CN1101542C - 测量尺度的磁阻传感器 - Google Patents
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Abstract
用于测量线尺度和角度的传感器(1)。传感器(1)能相对有周期λ的磁化了的刻度尺(2)移动。它有带理发店标志式结构的磁阻电极(100)，后者连接成n个测量电桥(ABCD；A’B’C’D’)，每个测量电桥由四套磁阻电极构成。构成每一套的磁阻电极彼此串联连接，磁阻电极(100)在空间上分布，从而构成x组(10)，而每组由多于八个相继的磁阻电极构成，这些磁阻电极来自相同测量电桥的两套。优点：由于正弦的平均作用而有更好的精度。
Description
本发明涉及一种磁阻传感器和一种包括这种传感器的用于测量尺度的装置。更明确地说，本发明涉及在一种磁阻传感器中磁阻电极的布置。
在工业中应用的用于测量长度和角度位置的电子装置通常必须满足几个限制条件，其中的一些是彼此矛盾的。它们必须有足够的精度和分辨率，并能用于处在振动和处于例如灰尘、油或湿气的污染环境中。还希望这些传感器能容易地结合到小体积的装置中，不须大量的调节和修正操作，而又有高的测量速度和尽可能低的耗电。
基于不同原理的不同类型的测量器件已被用于满足不同的要求。具体地说，利用传感器相对于刻度尺位移引起的电容变化的测量系统已广泛地用到特别是便携式的装置中，例如卡尺上。这些装置必须保持足够清洁才能起作用，而在潮湿的环境或例如经常处于润滑剂和油溅洒的环境下其性能就很差。已经提出了基于磁阻电极原理测量长度的装置，例如在专利DE 4233331(IMO)中，所述装置有更强的抗脏环境的能力。在所述专利中所描述的装置包括传感器，它有磁阻电极阵列，这阵列连接成两个测量电桥。以这样的方式设置和连接电极，即电桥臂都在相同的平面上，也就是臂不需要交叉。这传感器安装在承载玻璃片上，并能面对有磁化周期λ的磁化了的刻度尺移动。传感器的磁阻电极复盖刻度尺的两个周期的长度。传感器面对刻度尺的位移引起加到传感器的各磁阻电极的磁场的改变，从而改变了它们的电阻。通过给测量电桥加电压，在它们的输出端接收电信号，所述电信号是传感器沿刻度尺的位置的周期函数。
这两个测量电桥都是由四个彼此有λ/2相移的磁阻电极构成。每个电桥的对应电极都占有λ/4相移的位置。两个电桥的电极彼此混合。所述专利还建议使用理发店标志式结构。在1992年6月25日在德国的Dortmund举行的“磁阻传感器，基础，生产和应用Magnetoresistive Sensoren，Grundlagen，Herstellung，Anwendung”的讨论会期间，F.Dettmann和U.Loreit已经解释了理发店标志式结构的一般理论。通过把细的、对电极的轴倾斜45°的平行导电材料带镀到磁阻电极上而得到理发店标志式结构。这些导电带是等位线；在带之间，电流取最短的路径，这样就以对磁阻电极的轴倾斜45°的方向流动。这结构允许电流I向量的方向发生改变。因为磁阻电极的电阻是磁化向量与电流向量之间的夹角的函数，所以，理发店标志式结构允许对传感器位移造成的电极电阻变化的方向和幅度进行控制。
每个测量电桥臂由单个磁阻电极构成，它们的宽度必须足够大以对相对小的由刻度尺产生的磁场产生反应。因而电桥臂的电阻小，故有大的电流流过测量电桥。因此这器件有高的耗电。
专利EP 0624778(Heidenhain)描述了包含两个磁阻电极电桥的测量器件，每个电桥包括四个臂。每一电桥臂由最多(maximally)两个磁阻电极构成(见图3d)。这样布置的电桥臂的电阻仍然小。此专利没有建议任何解决办法来以某种方式放置和连接磁阻电极，以便进一步减小耗电，因此所描述的传感器不适用于自供电、便携式的装置中，例如便携式的卡尺。
专利US 5,036,276(Seiko Epson)描述了另一种带磁阻电极的传感器，其电极以这样的方式连接，以构成相移π/4的四个测量电桥。每个电桥臂由单个磁阻电极形成。这样，传感器的总电阻对应于并联的四个电桥的电阻，由于电桥臂只包括单个电极，总电阻特别低，以至这传感器只限于使用在耗电不成问题的装置。
本发明的一个目的是创造出一种用于测量长度和/或角度的装置的、较现有技术的有所改进的磁阻传感器。具体地说，本发明的一个目的是创造出这样一种磁阻传感器，它使得以高灵敏度和低耗电进行高精度测量成为可能。另一个目的是创造出能容易地结合进现有的测量装置的磁阻传感器。
根据本发明，用这样的传感器可达到这些目的，即令这传感器相对于有λ周期的磁化了的刻度尺移动，用于测量线度和角度，这传感器有连接成n个测量电桥的磁阻电极，每个测量电桥由四套磁阻电极构成，构成每一套的磁阻电极彼此串联连接，磁阻电极纵向分布，从而构成x组，而每组由y个相继的来自相同测量电桥的最多两套磁阻电极构成，其中每组磁阻电极的y值大于八。
当读到这说明书给出的实施例时将会清楚，这关于磁阻电极彼此间(with respect to noe another)布置和连接的特殊规则能构成这样的电桥，它的每个臂都由大量的磁阻电极串联而成，例如由八个磁阻电极串联而成。这样，大大地增加了这些电桥的总电阻，这允许耗电减小到这样的程度，以至足以应用在电池供电的装置，例如卡尺。此外，还不影响分辨率。
阅读作为例子给出的并且通过以下附图说明的描述，就会更好地理解本发明，附图中：
图1代表刻度尺部分和传感器部分的透视原理图，可以看到在所述传感器部分的几组磁阻电极，这图还说明由刻度尺部分产生的对传感器部分作用的磁场H。
图2表示说明把不同的磁阻电极连接以构成两个测量电桥的方法的电路图。
图3以图示的方法说明成组的传感器磁阻电极的空间分布。
图4以图示的方法说明一组内磁阻电极的布置。
图5以图示的方法说明由于电极分组所得到的平均效应。
图1以图示的方法说明在刻度尺部分2上的传感器部分1。刻度尺沿x和-x水平方向有周期磁化段。磁化周期或刻度尺周期等于λ，也就是说，在预先确定的的方向上的磁化段20、21的长度等于λ/2。
刻度尺2最好固定在测量装置的本体上，而磁阻传感器1能在刻度尺上以小距离移动。在测量装置构成测量柱或卡尺的情况下，刻度尺2与装置的框架结合成一个整体，而传感器1连接到滑块上，以便能沿着框架或刻度尺滑动。对于刻度尺为几十厘米的情况，传感器的长度通常大约为几厘米。另一种布置方式是，也可以把刻度尺与传感器的安装关系倒过来。在测量角度或轴的转动的情况下，刻度尺可以由在轴的周边的电极阵列构成，而传感器设置在绕着这轴的圆柱环内。
例如可以用这样的方法制成刻度尺，即在一条铝带上面设置具有高磁矫顽力的材料(铁磁体)。在刻度尺的表面，水平磁场Hx(X)实际上是纵向位置X的矩形函数：对于模λ的在{0-λ/2}范围内的X，Hx(X)＝H0，对于模λ的在{λ/2-λ}范围内的X，Hx(X)＝-H0。在离刻度尺足够距离a的地方，可以很容易地看到，磁场Hx(X)实际上是位置X的正弦函数，当这距离a增加时，正弦的近似程度越好。在图1中以箭头来说明在刻度尺与传感器之间的磁场Hx(X)的向量方向。
在刻度尺表面处的磁场H0最好在10到100kA/m范围内，并且按照下面的比，随离表面的距离a指数地减小：
Hx(a)＝H0.e-2πa/λ
制造具有非常贴近刻度尺移动的传感器的测量系统有机械上的困难。这样，装置的成本就成了对传感器与刻度尺之间距离a的某种限制。因此现有技术的磁阻器件一直仅限于用在贵重的装置例如高度测量柱、机床或光学显微镜上。对于这类装置，有可能使用足够高精度的机械加工来使得传感器在离刻度尺大约0.1毫米的距离处移动。我们将在后面看到，根据本发明的传感器能在离刻度尺大约200到700微米，最好是500微米的距离处起作用，这使得它能用于卡尺类的便携式的装置中。
当刻度尺与传感器之间的距离a等于刻度尺周期的一半，即λ/2时，磁场H(a)早已变到刻度尺表面处的磁场H0的数值的4％。因此需要采用足够大的刻度尺周期λ，以便获得对传感器足够大的磁场。在另一方面，通过减小λ，我们能改进在距离a处得到磁场Hx(X)的正弦波形。这样，刻度尺周期λ就必然是一个折衷值。试验已经表明，对于上述的距离a，在λ值在0.5和1.5毫米之间，最好是1毫米时能获得最佳的结果。
传感器1备有磁阻电极100(具体见图4)。磁阻电极有理发店标志式结构，即对于电极的轴倾斜+/-45°的细的平行导电材料带。一半电极有+45°取向的理发店标志式结构，而另一半电极有-45°取向的理发店标志式结构。可以证明，相同的磁场H在有+45°取向的理发店标志式结构的磁阻电极上产生一个与在有-45°取向的理发店标志式结构的磁阻电极上相反的电阻变量Δr。
磁阻电极100以这样的方式在传感器1上纵向分布，以构成x组10，在这例子中为24组相继的电极，图1只表示了这些电极的某些部分。图3说明24组磁阻电极的布置状况。每一组由y个磁阻电极100构成，它们复盖着长度w，在这例子中，24个电极复盖着等于λ/4的长度w，即0.25毫米的长度。这样，在传感器1上磁阻电极100的总数等于x*y＝24*24＝576。因为两个相继的组有λ/4的相移，由两个相继的组接收的信号之间的相移为90°。
图2说明连接传感器上的不同的磁阻电极100以构成两个测量电桥的方法。每个测量电桥包括四个臂，每个臂由一套磁阻电极ABCD构成，以此相对应的为A’B’C’D’。两个测量电桥的两端供以电压UP和UN。在这例子中，每套电极A，B，C，D，A’，B’，C’，D’由72个电极串联而成。如果磁阻电极100有大约1毫米长度和大约5微米宽度，对每套磁阻电极，因而也就是对每个电桥，有可能用一般的磁阻材料获得大于10kΩ的高阻，最好是大于50kΩ。这样，流过两个测量电桥的电流非常弱，从而相对于现有技术器件来说，本发明使得耗电很小，并且例如可用电池供电。
第二电桥A’B’C’D’的四套磁阻电极A’，B’，C’，D’来自12个奇数组，即沿传感器所占的位置为λ/2，3λ/2等。在另一方面，第一电桥ABCD的四套电极A，B，C，D，来自12个偶数组，即沿传感器所占的位置为0，λ等。这样，在第二电桥输出端CC’所接收的信号相对于第一电桥输出端BB’所接收的信号有90°的相移。
下表综述了第一电桥不同套电极A，B，C，D和第二电桥不同套磁阻电极A’，B’，C’，D’的组成：第一电桥： 相位 理发店标志 第二电桥 相位 理发店标志不同套 的取向 不同套 的取向
poles polesA 0° +45° A’ 90° +45°
180° -45° 270° -45°B 0° -45° B’ 90° -45°
180° +45° 270° +45°C 0° -45° C’ 90° -45°
180° +45° 270° +45°D 0° +45° D’ 90° +45°
180° -45° 270° -45°
每套电极由占有相同相位的第一位置的、有根据第一方向取向的理发店标志式结构的36个磁阻电极的半套电极，和另外36个磁阻电极的第二半套电极组成，此第二半套电极占有相对于第一位置为180°相移的位置、有根据第二方向取向的理发店标志式结构。这样，对于给定的传感器位置x，由磁场Hx(X)在两个半套电极所引起的电阻变化是相同的。
B套电极与A套电极来自相同的组，但理发店标志式结构的取向却相反。以相同的方式，套B’，D和D’依次各自来自与套A’，C和C’相同的组，而在每一情况的理发店标志式结构的取向相反。这样，每个测量电桥的分压器AB，CD和A’B’，C’D’由这样的磁阻电极构成，它们来自传感器的相同位置；因而，在每个测量电桥内，刻度尺磁化的局部变化彼此抵消。
套C的电极占有相对于套A的电极的180°相移的位置，而共有理发店标志式结构的相同取向。套D，C’和D’电极依次各相对套B，A’和B’有与上相同的关系。这种安排具体可以从图3看到，在所述图，两个字母和两个符号/和\在每一组上面表示构成这组的一套电极以及所选的理发店标志式结构的取向。此外，理发店标志式结构直接表示在示于图4的这组电极上。
每个磁阻电极的电阻是所加的磁场Hx(X)的函数。我们已经看到，在足够大的距离a处(在此为0.5毫米)，Hx(X)只是近似于正弦函数，因而包含着谐波。因此，当传感器1进入由刻度尺2产生的磁场时，每个磁阻电极100的电阻R(X)以近似于正弦的方式变化。在电桥ABCD和A’B’C’D’之一的每套电极100的电阻等于构成这一套的72个串联的电极的电阻的和。这72个电极分布于占有相同相位(或有180°的相移，但理发店标志有相反的取向)的位置的6个组中。图5表示相同组10和相同套的12个磁阻电极以及由这12个磁阻电极中的每一个上的刻度尺产生的磁场Hx(X)的四个主谐波n＝1到n＝4。A到D’的每套电极的电阻R(X)等于在位置x附近(模λ/2)复盖宽度w的12个磁阻电极100的电阻乘以6(每套6组)。在讨论一套电极的电阻时要把位置[X-w/2；X+w/2]之间的Hx(X)值考虑在内。从附图可以看到，并且也很容易表明，这种平均作用使得Hx(X)的谐波在长度达到w＝λ/4时大为衰减，高次谐波分量的正和负分量相互抵消。这种平均作用使得能改进测量的精度。谐波的衰减取决于进行这种平均作用的电极的数目：在这例子中，当组由24个分布在w＝λ/4上的电极构成时，n＝3的谐波的衰减等于大约10dB。
对于给定的刻度尺周期和工艺所限定的电极宽度，使用由大量磁阻电极来构成组是有好处的，因为这样可以增加组所复盖的w，从而改进信号的平均作用和减小谐波。
同时增加组所复盖的w和刻度尺的节距λ同样能增加每组电极的数目。在这情况下，不会影响距离a处的Hx(X)的正弦形状，λ的增加使得能够增加磁场的值、直至磁阻电极的平面，这样就提高了它们的灵敏度。
在保持w和λ恒定的情况下，通过减小宽度(在所应用的工艺的限度内)能增加每组电极的数目y。这样，人们设法增加它们的电阻，从而使得传感器的耗电减小。因为电极宽度的减小被电极数目的增加所抵消，这样做对器件的灵敏度没有实际的效果。
根据本发明，故意使每组电极的数目y大，在任何情况下都大于8，而在所说明的例子中为24。为了构成两个测量电桥，需要8套电极，它们必须来自(起码)四组。在决定采用n＝2的测量电桥的情况下，选择组的数目x，它是4的倍数，例如4，8，12，16，20，24，32，36，40或48。如果想要使用半套电极，即由带有两个相反取向的理发店标志式结构的电极所构成的套，则必须限制为8的倍数的值。
图4用例子说明磁阻电极100的组10，它由来自有+45°取向的理发店标志式结构的第一套A和有-45°取向的理发店标志式结构的第二套B构成。将要指出，所选的顺序ABBAABBABB...等在一方面保证了在同一组的两套，即套A和B的重心重叠，而在另一方面，保证所有电极在单个平面上彼此连接而不交叉。如图3所说明的那样，这个组的电极A，B各自与相距λ/2的组的电极A，B串联连接，并且各自有-45°，+45°取向的理发店标志式结构。不需要把组10彼此连接成电桥或跨接。
本专业的技术人员将能以许多变化来利用本发明，以适应他的各种需要。具体地说，所用的测量电桥的数目n可以不同于2；例如也可以用单测量电桥，或用三个相移为120°的测量电桥来进行测量。在后一情况下，例如可能有一组复盖在w等于λ/3的长度上的电极，并令它们包括七个或更多的电极。此外，通过采用不同于+/-45°取向角的理发店标志式结构，有可能大大增加传感器上组10分布的自由度以及组10内电极100分布的自由度。最后，还要指出，电极组也可以由来自单套而不是来自两混合套的电极构成。
Claims (18)
1.一种传感器(1)，令其相对于有周期λ的磁化了的刻度尺(2)移动，用于测量线尺度和角度，其特征在于，
所述传感器有连接成n个测量电桥(ABCD；A’B’C’D’)的磁阻电极(100)，每个测量电桥由四套磁阻电极构成，构成每一套的磁阻电极彼此串联连接，磁阻电极(100)纵向分布，从而构成x组(10)，而每组由y个相继的来自相同测量电桥的最多两套磁阻电极构成，以及
每组(10)磁阻电极(100)的数目大于八。
2.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，至少某些磁阻电极(100)带有理发店标志式结构。
3.根据权利要求2所述的传感器，其特征在于，所述组(10)的磁阻电极(100)来自两套(AB，A’B’；CD，C’D’)，选择同一组(10)中两套磁阻电极的重心和理发店标志式结构，使得由刻度尺(2)产生的相同磁场在两套磁阻电极上感应出相反的电阻变化。
4.根据权利要求3所述的传感器，其特征在于，每组(10)中的两套磁阻电极(100)的顺序是ABBAABBAABB...类型。
5.根据权利要求4所述的传感器，其特征在于，相继的组(10)有180°/n相移。
6.根据权利要求5所述的传感器，其特征在于，每个测量电桥(ABCD；A’B’C’D’)由四套来自有180°相移的多个组(10)的对的磁阻电极(100)构成。
7.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，每套(A，B，C，D，A’，B’，C’，D’)的磁阻电极(100)来自相同相位的至少两个组(10)。
8.根据权利要求2所述的传感器，其特征在于，每套的磁阻电极(100)来自有180°相移的至少两个组(10)，并且备有相反取向的理发店标志式结构。
9.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，测量电桥(ABCD；A’B’C’D’)的数目n等于二，组(10)的数目x是8的整数倍数，并且每套磁阻电极(100)来自相同相位的且有在第一方向取向的理发店标志式结构至少两个第一组，和相对所述第一组有180°相移的且有在与第一方向相反的第二方向上取向的理发店标志式结构的至少两个第二组。
10.根据权利要求9所述的传感器，其特征在于，测量电桥(ABCD；A’B’C’D’)由四套磁阻电极(100)构成，所有两套磁阻电极(100)分布在电极的第一半上，而所有另两套电极分布在电极的第二半上。
11.根据权利要求10所述的传感器，其特征在于，组(10)的数目x等于24。
12.根据权利要求11所述的传感器，其特征在于，每组(10)的磁阻电极(100)的数目y等于24。
13.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述周期λ在0.5mm-1.5mm的范围内。
14.根据权利要求13所述的传感器，其特征在于，每套(A，B，C，D，A’，B’，C’，D’)磁阻电极(100)所形成的电阻大于10kΩ。
15.根据权利要求14所述的传感器，其特征在于，所述磁阻电极(100)分布在至少四倍周期λ的长度上。
16.用于测量尺度的装置，其特征在于，包括有磁化周期λ的磁化了的刻度尺(2)和根据权利要求1至15中任一权利要求所述的传感器，所述传感器能相对于所述刻度尺(2)移动。
17.根据权利要求16所述的测量装置，其特征在于，所述刻度尺(2)与所述磁阻电极(100)之间的距离在200μm-700μm的范围内。
18.根据权利要求16所述的测量装置，其特征在于，它由电池供电。
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