CN104220844A - 借助磁场传感器阵列基于霍耳效应非接触测量相对位置的位移传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于非接触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位移传感器，其中磁场源(102)和磁场传感器(100)相对于彼此可移动。多个磁场探头(106-1,106-2,106-3,...106-N)产生多个位置信号，每个磁场探头检测磁场的磁通密度的至少两个空间分量(By,Bz)。控制和计算单元(108)基于所述多个位置信号计算位移传感器的输出信号，并且存储单元(110)存储各个位置信号，控制和计算单元计算磁通密度的大小并且将该大小与预定阈值比较，从而如果所述磁通密度的大小比所述阈值高则为各磁场探头(106-1,106-2,106-3,...106-N)输出当前计算的位置信号，如果所述磁通密度小于或者等于所述阈值则输出先前存储的位置信号。

Description

借助磁场传感器阵列基于霍耳效应非接触测量相对位置的位移传感器

技术领域

本发明涉及用于非接触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位移传感器。本发明还进一步涉及用于建立所述位置的相应测量方法。

借助于根据本发明的方法，具体地直线运动旨在借助于一个或者更多个永磁体和磁性传感器布置之间的磁互作用基于霍耳效应非接触地检测和评估。

背景技术

直线运动的测量例如用于控制机床，用在气动装置中，用在自动化技术和机器人中，以及用在自动部中。运动的无接触检测尤其提供了免于磨损的优点。光学方法和磁性方法在无接触测量法中是最广泛的。光学方法由于光的小波长确保非常高的精度等级，磁性方法对于污物和损伤较不敏感，特别是因为磁体和传感器部件能够被完全地封闭在非磁性的气密性外壳中。

各个制造商在市场上推出了其中可移位永磁体的位置借助于二维或三维的霍耳传感器来建立的位移传感器系统。

为在一部位处检测相对直线运动，两个互相垂直的磁场分量被测量，并且评估它们的商来检测该位置。该方法的优点在于，在其中一场分量呈极值且因此不检测小位移的区域中，另一场分量更加强烈地对位移起反应，从而在整个测量范围上提供大致同样高的测量精度水平。

此外，这一原理的优点在于，由于用场分量之间的比例数来检测位置，其对于绝对磁场强度的改变相比较而言不是非常敏感。

欧洲专利说明书EP 0979988 B1公开了用于永磁体和电子传感器之间的相对直线运动的无接触磁探测的不同测量方法。为借助于电子传感器检测相对直线运动，在一位置处检测两个互相垂直的场分量，该两个场分量的商被计算以检测该位置。

在第二种方法变体中，还可以执行已知的测量方法，使得为了借助于电子传感器检测相对直线运动，在两个位置处检测两个互相垂直的场分量，该两个场分量的商被计算以检测该位置。

公布的欧洲专利申请EP 2159546 A2公开了用于无接触检测在用于检测两个互相垂直的磁场分量(R,A)的传感器布置和永磁体之间的相对直线运动的测量方法。二维或三维的霍耳传感器用以代替个体的传感器以检测各个场分量。准线性的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是预定的电压值。具体地，准线性的位置测量线U＝f(y)由霍耳传感器的输出信号根据关系式y＝a+b·R/f(c·Rⁿ+d·Aⁿ)形成，其中R是径向场分量，A是轴向场分量，U是测量电压，并且a、b、c、d和n是常数因子。

公布的欧洲专利申请EP 1243897 A1涉及一种磁性的位移传感器，其包括相对于彼此能够沿着预定路径移位的磁场源和磁场传感器。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构成磁场传感器和磁场源的相对位置的位置信号。该公布中提出的关于位移传感器的说明的特点在于，位置信号的建立包括磁场的两个测量分量的划分。

但是，这些已知的方法具有缺陷，即磁控制场在测定范围的端部处变得非常弱，从而用以计算所述位置的磁通密度的分量呈现小的值，且因此两个值的信噪比对于计算变得不利。

欧洲专利说明书EP 1071919 B1进一步公开了用于磁性位置建立的传感器布置和方法，其具有用于非线性传感器范围的校正，其中多个磁场转换器沿着永磁体的位移路径布置。这些转换器中的每一个供给一维的输出信号，该输出信号随着磁体接近每个转换器、经过每个转换器以及再次移动离开每个转换器而改变。在这一布置中，在两个磁场转换器之间的特性线转变范围中发生的非线性旨在以如下方式消除，即两个转换器在评估中被组合且进一步地固定的预定偏移值被添加到由此计算的输出信号。但是，该已知布置不能使用借助于多维霍耳传感器的反正切计算的优点，并且另外要求非常明显的处理复杂性以用于标定。

图1示出了这样的布置，其中霍耳传感器100布置在固定位置，例如，布置在壳体上，以非接触地检测直线运动并且检测可移动的永磁体102的磁场。根据永磁体102在运动方向上的N/S极化，沿运动方向延伸的磁场由此被称为磁场分量Bz，而横向于此延伸的分量则称为By。由霍耳传感器100覆盖的在z方向上的整个测量范围由附图标记104指示。

图2示出了根据永磁体102所处的位置z的磁通密度的分量By和Bz的路径。在本示例中，零位置是永磁体102和传感器100直接彼此相对的位置。

能够根据以下等式(1)计算的角度α在本示例中用作测量信号。

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

磁通密度的大小的路径在图中示出为部位z的函数。磁通密度的矢量大小以已知方式由各个分量By和Bz根据以下等式(2)计算。在使用其它的坐标系以及另外在包括有第三磁场分量Bx时，相应的适用计算规则对于本领域技术人员是惯用的。

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

如在图4中所示，角度α比较线性地依赖于永磁体102的位置，直至相对于霍耳传感器100的给定极限值。当前测量的特性线通常被进一步线性化，如图4中所示借助于线α_lin。该线性化的线α_lin然后形成传感器的输出特性线。图5示出了由传感器输出的位置信号OUT的路径。

市售的最惯用的3D霍耳传感器能够仅在存在足够强的磁场的情况下工作。如果永磁体位于传感器的检测范围之外，则不再能够获得传感器信号。

还存在其它的已知布置，其中执行所谓的“箝位”，也就是说，忽略在测量范围边缘处的测量值。与当前测量无关的固定的预定值被输出以替代不再可靠的实际测量值。美国专利说明书US 6502544B2描述了用于节流阀布置的该类型的霍耳传感器，其中传感器信号被设置为分别构成传感器的最小或最大可能输出电压的低箝位电压或高箝位电压。

但是，这些箝位电压对于具体工业应用并不足够灵活，因为它们被固定地预设且并不依赖于当前的测量值。

因此，在德国专利申请DE 102012203225.8中提议磁场传感器额外设置有存储单元，该存储单元允许在失去磁场源的控制时还输出有效的传感器信号。具体地，上个仍然可靠地确定的位置值被存储且被输出，直至永磁体再次在朝向传感器的方向上移动使得其中产生足够强的磁场。传感器然后再次输出当前的测量值，以替代存储的值。假使传感器随时输出有效的输出信号，其能够在理论上用于任意长度的传播路径，而不会随后有在许可值之外的信号干扰硬件和软件。

使用德国专利申请DE 102012203225.8中提出的知识，现在可以产生霍耳传感器的进一步改进，这些进一步改进先前是不能实现的或者仅在极其高的复杂性情况下能够实现。

发明内容

具体地，本发明目的在于改进用于无接触位置检测的位移传感器和关联的测量方法，以便测量范围能够得以明显提高，同时较小的磁体能够用作磁场源。

该目的通过独立权利要求的主题实现。从属权利要求涉及本发明的有利发展例。

本发明是基于这样的构思，即检测磁场源位置的磁场传感器具有多个磁场探头。每一磁场探头输出位置信号并且该位置信号是基于磁场的磁通密度的至少两个空间分量。提供了控制和计算单元，该控制和计算单元基于所述多个位置信号输出位移传感器的总输出信号。根据本发明，提供了存储个体位置信号的存储单元。控制和计算单元基于在每一磁场探头的部位处测量的磁通密度的计算得到的大小来判定当前的位置信号被输出作为位置信号或者先前存储的位置信号应输出且被作为随后计算的基础。

通过监测传感器部位处的磁通密度的大小，可以以特别简单且有效的方式来确定其中磁场源已经到达距离磁场传感器过大的距离的状态，以仍确保符合要求的信噪比。由于传感器检测在任何情况下检测个体的磁场磁通密度分量，所以不需要增加技术测量复杂性来计算磁通密度的大小，相反仅需要执行计算。

由此，有利地可以实现在较大传播路径上的稳定的测量信号，而不必接受过大的磁体或者过多的处理复杂性。

如果二维或三维的霍耳传感器用作磁场探头并且磁场源包括有至少一个永磁体，则根据本发明的优点能够特别容易地实现。

使用反正切函数计算输出信号的优点通过如下方式利用，即根据等式(1)基于两个磁通密度分量的商来计算每一位置信号。

根据本发明用于存储相应的位置信号的存储单元可以是每一个体磁场探头的一部分，或者位于上级的控制和计算单元中。这主要依赖于磁场探头/IC的具体构造。个体的磁场探头越智能，则中央控制和计算单元相应地需要的处理能力越弱。

根据本发明的用于借助于传感器布置非接触测量相对位置的方法包括：

基于磁通密度的两个分量计算多个位置信号；

计算在每个磁场探头的部位处的磁通密度的大小，并且将该大小与预定的阈值比较；

如果磁通密度的大小比阈值高，则输出每个当前计算的位置信号；

如果磁通密度的大小小于或者等于阈值，则输出先前存储的位置信号；

存储用于每个磁场探头的输出位置信号；

基于所述多个位置信号计算位移传感器的输出信号。

借助于根据本发明的方法，可以通过在计算输出信号时选择相应的计算规则而使用比较小的磁体在宽的测量范围上实现线性的无干扰信号。具体地，位移传感器的输出信号能够基于多个位置信号建立，因为对于所有的磁场探头，相应的位置信号被加在一起，并且该总和随后被除以磁场探头的总数。这构造了简单的规则，且该规则仍确保输出值保持在随后的用于位移传感器的外围设备所预期的标准化限界内。

对于每个个体的位置信号已经确保了高的精度水平，因为每个个体的位置信号根据依据等式(1)的规则来建立。

位置信号的根据本发明的存储能够包括角度值的存储或者该角度的进一步处理的线性化值的存储。这种情况下所选择的变体同样取决于在各个磁场探头中的处理能力有多大及有多智能。

附图说明

为更好地理解本发明，参考在附图中图示的实施方式来更详细地解释本发明。相同的部件用相同的附图标记和相同的部件标示来指示。此外，所示及所说明的实施方式中的各个特征或者特征组合也可以构成本身有创造性的独立方案，或者根据本发明的方案。

在图中：

图1是3D霍尔探头的示意图；

图2示出了根据永磁体相对于个体霍尔探头的位置产生的磁场分量的路径；

图3示出了从在图1的霍尔探头的部位处产生的磁场分量计算的磁通量的大小的路径；

图4示出了从产生的磁场分量计算的角度α的路径和线形化的角度的路径；

图5示出了作为位置z的函数的传感器的输出信号的路径；

图6示出了对于在图1的霍尔探头的实际测量范围之外的位移路径的角度α的路径；

图7是在大的位移路径的操作期间无存储单元的霍耳传感器的输出信号的图示；

图8是带有用于检测测量范围的边缘区域的传感器布置的示意图；

图9是设有多个磁场探头的传感器布置的示意图；

图10示出了如在图9中使用三个探头的示例的布置中的个体磁场探头的计算的角度α的路径；

图11是属于图10的总信号的路径的图示；

图12是根据第一实施例的为线性化形式的总信号的示意图；

图13是根据第二实施例的为线性化形式的总信号的示意图；

图14是根据第三实施例的为线性化形式的总信号的示意图。

具体实施方式

现在将在以下参考附图更详细地描述本发明。

图1中示出了具有单个霍尔探头的位移传感器布置。在该布置中，霍耳传感器100安装在固定位置，同时永磁体102以相对于霍耳传感器100线性可移动的方式被支撑。永磁体102被极化，以使其N/S轴线定位成平行于运动方向。但是就原理而论，本发明的原理同样可以应用于其中永磁体102被极化以使其N/S轴线横向于运动方向延伸的布置。永磁体102能够通过由相应应用确定的位移路径104沿两个方向移出图1所示的零位置。霍耳传感器100检测至少两个正交的磁场分量-其中一个沿着运动线延伸，其中一个横向于此延伸(见图2)。两个分量的矢量相加提供了磁场的大小如图3中所示。角度α被定义为由带有相对于运动方向的垂直线的总磁场矢量围起的角度。

如已经提及的，角度α从沿运动方向或者横向于运动方向的磁场分量根据等式(1)计算出：

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

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中图示的。

自然地，根据本发明的原理同样可用到其它的磁场源，例如电磁体，以及用到其它的磁场传感器，诸如磁阻传感器或者感应传感器。

在本说明书中，一方面，磁场的在运动方向上的值Bz，以及另一方面，磁场的横向于运动方向的值By被用作根据永磁体102在磁场传感器中的位置而测量的磁场分量，在本示例中，磁场传感器即霍耳传感器100。自然地，与By正交地延伸的值Bx也可以用于所述计算。

图6示出了对于图1中的布置在-40和+40mm的更大位移范围上根据等式(1)计算的角度α，其中3D霍耳传感器100被布置在要检测的测量路径的中央。在位置z＝0，磁控制场的大小为最大值。在测量范围的端部(在本示例中：大于+35或者-35mm的z值)处，磁控制场变得非常弱从而用于计算所述角度的By和Bz的值变得非常小，且相应地两个值的信噪比变得不利于计算。这导致在测量范围端部(-180°或者+180°)处直至值α的振荡的大变化，如在图6中图示的。

为抑制这一不良的特性，在一些已知传感器中连续地监测所述大小如果值落在最小值以下，则传感器信号被关掉或者在许用的特性线范围之外的值被输出。这在图7中示出。在本示例中，传感器对于z<-35mm和z>+35mm的范围被关掉，并且磁体的位移位置不再能被示出。磁通密度By或者Bz的信噪比因此界定了这些已知传感器中磁体的最大可能位移范围，因为磁通密度的分量仍必需足够大以提供有效的测量信号。

如在图8中所示，更大的控制磁体能够用以增大测量范围，其中MBA标示测量范围的起始，MBE标示测量范围的结束，并且MBM标示测量范围的中心。

相比而言，DE 102012203225.8提出了具有存储单元106的3D霍耳传感器102。

有利地，传感器100具有存储装置110，该存储装置110能够用作为寄存器以存储磁体离开检测范围之前的上一当前值α。替代地或者另外地，也可以存储可以可选地以另一方式进一步处理的线性化的输出值OUT。

传感器输出该值，直至磁体102恢复到传感器100的检测范围中。换句话说：3D霍耳传感器100通过上一有效输出值的存储而得以补充，以便在理论上无限大的磁体的位移范围在传感器仍具有稳定特性的情况下在测量布置中是可能的。

离开检测范围的磁体借助于磁通密度的大小来计算。如果该大小小于最小磁通密度的阈值Bmin，则上一有效值α被存储作为存储值α_latched，且被附加地用于输出信号OUT的计算。

根据为B场的大小选取的许用的范围有多窄，存储值的位置和其余线性范围的广度发生改变。对更大阈值Bmin的限制具有优点，即信噪比较大且干扰的风险较低，但其缺陷在于实际的动态测量范围较窄。

在DE 10 2012 203225.8中提出的在霍尔探头失去永磁体102的控制磁场情形下的寄存器功能能够根据本发明用于特别有效地增大测量范围。如在图9中图示的，根据本发明，多个磁场探头106-1至106-N沿着位移路径104布置，而不是仅单个的霍耳传感器。永磁体102在位移传感器的操作期间沿着位移路径104朝向个体霍尔探头移动且随后再次远离它们移动。因此从每个个体的霍尔探头106-1至106-N的视角来看，永磁体的控制起始地变得逐渐地增强，直至其处于最大值，且然后再次减小，直至其完全消失。

根据本发明，只要在各霍尔探头106-1至106-N处测量的磁场强度│B1│、│B2│、│BN│足够高，则各霍尔探头提供角度α的当前测量值作为位置信号。如果磁场强度在相关探头的位置处的大小小于限定的阈值，则上一有效的测量值被用作相应的位置信号。磁场大小与角度信号的存储值的比较直接在相应的霍尔探头106-1至106-N中发生还是仅在上级的评估和计算单元108中发生并不重要。如果霍尔探头106-1至106-N结合较大的智能和整合的存储功能使用，则其优点在于能够通过原位处的测量值处理来减少杂散失真的影响。另一方面，存储单元110在评估和计算单元108中的布置的优点在于，能够无任何改变地使用市售的霍尔探头。

图10示出了对于具有三个磁场探头106-1、106-2、106-3的传感器布置根据位移路径104的个体位置信号α1、α2、α3。根据本发明，各探头在整个位移范围上提供有效的测量值，所述位移范围在本示例中从-100mm涵盖至+100mm，角度线的零点在所有情况下直接位于分别的磁场探头的位置处。在边缘区域中，上一有效的位置值以稳定方式被输出，直到永磁体102再次控制相应的霍尔探头106-1至106-3。与具有多于一个的磁场探头的已知布置相反，以此方式获得的三个信号α1、α2和α3在要组合的个体过渡线的边缘区域中没有任何间断，并且这些信号组合形成总的信号能够易于借助于合适的计算规则来执行。

例如，下面的等式(3)可用于计算总的测量信号α_total。

${\mathrm{\&alpha;}}_{\mathrm{total}}=\frac{\mathrm{\&alpha;}1+\mathrm{\&alpha;}2+\mathrm{\&alpha;}3+...\mathrm{\&alpha;N}}{N}---\left(3\right)$

因此，如果一系列三个霍尔探头的信号α1至α3被相应地加在一起，如图10所示，并且所获得的值被除以3，则在图11中图示的角度α_total的线路径被特别地获得用于图10中的示例作为根据偏转z的总角度信号。

图10和图11之间的坐标值的比较显示，对于组合的位移传感器，最小值和最大值并不与个体的霍尔探头的最小值和最大值不同，从而具有增大的测量范围的根据本发明的位移传感器可在不修改随后的电子部件的情况下来使用。图11中示意性地示出的总的角度线能够类似地对多于三个霍尔探头形成，使用的个体探头越多，则改进了传感器信号的斜率。

根据图11获得的角度线α_total能够在随后的步骤中由评估和计算单元线性化，以提供位移传感器的线性路径-比例输出信号OUT_array。图12至14示出了输出信号OUT_array的不同变体，它们取决于在计算中如何采取角度值α1至α3以及磁场强度的大小│B1│至│B3│。

例如，图12示出了其中传感器在永磁体102失去任何控制的情况下被关掉的变体。

图13示出了输出信号OUT_array，其在边缘区域中在对于整个阵列而言失去磁体的控制时存储上一有效测量值。

最后，图14示出了已经被计算使得根据路径z实现最大斜率的输出信号线。

但是，本领域技术人员将清楚，个体角度线的信号处理能够以极其不同的方式执行，只要用于在个体磁场探头106-1至106-N之间的重叠范围中的计算的输出位置信号没有间断。

附图标记

100	磁场传感器
		102	永磁体
104	位移路径
		106,106-1,106-2,...106-N	磁场探头
108	评估和计算单元
		110	存储单元

Claims (13)

1.用于非接触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位移传感器，其中所述磁场源(102)和所述磁场传感器(100)相对于彼此可移动，

其中所述磁场传感器(100)包括：

用于产生多个位置信号的多个磁场探头(106-1,106-2,106-3,...106-N)，每个磁场探头构造为使得其检测所述磁场的磁通密度的至少两个空间分量(By,Bz)并且依据所测量的分量产生所述位置信号，

控制和计算单元(108)，所述控制和计算单元用于基于所述多个位置信号计算所述位移传感器的输出信号，

存储单元(110)，所述存储单元用于存储个体位置信号，所述控制和计算单元能够被操作以计算所述磁通密度的大小并且将该大小与预定阈值比较，从而如果所述磁通密度的大小比所述阈值高则为每个磁场探头(106-1,106-2,106-3,...106-N)输出当前计算的位置，并且如果所述磁通密度小于或者等于所述阈值则输出先前存储的位置信号。

2.根据权利要求1所述的位移传感器，其中，每一位置信号是基于磁通密度的所述两个分量(By,Bz)的商来计算的。

3.根据权利要求1或2所述的位移传感器，其中，关联的存储单元(110)布置在磁场探头处，或者所述存储单元(110)是所述控制和计算单元(108)的部分。

4.根据权利要求3所述的位移传感器，其中，每个磁场探头包括二维或三维的霍耳传感器。

5.根据前述权利要求中任一项所述的位移传感器，其中，所述磁场源(102)包括至少一个永磁体。

6.根据前述权利要求中任一项所述的位移传感器，其中，所述磁场源(102)产生磁场，该磁场相对于由所述磁场源和所述磁场传感器之间的相对直线运动限定的轴线旋转对称。

7.用于非接触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，

其中所述磁场源(102)和所述磁场传感器(100)相对于彼此可移动，

其中所述磁场传感器(100)包括用于产生多个位置信号的多个磁场探头(106-1,106-2,106-3,...106-N)，每个磁场探头检测所述磁场的磁通密度的至少两个空间分量(By,Bz)并且由所测量的分量产生所述位置信号，并且其中所述方法包括以下步骤：

基于磁通密度的所述两个分量的商计算所述多个位置信号，

计算在每个磁场探头的位置处所述磁通密度的大小，并且将所述大小与预定的阈值比较，

如果所述磁通密度的大小比所述阈值高，则输出当前计算的位置信号，

如果所述磁通密度的大小小于或者等于所述阈值，则输出先前存储的位置信号，

存储用于各磁场探头的输出的位置信号，

基于所述多个位置信号计算所述位移传感器的输出信号。

8.根据权利要求7所述的方法，其中，所述基于所述多个位置信号计算所述位移传感器的输出信号的步骤包括：

将所述多个位置信号加在一起，并且将总和除以所述磁场探头(106-1,106-2,106-3,...106-N)的总数。

9.根据权利要求7或8所述的方法，其中，每个磁场探头(106-1,106-2,106-3,...106-N)包括二维或三维的霍耳传感器(100)。

10.根据权利要求7至9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)。

11.根据权利要求7至10中任一项所述的方法，其中，每个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α，以为每个磁场探头(106-1,106-2,106-3,...106-N)产生位移-比例位置信号。

12.根据权利要求7至11中任一项所述的方法，其中，所述磁通密度的大小的计算通过由所述磁场的磁通密度的所述至少两个空间分量(By,Bz)计算矢量大小来实现。

13.根据权利要求7至12中任一项所述的方法，其中所述位置信号的存储包括角度的值的存储和/或所述角度的线性化值的存储。