CN107110919B - 用于基于磁传感器的表面形状分析空间定位的装置和方法 - Google Patents

Abstract

一种设备具有支撑暴露于均匀外部磁场的磁传感器阵列的柔性基板。一个或多个控制器从磁传感器接收磁传感器信号。当柔性基板与均匀外部磁场对准时，所述一个或多个控制器收集参考磁传感器信号。所述一个或多个控制器响应于柔性基板在第一方向上的变形，收集第一极性磁传感器信号。所述一个或多个控制器响应于柔性基板在第二方向上的变形，收集第二极性磁传感器信号。磁传感器信号建立柔性基板相对于均匀外部磁场的取向的简档。

Description

用于基于磁传感器的表面形状分析空间定位的装置和方法

相关申请的交叉引用

本申请要求在2014年10月2日提交的美国临时专利申请第62/059,138号的优先权，这个申请的内容通过引用被包含在此。

技术领域

本发明一般涉及分析表面形状和空间定位。更具体地，本发明涉及用于基于磁传感器的表面形状分析的技术。

背景技术

传感器在现代技术中发挥着重要的作用，因为它们已成为每天使用的数百万种产品的重要部分。传感器可以在从消费和工业产品到通信、汽车和生物医学产品的每种可想象类型的产品中找到。对于在消费产品、通信产品、计算机产品、工业产品、汽车产品、生物医学产品和精密仪器产品中广泛使用的磁传感器也是如此。

各种传感器设备已经用于表面位置和形状感测，包括光学传感器和应力传感器，例如压阻传感器和压电传感器。这些解决方法历经系统复杂性、高成本和性能差。因此，可取的是提供用于表面位置和形状感测的新技术。

发明内容

一种设备具有支撑暴露于均匀外部磁场的磁传感器阵列的柔性基板。一个或多个控制器从磁传感器接收磁传感器信号。当柔性基板与均匀外部磁场对准时，一个或多个控制器收集参考磁传感器信号。一个或多个控制器响应于柔性基板在第一方向上的变形，收集第一极性磁传感器信号。一个或多个控制器响应于柔性基板在第二方向上的变形，收集第二极性磁传感器信号。磁传感器信号建立柔性基板相对于均匀外部磁场的取向的简档(profile)。

所公开的技术可以与其他形状感测方法结合。所公开的技术可以用于旋转感测，并且可以应用于三维物体。地球磁场可以由固定的外部产生的磁场补充。

附图说明

联系以下结合附图进行的详细描述，更充分地理解本发明，在附图中：

图1示出根据本发明的实施例配置的磁传感器表面形状分析系统。

图2是在均匀磁场中的两个磁传感器的侧视图。

图3示出了在三个轴上相对于均匀磁场的磁传感器取向。

图4示出了变形的基板和得到的磁传感器矢量信号。

在附图的几个视图中，相同的附图标号指代相应的部分。

具体实施方式

图1示出了根据本发明的实施例配置的磁传感器表面形状和空间定位分析系统100。系统100包括位于柔性基板106(例如，聚酰亚胺或类似材料)上的一组磁传感器102_1至102_N。每个磁传感器102是相同的并且对沿着空间的三个维度的外部磁场敏感。在一个实施例中，每个磁传感器具有定向在由用于覆盖表面106的预定图案(pattern)定义的方向上的敏感度轴。

每个传感器102具有到X轴控制器108的链路107、到Y轴控制器110的链路109和到Z轴控制器112的链路111。控制器可以位于柔性基板106上或外部。这些控制器可以组合成单个控制器。

链路107以虚线被示出，以表明它可以在基板106的不同平面上(即，基板106可以具有多个导电层)。图1的矩阵配置是示例性的。可以使用各种均匀和不均匀的间隔范例。

每个磁传感器102必须具有足够的敏感度以测量地球磁场的大小和取向，地球磁场在任何局部地区中基本上是均匀的。在一个实施例中，使用于2013年11月10日提交的欧洲专利申请2013EP-290244(CROCUS-63-EP)、和于2013年11月10日提交的欧洲专利申请2013EP-290243(CROCUS-65-EP)中描述的类型的MLU传感器。这些申请由本专利申请的所有者拥有并通过引用被包含在此。在一个实施例中，使用于2013年3月6日提交的美国第13/787,585号('585申请)中描述的类型的MLU传感器。'585申请由本专利申请的所有者拥有并且通过引用被包含在此。

作为概述，在所引用的申请中公开的MLU传感器包括具有参考层的磁隧道结，参考层具有定向为基本上平行于参考层的平面的参考磁化。感测层具有感测磁化。隧道势垒层位于感测层和参考层之间。磁设备提供适用于对准感测磁化的感测磁场。当提供了感测磁场时，感测层磁化可以定向在平行于感测层的平面的方向和垂直于感测层的平面的方向之间。感测层磁化可以用外部磁场的低于150Oe的大小来定向。

外部磁场具有定向为平行于感测层的平面的平面内分量、和定向为垂直于感测层的平面的平面外分量。平面外分量和平面内分量由感测层感测。

图2是均匀磁场104(例如，地球磁场)中的两个磁传感器102_1和102_2的侧视图。在这种情况下，基板106是平坦的。磁场104与平坦表面正交。磁传感器102被定位成接收正交磁场并因此生成参考输出。

图3示出了在三个轴上相对于均匀磁场的磁传感器取向。图3还示出了映射到X、Y和Z值的矢量的相关角度。

图4示出了具有平坦部分400的表面106，平坦部分400将接收对应于参考场(例如，地球场)的取向的信号。部分402向上变形，而部分404向下变形。结果，部分402和404上的传感器检测对应于相同参考场的不同信号。不同的信号指示部分402和404的各自的取向。

因此，可以理解，从分布在表面106上的所有传感器处获得信息提供了关于表面的形状的精确信息。每个传感器的物理位置是已知的。因此，位置可以与磁传感器信号相关联，以形成(develop)表面106上的每个位置的形状简档。

回到图1，可以理解，X轴控制器108采样磁传感器信号以识别沿着Y轴和Z轴的旋转，而Y轴控制器110采样磁传感器信号以识别沿着X轴和Z轴的旋转，并且Z轴控制器112采样磁传感器信号以识别沿着X轴和Y轴的旋转。可以使用各种采样技术。例如，在静止状态下，可以在整个表面106上使用第一采样率。在表面的区域内检测到旋转时，可以在对象区域内增加采样率。控制器108、110和112可以跟踪随时间的变化率。因此，可以产生随时间的表面简档和空间取向。这可以用于感测旋转，从而作为陀螺仪运行。

观察到对于任何具体的传感器，所收集的信号允许推断参考场的大小和传感器相对于参考场的取向。由于对于所有传感器，参考场是固定的、均匀的和相同的，所以来自传感器的信息使得能够推断任何传感器相对于任何其他传感器的相对取向。地球磁场提供大约0.5奥斯特的固定磁场，这对于传感器是足够的。然而，对于某些应用，可以利用更强的外部产生的磁场(例如200奥斯特)来提高敏感度和准确度。外部产生的磁场可以由近似地定位的磁体产生。或者，外部产生的磁场可以由携带电流并由此感生磁场的线(line)产生。

在柔性基板上的传感器组件可以用于覆盖物体或位于物体内。取得在表面上或在物体内的已知位置和传感器对于彼此的相对取向使得能够推断物体的形状。关于相对于参考场的传感器取向的知识允许推断物体本身相对于参考场的取向。由于位置和形状的测量不取决于与本地磁场源的接近度，因此传感器可以自由地被布置在距彼此远距离处，以有效地覆盖非常大的物体(例如桥或建筑物)，以监测运动、位置、振荡模式等。

本发明的实施例可用于身体运动捕获，其具有在如制膜(例如，运动捕获)或医疗应用(呼吸监测)的多种多样的领域中的应用。在这些情况下，传感器可以插入到三维体中，以传递关于物体内的局部变化的附加信息。

本发明的技术可以与其它形状和空间位置传感器一起使用，以提高准确度和敏感度。当局部磁体用于在每个传感器上产生磁场时，可以感测到弹性变形。当膜被拉伸时，磁体和传感器分离增大，因而检测到的磁场独立于任何弯曲而减小。

出于解释的目的，前述描述使用特定命名法来提供对本发明的透彻理解。然而，对于本领域技术人员显而易见的是，为了实施本发明不需要特定的细节。因此，呈现关于本发明的特定实施例的前述描述是为了说明和描述的目的。它们不是旨在穷尽的或将本发明限制到所公开的精确形式；显然，基于上述教导，许多修改和变化是可能的。选择和描述实施例是为了最好地解释本发明的原理及其实际应用，因此，实施例使得本领域的其他技术人员能够最好地利用本发明及具有适合于预期的具体用途的各种修改的各种实施例。以下权利要求及其等同物旨在限定本发明的范围。

Claims (5)

1.一种表面形状分析设备，包括：

柔性基板，支撑暴露于均匀外部磁场的磁传感器阵列；和

一个或多个控制器，用于从磁传感器阵列接收磁传感器信号，其中所述一个或多个控制器在柔性基板与均匀外部磁场对准时收集参考磁传感器信号，响应于柔性基板在第一方向上的变形收集第一极性磁传感器信号，并且响应于柔性基板在第二方向上的变形收集第二极性磁传感器信号，使得磁传感器信号建立柔性基板相对于均匀外部磁场的取向的简档；

其中，所述一个或多个控制器利用第一采样率直到检测到区域内所述柔性基板的变形，并且响应于所述检测，在所述区域内利用大于所述第一采样率的第二采样率。

2.根据权利要求1所述的设备，其中所述均匀外部磁场是地球磁场。

3.根据权利要求1所述的设备，其中所述均匀外部磁场是施加的磁场。

4.根据权利要求3所述的设备，其中所施加的磁场由磁体产生。

5.根据权利要求3所述的设备，其中所施加的磁场由导体中的电流产生。