CN104303018A - 用于借助于串联布置的多个磁场传感器非接触式测量位置的位移传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及非接触式测量磁体相对参考点的位置的位移传感器。位移传感器包括能沿运动轴线移位的磁体、串联布置且布置成平行于磁体运动轴线的多个磁场传感器和形成指示磁体相对参考点的位置的位置信号的计算单元。串联布置的多个磁场传感器布置为相邻磁场传感器的位移测定范围在重叠范围中重叠。计算单元构造为如果磁体位置包含在重叠范围中，则计算单元基于位移测量范围在重叠范围中重叠的磁场传感器输出的输出信号形成位置信号；且如果磁体位置不包含在重叠范围中，则计算单元基于由磁体位于其位移测量范围中的磁场传感器输出的输出信号形成位置信号。相邻磁场传感器的两个位移测量范围之间的重叠范围选择为在该重叠范围中由计算单元形成的位置信号的总误差小于最大容许误差。

Description

用于借助于串联布置的多个磁场传感器非接触式测量位置的位移传感器

技术领域

本发明涉及用于基于串联布置的多个磁场传感器非接触式测量磁体的位置的位移传感器，具体地涉及具有与个体磁场传感器相比大若干倍的位移范围的位移传感器。

在根据本发明的位移传感器中，由位移传感器输出的且指示磁体相对于参考点的位置的位置信号的精度旨在在整个位移范围上低于最大容许误差。

磁场传感器的典型实例是霍耳传感器。作为磁场传感器的例示，本发明参考霍耳传感器进行说明，但不局限于此。

背景技术

霍耳传感器在很多情形里用于控制机床、用在自动化技术中、机器人以及用在自动部分中。与依据光学法工作的位移传感器相比较，霍耳传感器不易于受到污物和损伤的影响，因为它们能够用非磁性外壳密闭地(hermetically)密封。

在使用霍耳传感器检测可动构件的运动的位移传感器中，磁体被配合到可动构件并且在构件运动期间通过霍耳传感器检测由磁体产生的磁场。由于磁体的运动，霍耳传感器检测随时间改变的磁场并且输出取决于磁体位置的输出信号。输出信号的精度随霍耳传感器检测的磁场的磁通密度的降低而降低。由此，磁体的位置确定随磁体距霍耳传感器的间隔的增大而变得较不精确。

位置确定的精度，特别是在磁体和霍耳传感器之间的间隔较大时，通过使得具有3D霍尔技术的传感器(以下称为3D霍耳传感器)来提高。在该类型的霍耳传感器中，在一部位处测量两个互相垂直的磁场分量，在所测量的磁场分量之间形成所述关系，并且磁体相对于该部位的位置参考该关系来指示。

图1示出了3D霍耳传感器100。其具有在传感器中心之上的零点0。如果磁体沿着或者平行于延伸通过3D霍耳传感器的零点0的运动轴线101移动，则传感器输出指示磁体相对于传感器的零点的位置的输出信号102。输出信号指示磁体相对于零点的位置的精度随着磁体距所述零点的间隔的增大而减小。这限制了3D霍耳传感器的位移测量范围。在已知的3D霍耳传感器中，其最大为40mm(关于所述零点±20mm)。

图2示出了根据磁体相对于零点的位置的、图1中所示的3D霍耳传感器的输出信号102。在关于零点的范围中，在传感器的输出信号102和磁体相对于零点的位置之间存在线性关系。在位移测量范围的两个端部103和104处，测量信号且因此测量误差的变化变得更大；传感器的输出信号102和磁体的位置之间的线性关系消失，因为输出信号102指示磁体位置的精度变得太低。从磁体距零点的给定间隔开始，输出信号102指示磁体位置的精度太低，从而在3D霍耳传感器的输出信号102和磁体相对于零点的位置之间不再存在关系。

公布US 6097183公开了一种位移传感器，该位移传感器具有串联布置的的传感器和可沿着运动轴线移动过所述传感器的磁体。所述传感器是在一个方向上灵敏的磁阻传感器或者霍耳传感器。指示磁体位置的位置信号在本示例中基于接近磁体布置的两个相邻的传感器输出的两个输出信号来建立。在以此方式建立的位置信号和磁体位置之间不存在线性关系。根据磁体位置的位置信号相反具有可归因于传感器的非线性的波状路径。为对此进行补偿，取决于磁体位置的校正因子被添加到位置信号。

40mm的位移测量范围，如常规市售的3D霍耳传感器目前所具有的，对于旨在检测可动构件的运动的许多应用而言过小。

发明内容

因此，本发明目的在于提供一种位移传感器，该位移传感器利用霍耳效应的原理，但与常规市售的3D霍耳传感器相比具有明显更大的位移测量范围，同时又满足由该位移传感器输出的位置信号的最大容许总误差。

该目的通过专利权利要求1的主题来实现。从属专利权利要求涉及根据本发明的位移传感器的其它有利发展。

本发明基于如下想法，即多个霍耳传感器被串联布置并且平行于磁体的运动轴线，相邻的霍耳传感器的位移测量范围在其端部处重叠，在重叠范围中基于由位移测量范围在重叠范围中重叠的霍耳传感器所输出的输出信号形成位置信号，且该位置信号基于磁体布置在其位移测量范围中的霍耳传感器输出的输出信号在位移测量范围的非重叠部分中形成。具体地，相邻的霍耳传感器的位移测量范围的重叠选择为使得，在重叠范围中形成的位置信号的总误差小于最大容许误差。

如果在霍耳传感器的输出信号和磁体相对于霍耳传感器的零点的位置之间存在线性关系，则在位移传感器输出的位置信号和磁体相对于参考点的位置之间的线性关系可特别容易地实现。

位移传感器的位移测量范围的延长当在重叠范围中在霍耳传感器的输出信号和磁体相对于霍耳传感器零点的位置之间不存在线性关系时是最佳的。

位移传感器输出的位置信号的恒定线性路径可通过对霍耳传感器输出的输出信号的偏移校正而容易地实现。

如果第一输出信号值和第二输出信号值之间的差值在磁体从位移测量范围的非重叠部分到位移测量范围的远离参考点的重叠范围的转换处形成，则输出信号的偏移的确定可借助于学习例程容易地实现，其中在磁体从位移测量范围的非重叠部分转换到位移测量范围的更加远离参考点的重叠范围期间，第一输出信号值和第二输出信号值由其位移测量范围在重叠范围中重叠的霍耳传感器输出。

如果位置信号在重叠范围中基于被包含在在该重叠范围中输出的两个输出信号中的位置信息而形成，则如果一个或两个输出信号的误差在重叠范围的局部超出最大容许误差，位置信号的总误差也可被保持在最大容许误差的范围内。

当根据本发明的位移传感器生产出时，一个或多个印刷电路板设有多个霍耳传感器。在印刷电路板上的期望位置对于各霍耳传感器是预先确定的，并且尝试根据预定期望位置将霍耳传感器安装在印刷电路板上。如果在霍耳传感器已经安装在印刷电路板上之后，在霍耳传感器的期望位置和实际位置之间不存在偏差，则基于从平面布置或者印刷电路板布置已知的霍耳传感器的期望位置可容易地确定输出信号的偏移。

但是，如果印刷电路板设有霍耳传感器，则可能发生霍耳传感器在印刷电路板上的期望位置和实际位置之间的偏差。该偏差导致其位移测量范围的重叠范围的改变。如果基于霍耳传感器在印刷电路板上的位置确定输出信号的偏移，则该改变必需加以考虑，而如果多个霍耳传感器的实际位置偏离其期望位置，则这是特别复杂的。

对于霍耳传感器在印刷电路板上的实际位置或者定向不同于期望位置或者定向的布置，如果对其使用学习例程，则能够明显简化输出信号的偏移的建立。

学习例程用这样的方式执行，其基于在位于包含参考点的位移测量范围和旨在对其建立偏移的位移测量范围之间的全部转换形成的两个输出信号值之间的差值的总和来建立输出信号的偏移。

替代地，输出信号的偏移能够基于在到相应重叠范围的转换期间由计算单元或者霍耳传感器形成的位置信号值和输出信号值之间的差值来形成。

输出信号指示磁体相对于零点的位置的精度取决于磁体的速度。磁体在霍耳传感器检测磁场时的速度越大，则由霍耳传感器输出的指示磁体位置的输出信号越不精确。磁体的速度还影响建立偏移的精度。这是由于发生因时间离散的扫描引起的不清晰造成的。

如果建立偏移所基于的差值从平均的输出信号值形成，或者该偏移从平均位置信号值和平均输出信号值之间的差值形成，则可明显降低这一影响。

如果所述平均值是滑动平均值，则平均值形成能够以节省资源的方式更容易地执行。

偏移精度的进一步改进可借助于加权平均值实现，其中信号值的权重取决于磁体的速度。

如果权重随磁体的速度的增大而减小，并且在超过特定最大值的速度时产生的信号值不被用以形成第一和第二平均值，则改进通过减法建立的偏移的精度是特别可能的。

如果在对重叠范围输出的输出信号之间，具有最大精度的输出信号被选取且用以形成位置信号，则在该重叠范围中位置信号的误差可保持在最大容许误差的范围内。

如果在用于形成位置信号的重叠范围中输出的位置信号之间形成加权平均值，并且如果信号权重取决于磁体在重叠范围中的位置，则在重叠范围中所述位置信号的误差也可被保持在最大容许误差的范围中。加权平均值的形成进一步导致在重叠范围内和外的位置信号之间的平缓转换。

如果在重叠范围中的位置信号具有为S-线、抛物线或者指数函数的路径，则平缓转换也是可以实现的。

通过在重叠范围中的限定位置处以非常突然的方式从一个传感器信号转换到另一个传感器的传感器信号，可实现非常简单的实施。

本发明的优点可特别地利用3D霍尔技术使用霍耳传感器来实现。

附图说明

为更好地理解本发明，参考附图更详细地说明了本发明。相同部件用相同的附图标记和相同的部件标示来引用。

图1示出了用于根据本发明的位移传感器的3D霍耳传感器；

图2示出了根据磁体相对于3D霍耳传感器的零点的位置的、3D霍耳传感器的输出信号；

图3示出了根据本发明的位移传感器布置；

图4示出了在根据本发明的位移传感器布置中根据磁体位置的两个输出信号和位置信号的相对误差；

图5示出了在由于超出可容许总误差而并不根据本发明的位移传感器布置中根据磁体位置的两个输出信号和位置信号的相对误差；

图6示出了从位移测量范围的非重叠部分至两个位移测量范围的重叠范围的转换以及位置信号在重叠范围中的可能路径。

具体实施方式

以下将参考附图更详细地描述本发明。

图3示出了根据本发明的位移传感器布置。串联布置的两个3D霍耳传感器201和202安装在印刷电路板200上的固定位置中，并且优选地为永磁体的磁体203可沿着运动轴线204相对于两个霍耳传感器移位。磁体203的N/S轴线定向成平行于运动轴线204。但是，该定向不是绝对必要的。就原理而论，还可以是在如果磁体的N/S轴线具有不同定向、例如横向于所述运动轴线的情况下执行本发明。

磁体可从图3所示的参考点205移位。磁体布置为与之接近的3D霍耳传感器检测至少两个正交的磁场分量并且产生围绕3D霍耳传感器的零点在有限范围内线性地延伸的输出信号。由3D霍耳传感器输出的输出信号可以例如是模拟信号，诸如电压信号、电流信号或者脉冲宽度调制信号，或者能够经由总线或者另一数字接口输出为数字信号。

图2示出了根据磁体相对于3D霍耳传感器的零点的位置的、3D霍耳传感器的输出信号102。磁体离零点越远，则输出信号的测量精度越小。3D霍耳传感器的位移测量范围由此受限。在路径测量范围的端部，输出信号的测量精度变得较低，或者测量误差变得更大。如果磁体移动超过规定部位，则3D霍耳传感器的输出信号将不再能以有意义的方式使用。

根据本发明的位移传感器具有的位移测量范围与个体的3D霍耳传感器的位移测量范围相比实际中大若干倍。根据本发明，这是由于多个3D霍耳传感器布置成平行于磁体的运动轴线而引起的。3D霍耳传感器布置为使得相邻的3D霍耳传感器的位移测量范围重叠，如在图3的下部所示的。

图3示出了根据磁体位置的霍耳传感器201和202的输出信号206和207。输出信号206和207且因此属于3D霍耳传感器201和202的位移测量范围在重叠范围208中重叠。彼此重叠的端部范围209和210选择为使得至少在各端部范围的一部分中的输出信号的测量误差低于最大容许误差。该重叠确保了两个相邻的3D霍耳传感器在重叠范围中输出有意义的可用输出信号，且因此在该重叠范围中的位移信息可从3D霍耳传感器201传输到3D霍耳传感器202。

结果，两个输出信号206和207清楚地确定了磁体相对于参考点205的位置，3D霍耳传感器202的输出信号必须以偏移校正以使在重叠范围中在两个输出信号206和207之间无跳跃。输出信号206和207优选地一个与另一个连续。如果在重叠范围的部分中输出信号206和207超过最大容许误差，则还可以用输出信号206和偏移校正的输出信号207在容许误差的范围内指示磁体位置。然而，为此，如图4和5中所示，在重叠范围中彼此重叠的输出信号206和207的端部范围必需被相应地选取。

图4示出了在根据本发明的位移传感器布置中的输出信号206和207的相对误差的路径以及位置信号的总误差的路径。附图标记401、402和403分别涉及输出信号206的相对误差、输出信号207的相对误差和位置信号的总误差。所述位置信号指示磁体相对于参考点205的位置并且基于输出信号206和207形成，如下所述。所述相对误差401在围绕零点的有限范围内保持为小的，并且在位移测量范围的端部范围中迅速增大。在重叠范围中，相对误差401起始地低于最大容许误差404，但从距零点211的给定间隔开始超过最大容许误差。这相应地适用于相对误差403。

总误差403大致采用在重叠范围外的相对误差401和402的路径。在重叠范围中，总误差403始终在最大容许误差404以下。

图5示出了在不依据本发明的位移传感器布置中的输出信号206和207的相对误差的路径以及位置信号的总误差的路径。附图标记401、502和503涉及输出信号206的相对误差、输出信号207的相对误差和位置信号的总误差。在图4和5中的相对误差401的路径几乎没有差别。相对误差502的路径与图4中的相对误差402的路径的不同之处仅在于它沿着位移方向移位。结果，重叠范围中的总误差的路径不同于图4中的总误差403的路径。此外，总误差503超过重叠范围中的最大容许误差。

图5中的输出信号201和202的重叠端部范围并不确保总误差503在重叠范围的所有部位处保持在最大容许误差以下。图4和5示出了在重叠范围中位置信号的总误差的路径取决于重叠端部范围的选择。具体地，重叠端部范围的选择确定在重叠范围中位置信号的总误差是否低于或不低于最大容许误差。如果重叠端部范围距相应的零点过远，则在重叠范围中位置信号的总误差不能保持低于最大容许误差。

在重叠范围中位置信号的总误差的路径另外取决于在重叠范围中基于输出信号201和202形成位置信号的方式。

根据本发明，在重叠范围中重叠的输出信号201和202的端部范围选择为使得在重叠范围中基于输出信号201和202形成的位置信号的总误差小于最大容许误差。

由于在重叠范围中位置信号的总误差另外取决于在重叠范围中形成位置信号的方式，输出信号206和207的各种重叠端部范围必需依据如何从输出信号206和207形成位置信号来选取，以确保在重叠范围中位置信号的总误差小于最大容许误差。

现在接着说明根据本发明的位移传感器如何形成位置信号。位置信号指示磁体相对于参考点205的位置；在位置信号值和磁体相对于参考点205的位置之间存在清楚的关联。在位移传感器的整个位移测量范围上的线性关系优选地存在于位置信号和磁体相对于参考点的位置之间。

参考点位于其中的位移测量范围(以下也称为参考范围)是在第一初始操作的起动时磁体将位于其中的位移测量范围。用作参考范围的位移测量范围取决于使用该位移传感器的应用。在图3所示的位移传感器布置中，3D霍耳传感器201的位移测量范围用作参考范围。但是，3D霍耳传感器202的位移测量范围或者重叠范围208也可以用作参考范围。如果参考范围在重叠范围中，则在到非重叠范围的第一转换期间可发生位置信号的不清楚的或者不恒定的路径。但是，位置信号的路径的不一致性可借助于学习例程来克服，如上所述。稍后将仅描述其中参考点205在3D霍耳传感器201的位移测量范围中的示例。该示例在图3中例示。这相应地适用于其中参考点位于3D霍耳传感器202的位移测量范围中的示例。

对于位置信号的计算，根据本发明的位移传感器具有在三个状态之间鉴别的计算单元。第一状态涉及其中磁体位于参考范围中的情况。相对于图3中例示的位移传感器布置，如果磁体位于3D霍耳传感器201的位移测量范围中，则即为该情况。第二状态涉及其中磁体位于重叠范围中的情况且第三状态涉及其中磁体位于非参考范围的位移测量范围的非重叠部分中的情况。相对于图3中例示的位移传感器布置，如果磁体位于3D霍耳传感器202的位移测量范围中，则即为该情况。

计算单元根据其中位移传感器目前所处的状态来计算位置信号。

在第一状态中，位置信号基于由参考范围的3D霍耳传感器输出的输出信号来建立。计算的位置信号优选地相同于由参考范围的3D霍耳传感器输出的输出信号。以下适用于图3中例示的位移传感器布置：

Pos_Signal＝Pos_IC1,

其中Pos_Signal是位置信号，并且Pos_IC1是由3D霍尔传感器201输出的输出信号。

在第二状态中，计算单元基于由位移测量范围在重叠范围中重叠的两个3D霍耳传感器输出的输出信号确定位置信号。但是，由3D霍耳传感器输出的且其位移测量范围不是参考范围的输出信号以偏移校正，以补偿在重叠范围中输出的两个输出信号之间的差值。如果在重叠范围中重叠的位移测量范围均不是参考范围，则两个输出信号以各自的偏移校正。相对于图3中例示的位移传感器布置，位置信号基于3D霍耳传感器201的输出信号和3D霍耳传感器202的输出信号来建立。3D霍耳传感器202的输出信号以偏移校正，以在重叠范围中关于3D霍耳传感器201的输出信号对其进行调节。建立偏移可依据的方法将稍后描述。

在第三状态，计算单元基于由位移测量范围不是参考范围的3D霍耳传感器输出的输出信号确定。但是，该输出信号进一步以偏移校正，以在重叠范围中关于相邻的位移测量范围的输出信号对其进行调节。以下适用于图3所示的位移传感器布置：

Pos_Signal＝Pos_IC2+x_offset,

其中Pos_Signal是位置信号，Pos_IC2是由3D霍尔传感器202输出的输出信号207，以及x_Offset是偏移，其用以校正输出信号207，以关于彼此调节在3D戴尔传感器201和202的重叠范围中输出的两个人输出信号。

图6示出了第一位移测量范围和第二位移测量范围之间的重叠范围，以及在重叠范围内位置信号的多个路径。从第一位移测量范围的非重叠部分至重叠范围的转换发生在x_tz0处，并且从重叠范围到第二位移测量范围的非重叠部分的转换发生在位置x_tz1的位置处。图6示出了其中位置信号在重叠范围中增加或减小的两种情况。从在第一位移测量范围中输出的位置信号到在第二位移测量范围中输出的位置信号的改变(转换)在重叠范围中发生。所述改变可在重叠范围中在增大的情况下以及在渐减的情况下以突然或者柔和(连续)的方式发生。

根据本发明，引起突然变化的原因在于，具有最大测量精度的位置信号从所述两个位置信号中选取。如果以此方式选取的位置信号值的测量精度在最大容许误差的范围内，则在重叠范围中在重叠范围的部分中输出的两个位置信号/输出信号的测量精度不在最大容许误差的范围内时，形成在最大容许误差的范围内的位置信号也是可能的。相对于图3所示的位移传感器布置，从输出信号206到以偏移校正的输出信号207的变化发生的原因在于，从这两个信号的信号值中选取了测量精度最大的那个信号值。

根据本发明，由于对重叠范围计算的位置信号是基于重叠范围中输出的输出信号之间的加权平均值形成，可以实现平缓的/恒定的转换(改变)。不涉及参考范围的输出信号必需预先以相应的偏移校正。当平均值形成时，输出信号的权重取决于在为其计算位置信号的重叠范围中的位置。在第一位移测量范围中输出的输出信号的权重优选地随着距位置x_tz0的间隔增大而减小。在第二位移测量范围中输出的输出信号的权重也随着距x_tz1的间隔增大而减小。

相对于在图3中示出的位移传感器布置，借助于以下平均值形式可以实现从输出信号206到以偏移校正的输出信号207的平缓的转换(改变)：

${\mathrm{Pos}}_{\mathrm{Signal}}={\mathrm{Pos}}_{\mathrm{IC}1}\·\frac{{\mathrm{Pos}}_{\mathrm{IC}1}-x_{\mathrm{tz}1}}{x_{\mathrm{tz}0}-x_{\mathrm{tz}1}}+({\mathrm{Pos}}_{\mathrm{IC}2}+x_{\mathrm{offset}})\·\frac{{\mathrm{Pos}}_{\mathrm{IC}2}+x_{\mathrm{offset}}-x_{\mathrm{tz}0}}{x_{\mathrm{tz}1}-x_{\mathrm{tz}0}};$

其中：

Pos_Signal是在重叠范围中为位置pos计算的位置信号；

Pos_IC1是在重叠范围的位置pos处由霍耳传感器201输出的输出信号值；

Pos_IC2是在重叠范围的位置pos处由霍耳传感器202输出的输出信号值；以及

x_offset是用以校正第二输出信号207以在重叠范围中相对于输出信号206调节第二输出信号的偏移。

信号Pos_Signal、Pos_IC1、Pos_IC2、x_offset、x_tz0和x_tz1的信号值必需以相同的物理单位给出。它们优选地以位移单元(mm、cm)给出。

基于输出信号206和以偏移校正的输出信号207之间的加权平均值的位置信号的形成不仅导致了在重叠范围中位置信号的平缓的路径，而且允许测量精度在最大容许误差的范围内的位置信号的形成，即使如图4中所示当输出信号206以及207的测量精度在重叠范围的部分中明显超过最大容许误差时也是如此。

如果如图6中所示，在重叠范围中的位置信号具有S-线、抛物线或者指数函数的路径，则也可实现那些优点。原则上，所述线可具有任意的形状，只要具有单调梯度即可。线形可以例如借助于查找表来执行。

要说明的下一方面是如何建立输出信号的偏移。

所述偏移能够在根据本发明的位移传感器中基于安装在印刷电路板上的霍耳传感器的几何排列以及霍耳传感器的特性线(其指示根据磁体相对于零点的位置的输出信号)来建立。根据位移传感器的印刷电路板布局建立两个相邻的霍耳传感器之间的间隔以及固定重叠范围的限界x_tz0和x_tz1，并且基于所述特性线，相邻的霍耳传感器的输出信号之间的差值在部位x_tz0或者x_tz1之间建立。

一旦限界x_tz0和x_tz1对于应用固定，则它们被存储在存储器单元中并且不再随时间改变。但是，限界x_tz0以及x_tz1可选择成根据需要因应用而不同。

当印刷电路板布局或者系统布置生产出时，必需确保两个霍耳传感器之间的间隔不过大或者在重叠范围中霍耳传感器的输出信号仍提供有意义的可用的测量结果，至少在重叠范围的一部分中如此，也就是说，输出信号关联于磁体相对于零点的位置。当限界x_tz0和x_tz1被固定时，还必需确保在重叠范围中输出信号的测量精度足够大，以允许形成总误差在最大容许误差的范围内的位置信号。由此，如果在重叠范围的界限x_tz0或者x_tz1处重叠的特性线仍是线性的，则可以极高的精度建立所述偏移。

当偏移形成时，则必需区别重叠位移测量范围中的一个是否为参考范围。

例如，如果在图6中重叠的位移测量范围中的第一位移测量范围是参考范围，则第二位移测量范围的输出信号的偏移等于在转换x_tz0处输出的输出信号之间的差值。替代地，在x_tz1处形成的差值可用于此。

如果在图6中重叠的位移测量范围均不是参考范围，则偏移等于在位于参考范围和位移测量范围之间的全部转换x_tz0处形成的差值之和，其中旨在为该位移测量范围的输出信号建立偏移。替代地，在x_tz1处形成的差值可用于此。

根据上述方法建立的偏移被存储在位移传感器的存储器单元中，并且不再随着时间改变。

在根据本发明的位移传感器的生产期间，一个或多个印刷电路板设有多个霍耳传感器。对于各霍耳传感器，预先确定在印刷电路板上的期望位置，并且尝试根据预定期望位置将霍耳传感器安装在印刷电路板上。当印刷电路板设有3D霍耳传感器时，期望位置只能以近似方式实现，从而偏差发生在3D霍耳传感器在印刷电路板上的实际位置和其期望位置之间。如果多个霍耳传感器分布在多个印刷电路板上，则由于两个相邻的印刷电路板相对于彼此的不精确定位，可能发生位于一印刷电路板上的霍耳传感器相对于位于相邻的印刷电路板上的霍耳传感器的位移，这也相当于距期望位置的偏差。

如果在霍耳传感器的期望位置和实际位置之间不存在偏差，则输出信号的偏移可根据上述方法建立。但是，如果3D霍耳传感器的实际位置或者定向偏离其期望位置，则这导致其位移测量范围的重叠范围的改变。根据上述方法的偏移的建立必须考虑这一改变。这是非常复杂的，因为对于所生产的各个系统这是不同的，特别是当多个霍耳传感器的实际位置偏离其期望位置时。

为此，存在对于在两个限界(转换)x_tz0和x_tz1之一处自动地确定所述偏移的方法的需要。根据该方法(以下也称为学习例程)，磁体被从位移测量范围的非重叠部分引导通过两个转换x_tz0和x_tz1之一，在磁体被引导经过的转换处检测输出信号值输出Pos_IC1和Pos_IC2，并且形成两个输出信号值之间的差值。

在本方法中，在偏移形成期间还必需区别重叠位移测量范围中的一个是否是参考范围。

例如，如果在图6中重叠的位移测量范围中的第一位移测量范围是参考范围，则第二位移测量范围的输出信号的偏移等于在转换x_tz0处输出的输出信号之间的差值。替代地，在x_tz1处形成的差值可用于此。

如果在图6中重叠的位移测量范围均不是参考范围，则偏移等于在位于参考范围和位移测量范围之间的全部转换x_tz0处形成的差值之和，其中旨在为该位移测量范围的输出信号建立偏移。替代地，在x_tz1处形成的差值可用于此。

图6中第二位移测量范围的偏移也可根据在转换x_tz0处输出的位置信号值和在转换x_tz0处由第二位移测量范围的霍耳传感器输出的输出信号值之间的差值来建立。替代地，对x_tz1形成的相应差值可用于此。

相对于图3例示的位移传感器布置，则可以如下计算输出信号207的偏移x_Offset：

x_offset＝Pos_IC1-Pos_IC2.

在信号扫描期间，在快速运动时出现不清晰的情况。也就是说，输出信号值Pos_IC1和Pos_IC2在分别的部位x_tz0和x_tz1处未被精确地检测，但在其之前不久或之后不久被精确地检测。那些不清晰的情况随着磁体的速度增大而增大。根据学习例程建立的偏移的精度受到信号扫描期间的不清晰情况的损害。

但是，学习例程也可以仅在用在目标应用中时在各个体系统的生产过程中执行。

为提高基于学习例程建立的偏移的精度，学习例程根据本发明被扩展，因为磁体被多次引导经过同一转换x_tz0(或者x_tz1)，并且每次经过所述转换时，输出信号值Pos_IC1和Pos_IC2被检测且以非易失性方式存储在存储器单元中。这些操作的数目应该受限，因为用各操作的输出信号值不能以易失性方式存储。

信号扫描对于偏移建立的精度的影响通过平均值形成而明显降低。起始地，在转换处存储的输出信号值Pos_IC1和Pos_IC2的平均值可被形成，且接着，可形成在以此方式建立的平均值之间的差值。替代地，但是，在转换处对同一操作检测的输出信号值Pos_IC1和Pos_IC2之间的差值被最先形成，接着形成差值的平均值。

多种方法可用于所述平均值形成，例如，中值、算术平均、几何平均、均方值等等。

根据本发明，如果加权平均值用于多个输出信号值的平均值的形成并且如果输出信号值的权重取决于磁体的速度，则可以进一步降低信号扫描对于偏移建立的精度的影响。这种情况下，所述权重必须以与各个输出信号值配对的状态存储。

如果在磁体的过高速度下检测的输出信号值不包括在平均值或者差值的形成中，则实现了偏移形成的精度的进一步改进。

如果所述平均值是滑动平均值，则平均值形成能够以技术上简单的方式来执行。

如果在首次通过转换x_tz0和x_tz1中的一个时，磁体来自重叠范围或者不是参考范围的位移测量范围，则学习例程也可适用。但是，当首次通过转换时，必需使用存储的位置值。例如，它们可基于3D霍耳传感器的几何排列及其特性线来建立。该学习方法仅如果磁体已经至少一次处在参考范围的非重叠部分中的情况下可以使用。接着，其如以上所述地应用。

用于基于3D霍耳传感器的几何排列建立偏移的方法以及用于借助于所述学习方法建立偏移的方法可彼此组合。

本发明原理不局限于具有两个3D霍耳传感器的位移传感器布置，而也可以应用于具有多于两个3D霍耳传感器的位移传感器布置。具有任意3D霍耳传感器的位移测量范围可用作参考范围。

该位置信息可由3D霍耳传感器以脉冲宽度调制信号或者模拟电压或者模拟电流的形式、或者经由数字协议(Sent，I²C，LIN等等)来输出。如果3D霍耳传感器未直接输出位置，而相反地输出被转换为位置的角向信息，则计算必需在所述数据根据上述方法进一步处理之前执行。(用于执行此步骤的方法是已知的。)

位置信息根据本发明借助于微计算机、微控制器、数字信号处理器等等输入，并且根据所述方法处理。那些处理单元也可集成到3D霍耳传感器中。所述处理单元以脉冲宽度调制信号或者模拟电压或者模拟电流的形式输出位置值，或者经由数字协议(Sent，I²C，LIN等等)输出到超常系统。

本发明不局限于使用3D霍耳传感器。本发明也可用在线性霍尔技术中。此外，本发明可延伸至适于如下的磁场传感器，即适于借助于ICs、例如基于巨磁阻的传感器(GMR传感器)或者基于各向异性磁阻效应(AMR传感器)的传感器用于非接触式位移检测的磁场传感器。

本发明的位移传感器可用在非接触式位移测量中。其优点在于，本发明的位移传感器与目前市售的3D霍耳传感器相比具有远更大的位移检测范围。目前市售的3D霍耳传感器具有近似4cm的位移检测范围。比较起来，本发明的位移传感器如果包括有两个3D霍耳传感器则具有7.8cm的位移检测范围。在具有3D霍耳传感器的位移传感器的情况中，位移检测范围甚至增大至11.6cm。

附图标记列表

图中文本:

Claims (18)

1.用于非接触式测量磁体(203)相对于参考点(205)的位置的位移传感器，所述位移传感器包括：

磁体(203)，所述磁体(203)能够沿着运动轴线(204)移位，

多个磁场传感器(201、202)，所述多个磁场传感器串联布置并且布置成平行于所述运动轴线(205)，和

计算单元，所述计算单元用于形成指示所述磁体(203)相对于所述参考点(205)的位置的位置信号，

其中每个磁场传感器(201、202)具有零点(211、212)和位移测量范围，并且被构造为使得它输出指示所述磁体(203)相对于所述磁场传感器的零点的位置的输出信号(206、207)，并且所述输出信号指示所述磁体的位置的精度随着所述磁体距所述零点的距离增大而减小，

串联布置的所述多个磁场传感器(201、202)布置为使得相邻的磁场传感器的所述位移测量范围在重叠范围(208)中重叠，

所述计算单元构造为使得，

如果所述磁体(203)的所述位置被包含在重叠范围(208)中，则所述计算单元基于由位移测量范围在所述重叠范围(208)中重叠的磁场传感器(201、202)输出的输出信号形成所述位置信号，并且

如果所述磁体(203)的所述位置未包含在重叠范围(208)中，则所述计算单元基于由所述磁体所处的位移测量范围内的磁场传感器输出的输出信号形成所述位置信号，并且

相邻的磁场传感器(201、202)的两个位移测量范围之间的所述重叠范围(208)选择为使得，在该重叠范围中由所述计算单元形成的所述位置信号的总误差小于最大容许误差。

2.根据权利要求1所述的位移传感器，其特征在于，如果所述磁体的所述位置在位移测量范围的非重叠部分中，则在与所述位移测量范围对应的所述磁场传感器的输出信号和所述磁体相对于所述磁场传感器的所述零点的位置之间存在线性关系。

3.根据权利要求2所述的位移传感器，其特征在于，如果所述磁体的所述位置在位移测量范围的非重叠部分中，则重现精度且因此在与所述位移测量范围对应的所述磁场传感器的输出信号和所述磁体相对于所述磁场传感器的所述零点的位置之间的所述线性关系减小。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的位移传感器，其特征在于，计算单元进一步构造为使得在所述磁体从第一位移测量范围的所述非重叠部分转换到具有第二位移测量范围的所述第一位移测量范围的所述重叠范围时形成第一输出信号值和第二输出信号值之间的差值，

在所述磁体离开所述第一位移测量范围的所述非重叠部分转换到具有所述第二位移测量范围的所述第一位移测量范围的重叠范围时的所述第一输出信号值和所述第二输出信号值由第一或者第二磁场传感器输出，并且所述第一磁场传感器对应于所述第一位移测量范围，且所述第二磁场传感器对应于所述第二位移测量范围。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的位移传感器，其特征在于，其转换处形成第一输出信号值和第二输出信号值之间的差值的重叠范围是所述第一位移测量范围的更加远离所述参考点的重叠范围。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的位移传感器，其特征在于，计算单元被进一步构造为使得，

如果所述磁体的所述位置被包含在第一位移测量范围和第二位移测量范围的重叠范围中，并且第一位移测量范围包含所述参考点，则所述计算单元基于以偏移校正的第一输出信号和第二输出信号形成所述位置信号，

如果所述磁体的所述位置被包含在第一位移测量范围和第二位移测量范围的重叠范围中，并且所述第一位移测量范围和所述第二位移测量范围不包含所述参考点，则所述计算单元基于以第一偏移校正的第一输出信号和以第二偏移校正的第二输出信号形成所述位置信号，

所述第一输出信号由第一磁场传感器输出对应于所述第一位移测量范围，所述第二输出信号由第二磁场传感器输出对应于所述第二位移测量范围，并且所述第二位移测量范围比所述第一位移测量范围远离所述参考点，

如果所述磁体的所述位置被包含在包含所述参考点的所述位移测量范围的非重叠部分中，则所述计算单元基于输出信号形成所述位置信号，并且，

如果所述磁体的所述位置被包含在位移测量范围的所述非重叠部分中并且未包含在包含参考范围且因此所述参考点的位移测量范围中，则所述计算单元基于以偏移校正的输出信号形成所述位置信号，

所述输出信号由所述磁体处于其位移测量范围中的磁场传感器输出。

7.根据权利要求6所述的位移传感器，其特征在于，在其中所述磁体的位置被包含在第一位移测量范围和第二位移测量范围之间的重叠范围中且所述第一位移测量范围包含所述参考点的情况下用于形成所述位置信号的所述偏移等于第一输出信号值和第二输出信号值之间的差值，所述差值已在从所述第一位移测量范围的所述非重叠部分到所述磁体的位置位于其中的所述重叠范围的转换处形成，

在所述磁体的所述位置被包含在第一位移测量范围和第二位移测量范围之间的重叠范围中并且所述第一位移测量范围和所述第二位移测量范围不包含所述参考点的情况下用于形成所述位置信号的所述第一偏移和所述第二偏移等于用于在所述第一位移测量范围的所述非重叠部分中形成所述位置信号的偏移，或者等于第一输出信号值和第二输出信号值的差值的总和，所述差值已在位于包含所述参考点的位移测量范围和要确定用于其的偏移的位移测量范围之间的全部转换处形成，以及

在所述磁体的所述位置被包含在位移测量范围的所述非重叠部分中并且未包含在包含所述参考点的所述位移测量范围中的情况下用于形成所述位置信号的所述偏移等于用于在更加接近所述参考点的所述位移测量范围的重叠范围中形成所述位置信号的所述第二偏移。

8.根据权利要求6所述的位移传感器，其特征在于，在其中所述磁体的位置被包含在第一位移测量范围和第二位移测量范围之间的重叠范围中且所述第一位移测量范围包含所述参考点的情况下用于形成所述位置信号的所述偏移等于第一输出信号值和第二输出信号值之间的差值，所述差值已在从所述第一位移测量范围的所述非重叠部分到所述磁体的位置位于其中的所述重叠范围的转换处形成，

在所述磁体的所述位置被包含在第一位移测量范围和第二位移测量范围之间的重叠范围中并且所述第一位移测量范围和所述第二位移测量范围不包含所述参考点的情况下用于形成所述位置信号的所述第一偏移和所述第二偏移等于用于在所述第一位移测量范围的所述非重叠部分中形成所述位置信号的偏移，或者等于位置信号值和输出信号值之间的差值，所述位置信号值和所述输出信号值由与所述第二位移测量范围相对应的所述位移传感器或者所述磁场传感器在所述磁体从所述第一位移测量范围的非重叠部分到所述第一位移测量范围和所述第二位移测量范围之间的重叠范围的转换处输出，并且

在所述磁体的所述位置被包含在位移测量范围的所述非重叠部分中并且未包含在包含所述参考点的所述位移测量范围中的情况下用于形成所述位置信号的所述偏移等于用于在更加接近所述参考点的所述位移测量范围的重叠范围中形成所述位置信号的所述第二偏移。

9.根据权利要求6所述的位移传感器，其特征在于，所述多个磁场传感器安装在印刷电路板上，用以校正输出信号的所述偏移基于对所述磁场传感器在所述印刷电路板上的期望位置的认识来确定，并且所述偏移存储在非易失性存储器单元中。

10.根据权利要求7所述的位移传感器，其特征在于，形成所述差值时所基于的所述两个输出信号值中的至少一个是在所述磁体多次经过同一转换时输出的并且被存储在非易失性存储器中的多个输出信号值的平均值。

11.根据权利要求8所述的位移传感器，其特征在于，形成所述差值时所基于的所述位置信号值是在所述磁体多次经过同一转换时输出的并且被存储在非易失性存储器中的一个或多个位置信号值对的平均值，或者

形成所述差值时所基于的所述输出信号值是在所述磁体多次经过同一转换时输出的并且被存储在非易失性存储器中的一个或多个输出信号值对的平均值。

12.根据权利要求10或11所述的位移传感器，其特征在于，所述平均值是滑动平均值。

13.根据权利要求10至12中任一项所述的位移传感器，其特征在于，所述第一平均值是加权平均值，其中输出信号值/位置信号值的权重取决于在其生产时所述磁体的速度，并且

所述第二平均值是加权平均值，其中输出信号值的权重取决于在其生产时所述磁体的速度。

14.根据权利要求13所述的位移传感器，其特征在于，所述权重随着增大的磁体的速度而减小，并且

在磁体的速度超过特定最大值时产生的输出信号值/位置信号值不用于形成所述第一或者第二平均值。

15.根据权利要求6至14中任一项所述的位移传感器，其特征在于，计算单元进一步构造为使得如果在所述重叠范围中的所述磁体的位置被包含在第一位移测量范围和第二位移测量范围之间，则所述计算单元在第一输出信号和第二输出信号之间选择具有最大精度的输出信号，并且所述计算单元使用选定的输出信号形成所述位置信号。

16.根据权利要求6至14中任一项所述的位移传感器，其特征在于，计算单元被进一步构造为使得，

如果所述磁体的所述位置被包含在第一位移测量范围和第二位移测量范围的重叠范围中，并且第一位移测量范围包含所述参考点，则所述计算单元由以偏移校正的所述第一输出信号和所述第二输出信号形成加权平均值，并且

如果所述磁体的所述位置被包含在第一位移测量范围和第二位移测量范围的重叠范围中，并且所述第一和第二位移测量范围不包含所述参考点，则所述计算单元由以第一偏移校正的所述第一输出信号和以第二偏移校正的所述第二输出信号形成加权平均值，

用于形成所述加权平均值的信号的权重取决于所述磁体在所述重叠范围中的位置，并且

使用所述加权平均值以形成所述位置信号。

17.根据权利要求6至14中任一项所述的位移传感器，其特征在于，计算单元被进一步构造为使得，所述计算单元在所述重叠范围中形成如下位置信号，该位置信号形成具有S-线或者抛物线或者指数函数或者带有单调梯度的任意线形状的路径。

18.根据前述权利要求中任一项所述的位移传感器，其特征在于，所述多个磁场传感器中的一个磁场传感器是3D霍耳传感器或者线性霍耳传感器。