磁化模式的示意图，图9为本发明的磁通密度变化曲线图，图10为本发明的另一实施例的磁体形状和磁化模式示意图，图11为本发明的另一实施例的磁通密度变化曲线图，图12为本发明的图11中的画圈部分A的放大视图，图13为本发明的取决于磁通密度的边界变化示意图，图14和15为使用磁显示器得到的、测量位置处磁体的磁通量分布的照片，和图16为本发明的三角形和矩形(Rectangular)磁体的磁通密度变化曲线图。
图1为传统的位置检测仪的透视图，图2为传统的使用U形磁轭的位置检测仪的透视图。如上所述，传统的位置检测仪存在问题，因为没有精确的线性磁通密度，并且呈现线性磁通密度的范围相对小。
图3为典型磁体的形状和磁化模式的示意图。磁体分为N极和S极，两极具有相同的面积，并且被磁化。尽管使用典型磁体的传感器采用了使用传感器测量离磁体极轴变化的距离的方案，本发明采用测量线性变化的距离的方案，传感器位于垂直极轴的方向上并远离N极或S极的表面以一预定的距离，并且与磁极的表面平行。传统方案的缺点是难以实现线性，因为磁通密度不能随相对磁体的距离变化而线性变化，而是与距离的平方成反比。
本发明的重要环节在于磁通密度，其从磁极的表面发出，能通过改变磁体的形状、调节磁化的强度和范围而线性变化，从而通过与磁极的表面平行移动的传感器测量从磁极表面产生的线性磁通密度，并且根据传感器产生的电压精确测量出绝对距离。
图4为典型磁体中的磁通密度沿平行极轴方向变化的曲线图。从图中可看出磁通密度的极性被改变，并且线性区间非常小，因为磁通密度变化的测量是沿着与彼此相对的N极和S极的侧面平行移动的方向进行的。
图5为有效使用区间中呈现线性的曲线图，示出了呈现线性而且可被用于传感器的区间，此区间仅约为总区间的20％。
图13为典型磁体的形状和磁化模式的示意图，示出了磁通量密度的测量，该磁通密度从图3所示的相同的磁体发出，沿垂直极轴方向完成，并且平行于磁极的表面。
图7为典型磁体的磁通密度沿垂直极轴的方向变化的曲线图，并且是表示使用如图13中所示的形状得到的测量值的图。尽管这个图示出的线性区间比图5中所示的区间宽一点，但可以看到该区间不超过总区间的20％到30％。
图16为本发明的磁体形状和磁化模式曲线图，并且示出了磁体的N极和S极以正弦波的形式从矩形形状的磁体的左上角沿着对角线方向被磁化。
一般地，磁力的强度被定义为与测量距离的平方成反比。因而，在典型磁体的形状(例如，环或条)中和磁体被磁化到预定强度的结构中，取决于位移的磁力强度的变化用二次函数图表示，不是线性的。
因此，通过改变典型磁体的形状和磁化模式，本发明的磁体被制造成磁力强度线性变化的结构。
当磁体沿如图16中虚线所示的对角线方向被磁化时，依赖于位置的N极的磁通密度与距离的平方成反比，并且磁通量沿对角线方向分布。因而，当在距N极1□的位置处测量磁通密度时，取决于位置的磁通密度在磁通密度图中不是线性地变化。因此磁体磁化模式的改变使得磁通密度在一特定区间呈现线性变化，如图16a中的实线所示。
为了使磁通密度在特定区间内随距离线性地变化，磁体被制造成使其磁化模式稍微扭曲并沿对角线方向变化的结构，如图16所示。
在图16中，在磁体0～12的区间内测量传感器的位移。传感器置于离磁极表面一预定距离d的位置处，垂直磁体的极轴，并且平行于磁极的表面移动。与稍微呈现非线性的区间0～12的两端不同，区间2～10可以被用来作为精度更高的位置传感器的使用区间。
为了测量由实际距离决定的磁通密度的变化，对应每一距离磁通密度的变化使用可编程霍尔集成电路(IC)测量。所使用的可编程霍尔IC是Micronas的元件，并且具有±0.1％的误差率。实验结果示于图9中。
图9为本发明的磁通密度变化曲线图，并且表明对应每一距离的磁通密度值在特定区间内(2～8□)是线性的。因此，可以看出磁体的磁化模式改变后，在特定区间对应每一距离的磁通密度值可能是线性的。然而，当被测磁通密度处的距离增加时，由于磁力强度与距离的平方成反比，因此磁体的磁化模式必须根据测量的距离而设定。
图10为本发明的另一实施例的磁体形状和磁化模式示意图。磁体底部的宽度为W，并且可根据需要调节，磁体的S极的左侧的高度为Sd1，磁体的S极的右侧的高度为Sd2。此外，磁体的N极的左侧的高度为Nd1，磁体的N极的右侧的高度为Nd2。N极配置在S极上。因此，在这种S极和N极配置的情况下，磁体左侧的总高度为Sd1+Nd1，磁体右侧的总高度为Sd2+Nd2，因而磁体具有矩形(Rectangular)形状，并且磁体右侧的高度大于左侧的高度。
当磁体的形状用数值表示时，磁体S极的左侧的高度为1，磁体S极的右侧的高度为2，磁体N极的左侧的高度为1，磁体的N极的右侧的高度为2。因此，在这种S极和N极配置的情况下，磁体左侧的总高度为2，磁体右侧的总高度为4，因而磁体具有矩形(Rectangular)形状，并且磁体右侧高度是左侧高度的2倍。
优选N极和S极被磁化成使得磁体的左表面和右表面的相应宽度比为1～2：2～4。
磁体被磁化成具有如图10所示的结构，测量对应每一距离的磁通密度的变化，测量位置随点A和点B1到B4之间的直线的角度变化而变化，其中点A距磁体右表面边缘上端任意距离d，点B1到B4与磁体左表面上的点B形成不同角度。图11中描绘了测量值中呈现最佳线性度的位置，描述如下。
如图10，根据角度变换测量位置，即可发现呈现最佳线性度的位置。此外，要考虑的是：1)受磁通影响的边界随着磁通密度的增大而变窄，和2)受磁通影响的边界随着磁通密度的减小而变宽。
与磁极表面有一定距离的初始测量点A可以变动。此外，磁体的形状可以改变，因为磁体的左侧和右侧高度比可以改变。
如图13所示，磁通密度的边界随磁通密度的增大而变窄，磁通密度的边界随磁通密度的减小而变宽。因此，测量时测量位置随与图10中点A的角度不同而改变，点A周围的磁通密度增大，边界就变窄。点A周围的磁通密度具有与测量距离的平方成反比的特性。相反，远离点A的被测距离处的磁通密度的变化率小于点A处的，因为点B处的磁通密度小。因此，通过调整测量位置和角度，在选定的区间中取决于距离的磁通密度的变化可以呈现极好的线性。
图11为本发明的另一实施例的磁通密度变化曲线图。图中，通过调整测量位置和角度，在选定的区间中取决于距离的磁通密度的变化可以呈现极好的线性。
图中，部分A表示轻微非线性的区间。图12中示出了部分A的放大视图。
图12为根据本发明的图11中的画圈部分A的放大视图，其中部分A处的误差值被放大10倍。
在实施例中，考虑图的全部特性，在从1.5□到9.5□(相差8.0□)的位移区间里呈现几乎接近直线的特性。也就是说，当磁体或可编程霍尔IC在8.0□的范围内移动时，可根据距离检测到位置。当在应用中使用此特性时，可实现位置检测。因此，当用可编程霍尔IC将初始值设为0，用程序将最大值设为最大距离(例如，6□)时，机械装配的偏差产生的误差等可利用程序设定，因此误差可得到补偿，从而进一步提高精确度。
图14和15为使用实际的磁显示器得到的在测量位置处磁体磁通量分布照片。如照片所示，磁通密度高的部分显示为暗色，而磁通密度低的部分显示为亮色。因此，从照片中可看出磁通密度与距离成比例变化。实际磁显示器主要用于观测S极和N极之间的边界表面。使用磁显示器在某种程度上可测到磁通分布的形状。可编程霍尔IC主要用于精确测量磁通密度。此外，高斯计可用于测量磁通密度。因此，当使用可编程霍尔IC测量磁通密度时，可得到更精确的测量值。
图16为本发明的三角形和矩形(Rectangular)磁体的磁通密度的变化曲线图，而且示出了通过矩形(Rectangular)磁体的磁化模式的改变使矩形(Rectangular)磁体获得更精确的磁通密度而得到的结果，和通过三角形(梯形)磁体的形状和磁化模式的改变而得到的结果，两者几乎重叠。可以得出结论：磁通密度在实际磁体有效区间内即在0～12范围的区间内，随距离线性变化。可以获得具有线性磁通密度的磁体，该磁体通过对绝对位置的精确检测而实现精确控制。
工业实用性
本发明通过使用这样一种结构，不再需要典型的误差校正过程，即将磁通密度的非线性变化转换为线性变化的复杂过程，消除了在误差修正过程中产生的位置相关误差。该结构通过对磁体形状、磁化强度以及磁化范围的改变使从磁极表面发出的磁通密度线性变化，并可通过一传感器测量磁极表面发出的线性磁通密度。其中传感器位于远离磁极表面一预先设定的距离处，与磁极表面平行，并且在平行磁极表面的方向移动。这样就可以根据传感器产生的电压精确测量绝对距离。因而，一种更加精确的使用磁体的位置传感器能够得以实施。
Claims (9)
1.一种具有线性磁通密度的磁体，所述磁体被用于测量距离的传感器中，其特征在于：所述磁体被配置成具有矩形形状，所述磁体的N极和S极以正弦波的形式从所述具有矩形形状的磁体的边缘沿着对角线方向被磁化。
2.如权利要求1所述的磁体，其特征在于：构成所述磁体的N极或S极根据沿直线变化的距离的变化而产生线性磁通密度，所述直线相距所述磁体的N极或S极的表面一预定距离并与所述磁体的N极或S极的表面平行。
3.如权利要求2所述的磁体，其特征在于：所述磁通密度由构成所述磁体的N极或S极产生，并随所述磁体的N极或S极的表面线性地变化。
4.如权利要求1-3中任一所述的磁体，其特征在于：所述磁通密度由构成所述磁体的N极或S极产生，由基于沿直线变化的距离的传感器测量，所述直线相距所述磁体的N极或S极的表面一预定距离，并与所述磁体的N极或S极的表面平行，所述磁通密度随距离的变化而保持线性。
5.一种具有线性磁通密度的磁体，所述磁体被用于测量距离的传感器中，其特征在于：所述磁体被配置成该磁体的S极的右表面高度大于该磁体的S极的左表面高度以及该磁体的N极的右表面高度大于该磁体的N极的左表面高度，并且所述N极的左表面与所述S极的左表面排列对齐，所述N极的右表面与所述S极的右表面排列对齐，并且该磁体被配置成其顶表面倾斜，所述磁体被配置成具有矩形形状。
6.如权利要求5所述的磁体，其特征在于：构成所述磁体的N极或S极根据沿直线变化的距离的变化而产生线性磁通密度，所述直线形成于点A与多个任意点B之间，其中所述点A与所述多个任意点B分别远离所述磁体的N极或S极的表面一预定距离，并且其中所述点A被设置于远离所述磁体右表面的上端，所述多个任意点B被设置于远离所述磁体左表面的上端，所述多个任意点B相对于点A形成不同的角度。
7.如权利要求6所述的磁体，其特征在于：构成所述磁体的N极或S极被磁化成使得所述磁体的左表面和右表面的相应宽度比为1～2∶2～4。
8.如权利要求7所述的磁体，其特征在于：所述磁体的所述磁通密度随所述磁体的N极或S极的表面线性地变化。
9.如权利要求5-8中任一所述的磁体，其特征在于：所述磁体的所述磁通密度由基于沿着直线变化的距离的传感器测量，所述直线形成于点A与多个任意点B之间，其中所述点A与所述多个任意点B分别远离所述磁体的N极或S极的表面一预定距离，并且其中所述点A被设置于远离所述磁体右表面的上端，所述多个任意点B被设置于远离所述磁体左表面的上端，所述多个任意点B相对于点A形成不同的角度，所述磁通密度随距离的变化而保持线性。
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