CN104204730A - 借助于3d霍尔传感器非接触地测量相对位置的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种非接触地测量产生磁场的磁场源(102)和磁场传感器(100)相对于彼此的相对位置的方法。本发明还涉及相应的位移传感器。本发明描述了传感器的工作原理，该工作原理基于霍尔效应，并且通过当由磁场的控制丢失时存储更早的值，以及同时在尺寸上减小的磁体而实现传感器输出范围的增大。尤其是，本方法包括如下步骤：基于两个磁通量密度分量的商而计算位置信号；计算磁通量密度的幅值并将该幅值与预定阈值相比较；如果所述磁通量密度的幅值高于阈值，则输出当前计算的位置信号；如果磁通量密度的幅值小于或等于阈值，则输出先前存储的位置信号；存储输出的位置信号。

Description

借助于3D霍尔传感器非接触地测量相对位置的方法

技术领域

本发明涉及一种用于非接触地测量产生磁场的磁场源和磁场传感器相对于彼此的相对位置的方法。本发明还涉及相应的位移传感器。本发明描述了一种传感器的工作原理，该传感器基于霍尔效应，并且通过一种当由磁场的控制丢失时存储早先的数值而同时尺寸减小的磁体而实现传感器输出范围的增加。

借助于根据本发明的方法，尤其是，借助于在一个或多个永磁体与基于霍尔效应的磁性传感器之间的磁相互作用，预期可以非接触地探测和评估线性运动。

背景技术

例如，线性运动的测量用于在气动、在自动技术和机器人和在汽车领域中控制机械工具。非接触的运动探测还提供了免于磨损的优点。光学和磁性方法是非接触测量方法中最为广泛的。由于光的小波长，光学方法确保了非常高水平的精度，而磁性方法对污垢和损坏非常不敏感，尤其是在磁体和传感器部件完全包封在非磁性密封外壳中的情况下。

各个生产商在市场上销售有位移传感器系统，在这些位移传感器中，可移位的永磁体的位置借助于二维或三维霍尔传感器来建立。

为了探测在一个位置处的相对线性运动，测量两个相互垂直的磁场分量并且求得它们的商，以探测位置。这个方法具有如下的优点：在一个场分量呈极端值并因此不探测小位移的区域中，另一场分量对位移更强地反应，使得在整个测量范围内提供基本上同等水平的测量精度。

此外，这个原理具有的优点是：由于场分量之间的比例数值用于探测位置，因此对绝对磁场强度的变化相对而言不是非常敏感。

欧洲专利说明书EP 0979988B1公开了用于对永磁体和电子传感器之间的相对线性运动进行非接触磁性探测的测量方法。为了借助于电子传感器探测相对线性运动，在一个位置处探测两个相互垂直的场分量，求得这两个场分量的商以探测该位置。

在第二种方法变型中，已知的测量方法也可以如下方式进行，使得，为了借助于电子传感器探测相对线性运动，在两个位置处探测两个相互垂直的场分量，求得这两个场分量的商以探测该位置。

公开的欧洲专利申请EP 2159546A2公开了一种用于非接触地探测传感器布置和永磁体之间的相对线性运动的测量方法，所述传感器布置用于探测两个相互垂直的磁场分量(R、A)。二维或三维霍尔传感器用于替代单个的传感器来探测各个场分量。准线性位置测量线通过函数U＝y–e+g形成，其中y是场分量的函数关系，而e和g是可预定的电压值。特别地，准线性位置测量线U＝f(y)是根据关系y＝a+b·R/f(c·Rⁿ+d·Aⁿ)由霍尔传感器的输出信号而形成，其中R是径向场分量，A是轴向场分量，U是测量电压，而a、b、c、d和n是恒定因数。

公开的欧洲专利申请EP 1243897A1涉及一种磁性位移传感器，其包括磁场源和磁场传感器，所述磁场源和磁场传感器相对于彼此沿着预定路径可移位。磁场传感器测量磁场源产生的磁场的两个分量。然后，从测量的分量中得出位置信号，该位置信号构成所述磁场传感器和磁场源的相对位置。在这个公开文件中给出的关于位移传感器的解释的区别在于：位置信号的建立包含磁场的两个测量分量的除法。

但是，这些已知的方法具有这样的缺点，磁性控制场在测量范围的端部处变得非常弱，使得用于计算位置的磁通量密度的分量呈现小的值，并因此，两个值的信噪比变得不利于计算。

图1示出了其中霍尔传感器100布置在固定位置以便非接触地探测线性运动，且可移动永磁体102的磁场被探测的布置。根据永磁体102的运动方向上的北/南极化，在运动方向上延伸的磁场随后被指定为磁场分量Bz，而与之横向延伸的分量被随后指定为By。

图2示出了根据永磁体102所处的位置z，磁通量密度的分量By和Bz的路径。零位置是永磁体102和传感器100彼此正对的位置。

可根据如下方程(1)计算的角度α通常被用作测量信号。

$\mathrm{\α}=\arctan \left(\frac{\mathrm{Bz}}{\mathrm{By}}\right)---\left(1\right)$

磁通量密度的幅值的路径作为位置z的函数在图3中示出。磁通量密度的向量幅值可以根据以下方程(2)由单独的分量By和Bz以已知的方式计算。当使用其他坐标系或者当包括第三磁场分量Bx时，相应的计算原则如本领域技术人员常规所做的那样应用。

$\left|\stackrel{\→}{B}\right|=\sqrt{{\mathrm{By}}^2+{\mathrm{Bz}}^2}---\left(2\right)$

如图4所示，角度α相对线性地取决于永磁体102相对于霍尔传感器100的位置一直到给定的极限值。当前测得的特性线借助于线α_lin大体上进一步线性化，如图4所示。线性化的线α_lin然后形成传感器的输出特性线。图5示出了传感器输出的位置信号OUT的路径。

在商业上，传统3D霍尔传感器仅在存在充分强的磁场的情况下才能够工作。如果永磁体位于传感器的探测范围之外，就不再可获得传感器信号。

还存在另一种已知的布置，其中，进行所谓的“钳位(clamping)”，也就是说，在测量范围边缘的测量值的省略。用与当前测量无关的固定的预定值替代不再可靠的实际测量值而输出。美国专利说明US 6502544B2描述了这种霍尔传感器用于节气门装置，其中，传感器信号被设定为下或上钳位电压，下或上钳位电压分别构成传感器的最小或最大可能的输出电压。

但是，这种钳制电压对于特定的技术应用来说不是充分灵活的，这是因为它们是固定地预设的，并且不取决于当前测量值。特别是，当传感器在动态范围的中心处丢失磁场时，如例如在汽车领域中的H桥电路中所发生的，这种固定设定的钳制测量值是不适合的。

发明内容

本发明的目的是改进测量方法和所提及类型的位移传感器，使得该位移传感器能够用于基本上更大的偏离范围，并在偏离范围的限定的部分范围内具有最佳精度，而不需要更强的磁场源。

这个目的是通过独立权利要求的主题来实现的。从属权利要求涉及根据本发明的方法和位移传感器的有利发展例。

本发明基于这样的概念，即磁场传感器被进一步提供有存储单元，在磁场源的控制丢失时，该存储单元允许有效的传感器信号被进一步输出。尤其是，仍然可靠地被确定的最后的位置值被存储和输出，直到永磁体已经再次沿着朝向传感器的方向移动足够远，使得永磁体在其中产生充分强的磁场为止。根据本发明的传感器然后再次输出当前测量值，以取代所存储的数值。

由于根据本发明的传感器总是输出有效的输出信号，理论上它可以用于任何尺寸的位移路径，而不会导致随后硬件和软件被处于可允许值之外的信号所干扰。对于其中虽然位移路径相对大而实际所涉及的测量范围仅是相对小的应用来说，可以摒弃不必要大的磁体的选用，该不必要大的磁体将处于这样的位置使得其覆盖整个位移范围。

如果二维或三维霍尔传感器用作磁场传感器并且磁场源包括至少一个永磁体，那么根据本发明的优点可尤其轻易地实现。

如果磁通量密度的幅值在传感器的位置处被监测，可以用特别简单和有效的方式以确定磁场源已经到达距磁场传感器过大距离处的状态，以仍然确保满意的信噪比。由于传感器在任何情况下探测单独的磁场通量密度分量，因此不需要额外的技术测量复杂性用于计算磁通量密度的幅值，但是代之以仅需要进行计算。

附图说明

为了更好地理解本发明，参照附图中所示的实施方式对它更加详细地解释。相同的部件利用相同的附图标记和相同的部件名称表示。此外，来自所示和所描述的实施方式的单个特征或特征组合也可以构成根据本发明的方案或有创造性的独立的方案。

在图中：

图1示出根据本发明的其信号能够被评估的位移传感器；

图2示出了根据永磁体的位置产生的磁场分量的路径；

图3示出由所产生的磁场分量计算得到的磁通量的幅值的路径；

图4示出由所产生的磁场分量计算得到的角度α的路径和线性化的角度的路径；

图5示出作为位置的函数的传感器的输出信号的路径；

图6示出用于在实际测量范围外的位移路径的角度α的路径；

图7是在具有大位移路径的工作期间的在没有存储单元的情况下的传感器的输出信号的图示；

图8是用于探测测量范围的边缘区域的传感器布置的示意图；

图9是用于在位移范围的边缘处有效地探测部分测量范围的根据本发明的传感器布置的示意图；

图10示出对于相对大位移路径z的计算的角α的路径；

图11是属于图10的磁通量密度的幅值的路径的图示；

图12是使用本发明的存储的角度值的示意图；

图13是由图12的角度值计算的输出值的图示；

图14是对于磁通量密度的多个阈值的根据位置的输出值的图示；

图15是用于在气缸应用中精确测量缩回位置的测量布置的示意图；

图16示出了对于图15的布置根据位移路径的输出信号输出；

图17是用于精确测量选择杆的中心位置的测量布置的示意图；

图18示出对于图17的布置，根据角度φ的输出信号的路径；

图19是从底部看的用于探测H桥电路的中立位置的测量布置的视图；

图20示出用于图19的布置的单个间隙的侧视图；

图21示出根据第一磁体的位置的传感器的输出信号；

图22示出根据第二磁体的位置的传感器的输出信号；

图23示出根据第三磁体的位置的传感器的输出信号。

具体实施方式

下面，参照附图，本发明意于被更详细地解释。

根据第一实施方式的位移传感器布置在图1中示出。霍尔传感器100安装在固定位置，而永磁体102相对于霍尔传感器100以线性可移动的方式被支撑。永磁体102被极化，使得它的北/南轴线定向为平行于运动方向。然而，原理上，本发明的原理也可以应用到其中永磁体102极化为使得它的北/南轴线横向于运动方向延伸的布置中。永磁体102能够沿两个方向通过相应应用所确定的位移路径104从图1所示的零位置移开。霍尔传感器100探测至少两个正交的磁场分量——一个沿着运动线延伸，而另一个横向于运动线延伸(见图2)。两个分量的向量和提供了磁场的幅值，如图3所示。角度α被定义为总磁场向量与相对于运动方向的垂线所包围的角度。

如已经提到的，角度α由在运动方向上的或相对于运动方向横向的磁场分量根据方程(1)计算：

$\mathrm{\α}=\arctan \left(\frac{\mathrm{Bz}}{\mathrm{By}}\right)---\left(1\right)$

所计算的角度α被线性化，以可用作位移比例输出信号OUT，如图4和5所示。

自然，根据本发明的原理也可以转移到其他磁场源(例如，电磁体)和其他磁场传感器(诸如磁阻传感器或感应传感器)。

在本说明书中，一方面在运动方向上的磁场的值Bz和另一方面横向于运动方向的磁场的值By被用作磁场分量，该磁场分量根据永磁体102在磁场传感器(在这种情况下是霍尔传感器100)中位置而被测量。自然地，正交于By延伸的值Bx也可以用于计算。

图6示出了根据方程(1)计算的角度α，用于图1的布置在-40到+40mm之间的更广阔的位移范围，其中，3D霍尔传感器100定位在将被探测的移动路径的中心处。在位置z＝0处，磁性控制场的幅值最大。在测量范围端部(在这个情况下：在大于+35或-35mm的z值处)，磁性控制场变得非常弱，使得用于计算角度的值By和Bz变得非常小，并因此这两个值的信噪比变得不利于计算。这导致在测量范围端部处的值α的很大变化，直至振荡，如图6所示。

为了抑制这种不期望的行为，在很多已知的传感器中幅值被连续监测。如果值落入到最小值以下，传感器信号被关闭或者可容许特性线范围外的值被输出。这在图7中示出。在这种情况下，对于范围z<-35mm和z>+35mm，传感器被关闭，且磁体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这些已知传感器中的磁体的最大可能位移范围，这是因为磁通量密度的分量仍必须足够大以提供有意义的测量信号。因此，本发明提出具有存储单元106的3D霍尔传感器102。

在很多应用中，仅磁体位移范围的一部分需要精确地探测，而剩余的位移范围可以以相对不精确方式表示，并且在这个范围内，恒定的有效信号输出就足够了。如果对于这种应用，传感器定位在整个位移范围的中心处，必须使用具有非常强控制场的相对大的永磁体102，使得在整个测量范围上信噪比保持足够大以用于可靠探测。图8示出这种布置，其中MBA表示测量范围开始，MBE表示测量范围端部，且MBM表示测量范围中心。TMB1示出感兴趣的部分测量范围1。

借助于根据本发明的传感器，输出特性线能够用简单得多的方式并且通过小得多的永磁体102而产生，通过将传感器100直接定位在MBA和TMB1之间的部分测量范围内，并且可移动的磁体被构造成仅大到使得它的控制场对于这个局部测量范围足够强即可。根据本发明，传感器100具有存储装置106，该存储装置106在作用为闩锁的位置，用于存储磁体离开探测范围之前的最后的当前值α。可替代的或额外的，也可以存储线性化输出值OUT，该线性化输出值可选地以另一种方式被进一步处理。

传感器输出这个值，直到磁体102被带回到传感器100的探测范围。换言之：根据本发明的3D霍尔传感器100被扩展有最后输出值的存储功能，使得传感器仍然以稳定的方式工作的测量布置中可实现在理论上无限大的磁体的位移范围。

图10示出了具有磁体的延长的位移范围的角度α的特征。离开探测范围的磁体借助于通量密度的幅值来评估，如图11所示。如果幅值小于最小通量密度Bmin的阈值，则α最后的有效值被存储为存储值α_latched，并进一步用于输出信号OUT的计算(见图12和13)。

取决于针对B场的幅值来说可容许范围被选择成如何窄，存储的值的位置和剩余的线性范围的宽度变化。这例如在图14中示意性地表示。界定较大的阈值Bmin具有的优点在于信噪比较大并且干扰的风险低，但是具有实际动态测量范围较窄的缺点。

针对根据本发明的存储3D传感器，多个有利的应用示例意于在下文中阐述。

图15示出一种传感器布置，该传感器布置允许缩回位置的精确测量，用于在气缸应用中控制末端位置。可移动的磁体102在这种情况下固定到气缸活塞108上。传感器100位于末端位置的构成实际感兴趣的测量范围的区域内。

在该位置上相关联的输出特性线在图16中示出。可以清楚地看出所需要的位移路径在200mm处相对大，但是在大的距离z>TMB1上，仅将所存储的最终值OUT_latched输出到相连接的信号处理单元，直到磁体102在位置z＝TMB1处进入其产生对于传感器100足够高的磁场的范围内为止。根据本发明，传感器再次输出实际测量值，以替代存储的值OUT_latched.

根据本发明的传感器布置的另一有利应用在图17和18中示出，用于精确测量选择杆的中间位置或中立位置。永磁体102的位移路径在这个情况下在圆弧110上延伸，选择杆112连接到永磁体102。传感器100被固定为使得当选择杆112处于要被探测的零位置时传感器100最靠近可移动的磁体102。

如图18所示，例如，对于角度φ而言，位移路径可以在从-90度到+90度的范围内延伸。然而，仅仅围绕零位置的若干角度的部分范围是必须精确探测的。如果原则上不感兴趣的边缘区域中的有效测量值被传递到后续的电子评估单元，那么相对小的磁体102绕它延伸。这根据本发明而实现，在离开限定的测量范围之前的最后测量值被存储并且供整个剩余位移范围输出。

另一有利的应用示于图19至23中。根据本发明的布置也以有利的方式用于精确测量汽车中H桥电路的中立位置。如原理上所知道的，单独的控制磁体102A、102B、102C用于每个间隙。在由于磁体布置的横向位移所致的间隙变化的情况下，如图19所示，传感器100存储在中间位置的范围内的当前值，直到探测到相邻间隙的磁体为止。

相关联的测量信号在图21至23中示出。从倒挡R到第五挡5的假想切换路径通过不连续的线示意性示出：首先，传感器100根本未测量到任何磁场，因此，作为输出信号输出最后有效测量值(由磁体102C产生)。在沿着正z方向进一步移位的过程中，由于磁体102C，控制场变得对于传感器100而言足够大以输出当前测量值。如果间隙变化，图19的整个磁体布置现在沿x方向移动，使得在传感器100处测量的B场落到阈值|Bmin|以下。传感器100然后输出在图23的特性线的动态范围内测量的最后值，直到磁体102B产生足够大的控制场为止。

在这种状态下，图22的特性线的当前测量值可以被暂时输出。在磁体布置沿着负x方向进一步位移的情况下，传感器也丢失了借助于第二磁体102B的控制，并且输出所存储的最后测量值，直到它被第三磁体102C控制为止。由于磁体布置在正z方向上移动，输出信号OUT首先在其中输出测量值的动态范围上变化。如果控制磁场在z方向上丢失，传感器100对于大约10mm上的所有位置输出最后的有效测量值。

因此，根据本发明的传感器具有如下优点，它在小的局部测量范围内以显著更精确方式测量，但是向后续单元提供在整个位移范围上有效的测量值，并从而可以在广泛得多的环境下使用。此外，小得多的控制磁体就足以用来实现测量目的。此外，根据本发明的存储功能也提供了这样的可能性，其可存储在传感器已经丢失了借由磁场源的控制之前的当前已经被测量的任意值，即使所存储的值不是在测量值的上端或下端。

附图标记列表：

100                         霍尔传感器

102、102A、102B、102C       永磁体

104                         位移路径

106                         存储单元

108                         气缸活塞

110                         圆弧

112                         选择杆

Claims (11)

1.一种用于非接触式测量磁场源(102)和磁场传感器(100)相对于彼此的相对位置的方法，所述磁场源产生磁场，其中，所述磁场源(102)和磁场传感器(100)相对于彼此可移动；

其中，所述磁场传感器(100)探测所述磁场的磁通量密度的至少两个空间分量(By、Bz)，并且位置信号由所测量的分量产生，并且其中所述方法包括以下步骤：

基于两个磁通量密度分量的商而计算所述位置信号；

计算磁通量密度的幅值并将该幅值与预定的阈值相比较；

如果所述磁通量密度的幅值高于所述阈值，则输出当前计算的位置信号；

如果所述磁通量密度的幅值小于或等于所述阈值，则输出先前存储的位置信号；

存储所输出的位置信号。

2.如权利要求1所述的方法，其中，所述磁场传感器包括二维或三维霍尔传感器(100)。

3.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述磁场源包括至少一个永磁体(102)。

4.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述位置信号的计算包括：

根据 $\mathrm{\&alpha;}=\arctan \left(\frac{\mathrm{Bz}}{\mathrm{By}}\right)$ 建立角度α；

线性化所述角度，以产生位移比例输出信号。

5.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述磁通量密度的幅值的计算是通过由所述磁场的磁通量密度的至少两个空间分量(By、Bz)计算向量幅值而进行的。

6.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述位置信号的存储包括存储角度的值和/或存储所述角度的线性化的值。

7.一种位移传感器，用于非接触式测量磁场源(102)和磁场传感器(100)相对于彼此的相对位置，所述磁场源产生磁场，

其中，所述磁场源(102)和磁场传感器(100)相对于彼此可移动；

其中，所述磁场传感器(100)被构造成使得其探测所述磁场的磁通量密度的至少两个空间分量(By、Bz)，并从所测量的分量产生位置信号，

其中，所述磁场传感器(100)包括：

控制和计算单元，所述控制和计算单元用于基于所述两个磁通量密度分量的商而计算位置信号，并用于计算磁通量密度的幅值并将该幅值与预定的阈值相比较，其中，所述控制和计算单元可以被操作以实现如果磁通量密度的幅值高于所述阈值时则输出当前计算的位置，并且如果磁通量密度的幅值小于或等于所述阈值时则输出先前存储的位置信号，

用于存储所输出的位置信号的存储单元(106)。

8.如权利要求7所述的位移传感器，其中，所述磁场传感器(100)包括二维或三维霍尔传感器。

9.如权利要求7或权利要求8所述的位移传感器，其中，所述磁场源(102)包括至少一个永磁体。

10.如权利要求7至9中任一项所述的位移传感器，其中，所述磁场源(102)产生相对于轴线旋转对称的磁场，所述轴线由所述磁场源和所述磁场传感器之间的相对线性运动所限定。

11.如权利要求7至10中任一项所述的位移传感器，其中，所述磁场源(102)和所述磁场传感器(100)布置在零位置，使得所述磁场传感器(100)被固定在由所述磁场源(102)产生的磁通量密度的幅值小于或等于所述阈值的位置处。