CN110678767B - 具有误差计算的磁场传感器 - Google Patents

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Abstract

一种磁场感测系统可以包括：第一磁场感测元件；第二磁场感测元件；用于生成具有第一非零频率的第一磁场的装置；用于生成具有第二频率的第二磁场的装置；被定位其响应于第一磁场而生成反射磁场的导电目标；用于在第一交替时间段期间产生表示第一磁场和反射磁场的第一信号的装置；用于在第二交替时间段期间产生表示第二磁场的第二信号的装置；用于根据第一信号和第二信号计算误差值的装置，其中，误差值至少部分地基于在第一时间段期间的第二信号；以及用于将误差值应用于第一交替时间段期间的第一信号的装置。

Description

具有误差计算的磁场传感器
技术领域
本公开内容涉及磁场传感器，并且更具体而言，涉及具有误差计算的磁场传感器。
背景技术
磁场传感器通常用于检测铁磁目标。它们通常充当用于检测目标的运动或位置的传感器。这种传感器在包括机器人、汽车、制造业等许多技术领域中无处不在。例如，磁场传感器可以用于检测车辆的车轮何时锁死，从而触发车辆的控制处理器以接合防抱死制动系统。在该示例中，磁场传感器可以检测车轮的旋转。磁场传感器还可以检测到物体的距离。例如，磁场传感器可以用于检测液压活塞的位置。
没有磁场传感器是完全精确的。检测目标位置的每一个磁场传感器都包括至少一些误差。在一些系统中，误差可以是目标位置的函数的非线性误差。如果将目标用作参考和/或在尝试测量和计算误差时目标的位置未知，则补偿作为目标位置的函数的误差可能提出挑战。
发明内容
在实施例中，一种系统包括至少一个线圈，其被配置为生成具有第一频率的第一磁场，所述第一频率在第一时间段期间在导电目标中感应出第一反射磁场，其中，所述第一反射磁场具有第一磁场强度。线圈可以被配置为生成具有第二频率的第二磁场，所述第二频率在第二时间段期间在所述导电目标中感应出第二反射磁场，其中，所述第二反射磁场具有与所述第一磁场强度不同的第二磁场强度。
至少一个第一磁场感测元件可以被配置为在所述第一时间段期间检测所述第一磁场和所述第一反射磁场，并在所述第二时间段期间检测所述第二磁场和所述第二反射磁场。
至少一个第二磁场感测元件可以被配置为在所述第一时间段期间检测所述第一磁场和所述第一反射磁场，并在所述第二时间段期间检测所述第二磁场和所述第二反射磁场。
处理电路可以被耦合以从所述至少一个第一磁场感测元件和所述至少一个第二磁场感测元件接收相应的输出信号，并计算所述系统的误差值。
可以包括以下特征中的一个或多个。
所述第二频率可以基本是零，并且所述第二反射磁场强度可以基本是零。
所述第一磁场可以包括第一频率，所述第一频率在所述导电目标中感应出生成所述第一反射磁场的涡电流。
所述误差值可以基于在所述第一时间段期间进行的测量，并且所述处理电路可以被配置为将所述误差值应用于在所述第二时间段期间进行的测量。
所述至少一个第一磁场感测元件可以被放置为使得其最大灵敏度轴与所述第一磁场对齐。
在另一个实施例中，一种系统包括：被配置为生成具有第一非零频率的第一磁场并生成具有第二频率的第二磁场的至少一个线圈；被定位成响应于第一磁场而生成反射磁场的导电目标；被配置为产生表示检测所述第一磁场和所述反射磁场的第一信号并且产生表示检测所述第二磁场的第二信号的一个或多个磁场感测元件。
可以包括以下特征中的一个或多个。
处理电路可以接收所述第一信号和所述第二信号，并根据所述第一信号和所述第二信号来计算所述系统的误差值。
所计算的误差值可以独立于所述导电目标的位置。
所述第一磁场可以具有足够高以在所述导电目标中感应出涡电流的频率。
所述反射磁场可以由所述涡电流产生。
所述第二频率可以基本是低的，以使得其不从所述导电目标感应出反射场。
所述第二频率可以基本是零。
在第一时间段期间可以生成所述第一磁场，并且在第二时间段期间可以生成所述第二磁场。
处理电路可以基于在所述第二时间段期间进行的测量来计算误差值，并将所述误差值应用于在所述第一时间段期间进行的测量。
所述第一时间段和所述第二时间段可以是不重叠的时间段。
在另一个实施例中，一种方法包括：生成具有第一非零频率的第一磁场；生成具有第二频率的第二磁场；通过所述第一磁场从导电目标感应出反射磁场；通过一个或多个磁场感测元件产生表示所述第一磁场和所述反射磁场的第一信号；以及通过所述一个或多个磁场感测元件产生表示所述第二磁场的第二信号。
可以包括以下特征中的一个或多个。
可以根据所述第一信号和所述第二信号来计算误差值。
所计算的误差值可以独立于所述导电目标的位置。
第一磁场可以具有足够高以在所述导电目标中感应出涡电流的频率，其中，所述反射磁场由所述涡电流产生。
所述第二频率可以基本是低的，以使得所述第二磁场不从所述导电目标中感应出反射磁场。
所述第二频率可以基本是零。
生成所述第一磁场可以包括在所述第一时间段期间生成所述第一磁场；并且生成所述第二磁场可以包括在所述第二时间段期间生成所述第二磁场，其中，第一时间段和第二时间段不重叠。
所述第一时间段和所述第二时间段可以是不重叠的时间段。
可以在所述第一时间段期间生成所述第一信号；可以在所述第二时间段期间生成所述第二信号；可以基于在所述第一时间段期间测得的所述第一信号计算误差值；以及将所述误差值应用于所述第二时间段期间的所述第二信号。
在另一个实施例中，一种系统包括第一磁场感测元件；第二磁场感测元件；用于生成具有第一非零频率的第一磁场的装置；用于生成具有第二频率的第二磁场的装置；被定位成响应于所述第一磁场而生成反射磁场的导电目标；用于在第一交替时间段期间产生表示所述第一磁场和所述反射磁场的第一信号的装置；用于在第二交替时间段期间产生表示所述第二磁场的第二信号的装置；用于根据所述第一信号和所述第二信号计算误差值的装置，其中，所述误差值至少部分地基于在所述第一时间段期间的所述第二信号；以及用于将所述误差值应用于所述第一交替时间段期间的所述第一信号的装置。
附图说明
根据附图的以下描述可以更充分地理解前述特征。附图有助于解释和理解所公开的技术。由于图示和描述每一个可能的实施例通常是不切实际或不可能的，因此所提供的附图描绘了一个或多个示例性实施例。因此，附图不旨在限制本发明的范围。附图中相同的标号指代相同的元件。
图1是用于感测导电目标的系统的透视图。
图2是图1的系统的剖面视图。
图3是用于感测包括信号处理元件的导电目标的系统的框图。
图4是用于感测包括信号处理元件的导电目标的系统的另一个实施例的框图。
图4A是磁场感测元件的线圈的示意图。
图5是与图4的系统相关联的信号的曲线图。
图6是反射磁场强度与频率的关系的曲线图。
图7是图4的系统的操作模式的时序图。
具体实施方式
如本文中所使用，术语“磁场感测元件”用于描述可以感测磁场的各种电子元件。磁场感测元件可以是但不限于霍尔效应元件、磁阻元件、或磁晶体管。众所周知，存在不同类型的霍尔效应元件，例如，平面霍尔元件、垂直霍尔元件和圆形垂直霍尔(CVH)元件。众所周知，存在不同类型的磁阻(MR)元件，例如，半导体磁阻元件(诸如锑化铟(InSb))、巨磁阻(GMR)元件、各向异性磁阻元件(AMR)、隧道磁阻(TMR)元件以及磁性隧道结(MTJ)。磁场感测元件可以是单个元件，或者替代地，可以包括以各种配置(例如，半桥或全(惠斯通)桥)布置的两个或更多个磁场感测元件。根据设备类型和其它应用要求，磁场感测元件可以是由IV型半导体材料(诸如硅(Si)或锗(Ge))或III-V型半导体材料(例如砷化镓(GaAs))或铟化合物(例如锑化铟(InSb))制成的设备。
众所周知，上述磁场感测元件中的一些趋于具有平行于支撑磁场感测元件的基板的最大灵敏度轴，而上述磁场感测元件中的其它磁场感测元件趋于具有垂直于支撑磁场感测元件的基板的最大灵敏度轴。具体地，平面霍尔元件趋于具有垂直于基板的灵敏度轴，而金属基或金属磁阻元件(例如，GMR、TMR、AMR)和垂直霍尔元件趋于具有平行于基板的灵敏度轴。
如本文所使用的，术语“磁场传感器”用于描述使用磁场感测元件、通常与其它电路结合的电路。磁场传感器用于各种应用，包括但不限于感测磁场方向角的角度传感器、感测由电流承载导体承载的电流生成的磁场的电流传感器、感测铁磁性物体的接近度的磁性开关、感测通过的铁磁物品(例如，其中结合反向偏置磁体或其它磁体使用磁场传感器的环形磁铁或铁磁目标(例如，齿轮齿)的磁畴)的旋转检测器、以及感测磁场的磁场密度的磁场传感器。
如本文所使用的，术语“目标”和“磁性目标”用于描述将被磁场传感器或磁场感测元件感测或检测的物体。
图1是用于检测导电目标101的系统100的透视图。系统100可以包括可以支撑线圈104、线圈106和MR元件108的基板102。尽管示出了一个MR元件，但是MR元件108可以包括两个或多个MR元件，取决于系统100的实施例。在其它实施例中，线圈104和106可以由单独的基板支撑，或者可以是独立式线圈(即，不受基板支撑或由不同的结构(诸如芯片封装或框架)支撑的线圈)。
目标101可以包括诸如金属之类的导电材料，其允许由线圈104和106产生的磁场在目标101中感应出涡电流。
尽管未示出，但是MR驱动器电路可以向MR元件108提供电流，并且线圈驱动器电路可以向线圈104和106提供电流。
线圈104和106可以被布置成使得电流沿相反的方向流过线圈104和106，如箭头109(指示线圈104中的顺时针电流)和箭头110(指示线圈106中的逆时针电流)所示。结果，线圈104可以产生具有在负Z方向(即，在图1中向下)上的磁矩的磁场，如箭头112所示。类似地，线圈106可以产生具有在相反方向(正Z方向)上的磁矩的磁场，如箭头114所示。由两个线圈产生的聚集磁场111可以具有与磁场线111所示的形状相似的形状。可以理解的是，线圈104、106可以由分别缠绕的单个线圈结构形成，使得流过线圈的电流沿相反方向流动。替代地，线圈104、106可以由单独的线圈结构形成。
在实施例中，MR元件108可以位于线圈104与106之间。在这种布置中，除了线圈104和106产生的磁场之外，没有任何其它磁场，MR元件108处的净磁场可以为零。例如，由线圈104产生的磁场的负Z分量可以被由线圈106产生的磁场的正Z分量抵消，并且在基板102上方示出的磁场的负X分量可以被由在基板102下方示出的磁场的正X分量抵消。在其它实施例中，可以将附加线圈添加到基板102并将附加线圈布置成使得MR元件108处的净磁场基本为零。
为了在MR元件108的位置处获得基本为零的磁场，可以放置线圈104和线圈106，以使得通过线圈的电流以圆形图案在大致相同的平面中流动。例如，通过线圈104和106的电流以圆形图案流过线圈。如图所示，这些圆形图案彼此基本共面，并且与基板102的顶表面116共面。
耦合到线圈104和/或106的线圈驱动器(未在图1中示出)可以产生交变场。在这种布置中，由磁场线111示出的磁场可以随时间改变方向和大小。然而，在这些改变期间，在MR元件108的位置处的磁场可以基本保持为零。
在操作中，随着目标101朝向和远离MR元件108移动(即，沿正负Z轴方向)，磁场111将使得涡电流在目标101内流动。这些涡电流将产生其自身的磁场，其将在MR元件108的平面中产生非零磁场，该非零磁场可以被感测以检测目标101的运动或位置。
参考图2，如沿Y方向在(图1中的)线118处看到的系统100的剖面视图150示出了目标101内的涡电流。‘x’符号表示流入页面中的电流，并且‘·’符号表示从页面流出的电流。如上所述，通过线圈104和106的电流可以是交流电，这可以引起磁场111的交流强度。在实施例中，通过线圈104的交流电的相位与通过线圈106的交流电的相位匹配，以使得磁场111是交变场或周期场。
交变场111可以在磁性目标101内产生涡电流140和142。涡电流140和142的方向可以分别与流过线圈104和106的电流相反。如图所示，涡电流148从页面流出，并且涡电流140流入页面，而线圈电流151流入页面，并且电流152流出页面。而且，如图所示，涡电流142的方向与通过线圈106的电流的方向相反。
涡电流140和142生成具有与磁场111相反方向的反射磁场154。如上所述，由于磁场111，MR元件108检测到净磁场为零。然而，在反射磁场154存在的情况下，MR元件108将检测到非零磁场。如磁场线156所示，在MR元件108处的反射磁场154的值为非零。
随着目标101移动靠近线圈104和106，磁场111可能在目标101中产生更强的涡电流。结果，反射磁场154的强度可能改变。磁场111'(在图2的右侧面板中)可以表示比磁场111更强的磁场，这是由于(例如)目标101更靠近线圈104和106。因此，涡电流140'和142'可以比涡电流140和142更强，并且磁场154'可以比磁场154更强。这种现象可能导致MR元件108在目标101更靠近线圈104和106时检测到更强的磁场(即，磁场154')，并且在目标101更远离线圈104和106时检测到更弱的磁场(即，磁场154)。
此外，涡电流140'和142'通常在目标101的表面上或附近出现。磁场强度作为半径的函数而减小——即，作为距磁场源的距离的函数而减小。因此，随着目标101移动得更靠近MR元件108，MR元件108可能经受到来自涡电流的更强磁场，因为磁场源更靠近MR元件108。
图3是磁场传感器300的框图，其可以包括线圈302、线圈驱动器304、AC驱动器310、MR驱动器308、MR元件306、放大器314、低通滤波器318、温度传感器320、材料类型模块322、偏移模块324和分段线性化模块326。
尽管示出为单个线圈，但是线圈302可以包括一个或多个线圈。在实施例中，线圈302可以与上述线圈104和/或线圈106相同或相似。类似地，MR元件306可以包括一个或多个MR元件，并且可以与上述MR元件108相同或相似。
线圈驱动器304可以提供将电流驱动通过线圈302的功率信号，从而使得线圈302生成磁场。MR驱动器308可以向MR元件306提供功率，从而允许它们检测磁场。
MR元件306可以对感测元件驱动信号(例如，由MR驱动器308产生的信号)做出响应并且可以被配置为检测由线圈302生成的直接耦合的磁场。MR元件306可以产生表示检测到的磁场的信号312。MR元件306还可以被配置为检测由目标(诸如目标101)内的涡电流产生的反射磁场。
如图所示，AC驱动器310被耦合到线圈驱动器304。在该实施例中，线圈驱动器304可以产生低频信号以驱动线圈302。频率可以足够低，以使得由线圈302产生的磁场不引起来自目标101的涡电流和反射场。在一些实施例中，频率为零(即“DC”频率)。
线圈302可以产生DC(或基本上低频AC)磁场，其可以由MR元件306检测到但不在目标中产生涡电流。通过检测DC(或基本上低频AC)磁场所产生的信号可以用于调节磁场传感器的灵敏度。
线圈302还可以在较高频率处产生AC磁场，该AC磁场在目标中感应出涡电流，该涡电流在MR元件306可以检测到的较高频率处产生反射磁场。线圈302可以在产生低频磁场与产生高频磁场之间交替。
MR元件306可以产生信号312，该信号312可以包括DC或基本上低AC频率的表示不在目标中引起涡电流的低频磁场的频率分量(例如，“直接耦合的”信号或信号分量)，和/或在较高AC频率处的表示检测到的反射场的频率分量(例如“反射的”信号或信号分量)。在实施例中，直接耦合的信号可以用于调节传感器的灵敏度，而反射信号可以用于检测目标。线圈驱动器304和/或MR驱动器308可以使用直接耦合的信号作为灵敏度信号，以响应于灵敏度信号来调节它们各自的输出驱动信号。
在实施例中，直接耦合的信号和反射信号可以被包括作为同一信号的频率分量。在这种情况下，线圈302可以被驱动以同时产生两个频率分量。在其它实施例中，直接耦合的信号和反射信号的生成可以例如使用时分复用方案在不同时间生成。
传感器300还可以包括解调器电路350，该解调器电路350可以调制信号316以从信号中去除AC分量或将信号内的AC分量变换至不同的频率。例如，解调器电路350可以以频率f调制信号316。如本领域中已知的，因为信号316包括在频率f处表示检测到的磁场的信号分量，所以在频率f处调制信号316可以将表示检测到的磁场的信号元素变换到0Hz或DC。信号316内的其它频率分量可以被变换到更高的频率，因此它们可以被低通滤波器318去除。在实施例中，可以表示灵敏度值的信号316的DC或低频分量可以被反馈到线圈驱动器304以响应于该信号来调节线圈302的输出，和/或被反馈到MR驱动器308以响应于灵敏度值来调节驱动信号309。DC输出信号352可以表示目标与MR元件306的接近度。
在其它实施例中，可以使用时分复用方案。例如，线圈驱动器304可以在第一时间段期间以第一频率、在第二时间段期间以第二频率等来驱动线圈302。在一些情况下，第一时间段和第二(以及后续)时间段不重叠。在其它情况下，第一时间段和第二时间段可以重叠。在这些情况下，线圈驱动器304可以同时以两个或更多个频率驱动线圈302。当第一时间段和第二时间段不重叠时，解调器350可以以与线圈驱动器304相同的频率操作。当时间段重叠时，可以使用多个调制器，第一调制器以第一频率运行，并且第二调制器以第二频率运行，以将每一个频率的信号分离出来。
尽管减小MR元件306检测到的直接耦合的磁场以实现对反射场(以及因此检测到的目标)的准确读取可能是有利的，但是具有一定量的直接耦合(即，直接检测线圈302产生的磁场)以允许计算灵敏度值也可能是有利的。同时测量目标反射的场和线圈直接生成的场，允许独立于MR元件的灵敏度、线圈驱动电流等来准确检测物体的距离。MR元件的灵敏度可能随着温度和/或在MR阵列的平面中存在不希望的DC或AC杂散场而改变。反射场与直接耦合场之间的比率仅取决于几何设计，并因此是用于准确确定距离的良好参数。
在实施例中，可以使用跳频方案。例如，线圈驱动器304可以以不同的频率驱动线圈302(例如，随着时间在频率之间交替，或者产生包含多个频率的信号)。在这种实施例中，传感器300可以包括多个解调器电路和/或滤波器，以检测每一个频率的信号。
使用线圈和反射场的磁场传感器的附加示例可以在标题为COIL ACTUATEDPOSISTION SENSOR WITH REFLECTED MAGNETIC FIELD的美国专利申请中找到，该美国专利申请中列出A.Latham先生为发明人，共同拥有本申请，与本申请在同一日提交，事务所案号为ALLEG-590PUS，授权申请号为15/606,358，并且在此通过引用将其全文并入。
图4是用于检测导电目标的磁场传感器400的框图。磁场传感器400包括用于生成磁场的线圈402、用于驱动电流通过线圈402的线圈驱动器404、以及用于检测磁场的磁场感测元件406和408。线圈驱动器404可以是可调节线圈驱动器，其可以通过线圈402驱动不同幅度和不同频率的电流。例如，线圈驱动器404可以在第一时间段期间驱动具有第一频率的AC电流并且在第二时间段期间驱动具有第二频率的电流。在实施例中，第一频率可以足够高以在导电目标中产生涡电流，并且从导电目标产生反射磁场，并且第二频率可以足够低以使得磁场感测元件406和408基本上不能检测到来自导电目标的任何反射场。在实施例中，第二频率可以是零频率或“DC”频率。
磁场感测元件406和408可以是MR元件、霍尔效应元件或其它类型的磁场感测元件。在实施例中，图4中所示的磁场感测元件406和408可以表示多个霍尔效应或MR元件。例如，每一个块406和408可以表示以桥形式布置的两个、四个或更多个磁场感测元件，以分别产生差分输出信号412和414。在其它实施例中，磁场感测元件406和408可以产生单端输出信号。
磁场感测元件406和408可以检测直接耦合的磁场(即，它们可以直接检测由线圈402产生的磁场)，并且可以检测由导电目标(例如，图1中的目标101)中的涡电流产生的反射场。在实施例中，磁场感测元件406和408可以被布置为使得它们的最大灵敏度轴在相反的方向上。例如，当感测到直接耦合场时，MR元件406可以产生具有与由MR元件408产生的信号相同绝对值但相反符号的信号。最大灵敏度轴还可以被布置为使得当MR元件406和408检测到反射磁场时所产生的信号没有相反的符号。在实施例中，这可以通过在线圈402中包括反线圈来实现。
参考图4A，线圈448可以与线圈402相同或相似。MR元件1-4可以包括MR元件406或可以与MR元件406相同或相似，并且MR元件5-8可以包括或可以与MR元件408相同或相似。例如，MR元件1-4可以形成与MR元件406相同或相似的MR桥，并且MR元件5-8可以形成与MR元件408相同或相似的MR桥。
线圈452可以包括迹线454A、454B、456A和456B、以及反线圈部分454和456。反线圈部分454和456可以在MR元件周围产生局部磁场，该局部磁场降低了MR元件1-8对反射磁场的响应并增加了MR元件108对直接耦合场的响应。由反线圈部分454和456产生的局部磁场的方向可以与由迹线454A、454B、456A和456B产生的磁场的方向相反。
在图4A中，示出了通过反线圈部分454和456的电流沿逆时针方向行进。尽管未示出，但是在其它实施例中，通过反线圈部分454和456的电流可以沿逆时针方向行进。
包括MR元件1-4的桥的差分输出可以被定义为MR元件1和4之间的串联连接节点处的电压减去MR元件2和3之间的串联连接节点处的电压，并且包括MR元件5-8的桥的差分输出可以被定义为MR元件5和8之间的串联连接节点处的电压减去MR元件6和7之间的串联连接节点处的电压。考虑到不存在反射场的情况，MR元件1和4经历的直接耦合场可以与MR元件2和3经历的直接耦合场相反。换句话说，MR元件可以被定位为使得随着他们经历更强的直接耦合的磁场，MR元件1和3的电阻可以增加并且MR元件2和4的电阻可以降低。此外，MR元件可以被定位为使得随着他们经历更强的直接耦合的磁场，MR元件5和7的电阻可以增加，并且MR元件6和8的电阻可以减小。
现在考虑尽管有反线圈454和456，但也存在目标和反射场的情况，MR元件1-8可以经历作为两个桥所共有的均匀场的反射场。因此，反射场可以使包括MR元件1-4的桥的差分输出在与包括MR元件5-8的桥的差分输出相同的方向上进行变换。这样，可以通过将MR桥的差分输出相加或相减而将反射场分量与MR桥的输出的直接耦合场分量区分开。
再次参考图4，磁场传感器400还可以包括用于放大信号412和414的信号处理元件(诸如放大器416和418)、调制器420和422以及用于处理信号412和414的模数转换器(ADC)424和426。调制器420和422可以将来自MR元件的信号乘以与线圈驱动器404的频率基本相同的频率。这可以使频率变换至DC以进行后续处理。
在实施例中，线圈驱动器404可以在第一时间段期间以一个频率(F1)驱动线圈402并且在第二时间段期间以另一个频率(F2)驱动线圈402。因此，调制器420和422可以被配置为在第一时间段期间将来自MR元件的信号乘以频率F1以及在第二时间段期间将来自MR元件的信号乘以频率F2。调制器420和422可以通过将信号乘以驱动线圈402的相同频率来将信号变换为DC。
磁场传感器400还可以包括MR驱动器410，该MR驱动器410可以向磁场感测元件提供功率。MR驱动器可以在交替的时间段期间施加功率或从磁场感测元件406或408去除功率。例如，在一个时间段期间，磁场感测元件406可以是活跃的，并且磁场感测元件408可以是非活跃的。在第二时间段期间，磁场感测元件408可以是活跃的，并且磁场感测元件406是非活跃的。替代地，MR驱动器可以同时向磁场感测元件406和408两者提供或从磁场感测元件406和408两者去除功率。
磁场传感器400还可以包括用于计算磁场传感器的误差值的处理电路。求和电路428可以产生信号V1和信号V2之和。减法电路430可以计算值V1-V2。除法电路432可以将来自求和电路428的信号除以来自减法电路430的信号，以产生可以表示(V1+V2)/(V1-V2)的值的输出信号434。回想到V1可以是磁场感测元件406产生的信号412的数字表示，并且信号V2可以是磁场感测元件408产生的信号414的数字表示。
采样电路436和438可以选择性地将求和电路428和减法电路430的输出分别耦合到除法电路432的输入。例如，在实施例中，可以在第一时间段期间对来自求和电路428的信号(V1+V2)进行采样，并且可以在第二时间段期间对来自减法电路430的信号(V1-V2)进行采样。因此，除法电路可以将在第一时间段期间采样的(V1+V2)因子除以在第二时间段期间采样的(V1-V2)因子，以产生信号434。
在操作期间，磁场传感器400可以在第一时间段和第二时间段期间改变状态。在第一时间段期间，线圈驱动器404可以利用具有频率F1的电流来驱动线圈402。线圈402产生的磁场可以在频率F1处感应出涡电流和反射磁场。磁场感测元件406和408可以在第一时间段期间检测来自线圈402的直接耦合场和来自目标的反射场。如上所述，磁场感测元件可以被布置为使得磁场感测元件406和408检测具有相反的符号的直接耦合场，并且检测具有相同的符号的反射磁场。
在第一时间段期间，采样电路436可以允许信号(V1+V2)传递到除法电路434，而采样电路438不将信号(V1-V2)传递到除法电路434。
在第二时间段期间，线圈驱动器404可以利用具有频率F2的电流来驱动线圈402。线圈402产生的磁场可以在频率F2处感应出涡电流和反射磁场。磁场感测元件406和408可以在第二时间段期间检测来自线圈402的直接耦合场和来自目标的反射场。在一些实施例中，频率F2足够低，以使得它不会感应出可以由磁场感测元件406和408检测到的明显的涡电流或反射磁场。在这种实施例中，磁场感测元件406和408可以仅在第二时间段期间检测到直接耦合场。
在第二时间段期间，采样电路438可以允许信号(V1-V2)传递到除法电路434，而采样电路436不将信号(V1+V2)传递到除法电路434。
在第一时间段和第二时间段期间获取的采样是可用的之后，除法电路434可以计算表示(V1+V2)/(V1-V2)的输出信号434，其中在第一时间段期间采样(V1+V2)，并且在第二时间段期间采样(V1-V2)。在频率F2在第二时间段期间不感应出反射磁场的实施例中，项(V1+V2)可以表示直接耦合磁场和反射磁场，而项(V1-V2)可以仅表示直接耦合磁场。
在实施例中，信号434可以用于确定磁场传感器400的磁场的误差，例如，磁场感测元件之间的失配误差。该误差还可以基于噪声、干扰、外部磁场等。在一些情况下，例如，当磁场感测元件406和408正在检测来自目标的反射磁场时，磁场传感器的误差可以是目标与磁场感测元件406和408的位置或距离、以及反射磁场的频率和强度的函数。例如，由于反射场所造成的误差(“反射场误差”)的部分可以是非线性误差。通过在两个频率测量直接耦合场和反射场，如上所述，磁场传感器400可以用于补偿由于反射场造成的误差。
在第一频率F1和第二频率F2是非零的情况下，磁场传感器400可以通过使用两个频率点外推或内插磁场误差来补偿反射场误差。该技术还可以在F1是非零且F2为零或足够低以使得磁场传感器406和408无法检测到反射场的情况下使用。在这种情况下，可以简化确定误差值的计算，因为在频率点中的一个频率点处，反射场强度为零。例如，在F2为零的上述示例中，误差值(V1-V2)可能不取决于反射场，并且因此不取决于目标的位置，因为当测量到误差值(V1-V2)时不存在反射磁场。
在典型的系统中，V1和V2可以通过以下公式描述：
Figure GDA0003451654950000141
Figure GDA0003451654950000142
其中，I是通过线圈402的电流，K1和K2分别是磁场感测元件406和408的耦合因子，r(x)是反射场与直接耦合场之间的比率，并且S是灵敏度失配因子，其表示磁场感测元件406和408之间的灵敏度失配。注意，r(x)可以是目标的位置的函数。值q是K1与K2之间的比率，使得K2＝q*K1。
另外，目标PN的位置可以通过以下公式描述：
Figure GDA0003451654950000143
替换V1和V2，PN的公式可以被重新布置为：
Figure GDA0003451654950000144
公式4可以改写为：
PN＝off+G*r(x) (5)
其中：
Figure GDA0003451654950000145
Figure GDA0003451654950000146
如果我们假设q＝-1(对应于上述的检测具有相反符号的直接耦合磁场的磁场感测元件406和408)，则公式4可以被简化为：
Figure GDA0003451654950000147
作为示例，如果r(x)为0.5并且SM＝0.01(表示磁场感测元件之间的1％失配)，则公式8给出：
Figure GDA0003451654950000148
这指示，在该示例中，磁场感测元件之间的1％失配与位置中的0.7％误差相关。此外，该误差可以是目标的位置的函数，如上面的公式4所示。然而，在操作和校准期间进行时分多路复用并更改磁场的频率可以减少位置误差。
现在参考图5，曲线图500示出了在校准(“cal”)模式和正常操作模式期间磁场传感器400的操作。波形502表示在校准模式与正常模式之间切换磁场传感器系统400的控制信号。波形504表示信号V1，并且波形506表示信号V2。信号508表示线圈驱动器404的输出。在校准模式期间，波形508是DC波形，指示由线圈402产生的磁场具有零频率。因此，在校准模式期间，目标可能不产生反射磁场。如图所示，波形504和506(对应于信号V1和V2)也可以是DC波形。
在校准模式期间，如上所述，可以计算误差值(V1-V2)。因为(V1-V2)是在校准模式期间计算的，所以项(V1-V2)可能不包括反射磁场的测量值，并且可能不包括由于目标的位置而造成的误差。
在正常模式期间，如上所述，可以计算项(V1+V2)。因为(V1+V2)是在正常模式期间计算的，所以项(V1+V2)可能包括反射磁场的测量值，并且因此可以包括由于目标位置而造成的误差。
在实施例中，磁场传感器400可以在校准模式与正常模式之间交替操作。在其它实施例中，因为在校准模式期间进行的测量不取决于反射场，所以与在正常模式下相比，磁场传感器400可以在校准模式下更不频繁地操作。在一些实施例中，校准模式可以在启动期间仅执行一次，并且项(V1-V2)可以在系统误差的计算期间被存储和重新使用。换句话说：
[V1-V2]T1＝[V1-V2]T2 (10)
其中，T1对应于正常模式，并且T2对应于校准模式。使用公式5和10，我们可以得出：
Figure GDA0003451654950000151
Figure GDA0003451654950000152
Figure GDA0003451654950000153
项off和G’都独立于r(x)，并且因此独立于由于目标的位置所造成的误差。因此，可以计算目标位置PN而无需包括由于目标位置所造成的非线性误差。
现在参考图6，曲线600包括表示反射磁场相对于信号驱动线圈402的频率的检测的波形602。水平轴表示频率，并且垂直轴表示由磁场感测元件检测到的反射磁场的毫高斯。可以选择足够低的频率，以使得在校准模式期间检测到的反射场能够忽略不计。在所示的示例中，0.0001MHz或更低的频率可能导致零反射磁场，如点606所示。在实施例中，如果所得反射磁场可忽略不计或在系统容差范围内，则可以使用更高的频率来测量系统的误差。
参考图7，曲线图800示出了校准模式与正常模式之间的时序，其中在正常模式期间使用不同的频率来驱动线圈402。如果线圈402以单个频率驱动，则磁场传感器可以以该频率辐射发射。在某些情况下，在正常模式期间改变频率驱动线圈402可以减小或改变设备的辐射发射的频率。
在图7中，波形802指示正常模式或校准模式，并且波形804表示频率驱动线圈402。在第一正常模式806期间，频率804可以在f1、f3、f4、f5、f6等之间切换。如上所述，在校准模式808期间，线圈402可以由DC信号驱动。当磁场传感器再次进入正常操作模式810时，频率可以在f4、f3、f7、f1等之间切换。在其它实施例中，每一种校准模式都可以以单个频率驱动线圈402，但是该频率可以随着每一种校准模式而改变。另外，图7示出了改变频率的特定顺序。然而，本领域技术人员将认识到，可以使用改变频率的任何顺序或模式。
已经描述了用于说明本专利的主题的各种概念、结构和技术的优选实施例，现在对于本领域普通技术人员而言将显而易见的是，可以使用并入了这些概念、结构和技术的其它实施例。因此，提出专利的范围不应当限于所描述的实施例，而应当仅由所附权利要求的精神和范围来限定。本文引用的所有参考文献通过引用全文并入本文。

Claims (25)

1.一种用于感测磁场的系统，包括：
至少一个线圈，被配置为：
生成具有第一频率的第一磁场，所述第一频率在第一时间段期间在导电目标中感应出第一反射磁场，其中，所述第一反射磁场具有第一磁场强度；并且
生成具有第二频率的第二磁场，所述第二频率在第二时间段期间在所述导电目标中感应出第二反射磁场，其中，所述第二反射磁场具有与所述第一磁场强度不同的第二磁场强度；
至少一个第一磁场感测元件，被配置为在所述第一时间段期间检测所述第一磁场和所述第一反射磁场，并在所述第二时间段期间检测所述第二磁场和所述第二反射磁场；
至少一个第二磁场感测元件，被配置为在所述第一时间段期间检测所述第一磁场和所述第一反射磁场，并在所述第二时间段期间检测所述第二磁场和所述第二反射磁场；以及
处理电路，被耦合以从所述至少一个第一磁场感测元件和所述至少一个第二磁场感测元件接收相应的输出信号，并计算所述系统的误差值，
其中，所述误差值基于在所述第一时间段期间进行的测量，并且所述处理电路被配置为将所述误差值应用于在所述第二时间段期间进行的测量。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述第二频率基本是零，并且所述第二反射磁场强度基本是零。
3.根据权利要求1所述的系统，其中，所述第一磁场包括第一频率，所述第一频率在所述导电目标中感应出生成所述第一反射磁场的涡电流。
4.根据权利要求1所述的系统，其中，所述处理电路计算所述误差值包括：
对所述至少一个第一磁场感测元件的所述输出信号与所述至少一个第二磁场感测元件的所述输出信号进行求和，以形成求和信号；以及
将所述至少一个第二磁场感测元件的所述输出信号从所述至少一个第一磁场感测元件的所述输出信号中减去，以形成求差信号。
5.根据权利要求1所述的系统，其中，所述至少一个第一磁场感测元件被放置为使得其最大灵敏度轴与所述第一磁场对齐。
6.根据权利要求4所述的系统，其中，所述处理电路计算所述误差值还包括：
所述处理电路将所述求和信号除以所述求差信号。
7.一种用于感测磁场的系统，包括：
至少一个线圈，被配置为：
在第一时间段期间生成具有第一非零频率的第一磁场；以及
在第二时间段期间生成具有第二频率的第二磁场；
导电目标，被定位为响应于所述第一磁场而生成反射磁场；
一个或多个磁场感测元件，被配置为：
产生表示对所述第一磁场和所述反射磁场的检测的第一信号；以及
产生表示对所述第二磁场的检测的第二信号；以及
处理电路，所述处理电路用于基于在所述第二时间段期间进行的测量来计算误差值，并将所述误差值应用于在所述第一时间段期间进行的测量。
8.根据权利要求7所述的系统，其中，所述处理电路被配置为接收所述第一信号和所述第二信号。
9.根据权利要求8所述的系统，其中，所计算的误差值独立于所述导电目标的位置。
10.根据权利要求7所述的系统，其中，所述第一磁场具有足够高以在所述导电目标中感应出涡电流的频率。
11.根据权利要求10所述的系统，其中，所述反射磁场由所述涡电流产生。
12.根据权利要求7所述的系统，其中，所述第二频率基本是低的，以使得其不从所述导电目标感应出反射场。
13.根据权利要求12所述的系统，其中，所述第二频率基本是零。
14.根据权利要求8所述的系统，其中，计算所述误差值包括：
对至少一个第一磁场感测元件的输出信号与至少一个第二磁场感测元件的输出信号进行求和，以形成求和信号；以及
将所述至少一个第二磁场感测元件的所述输出信号从所述至少一个第一磁场感测元件的所述输出信号中减去，以形成求差信号。
15.根据权利要求14所述的系统，其中，计算所述误差值还包括：
将所述求和信号除以所述求差信号。
16.根据权利要求7所述的系统，其中，所述第一时间段和所述第二时间段是不重叠的时间段。
17.一种用于感测磁场的方法，包括：
在第一时间段期间生成具有第一非零频率的第一磁场；
在第二时间段期间生成具有第二频率的第二磁场；
通过所述第一磁场从导电目标感应出反射磁场；
通过一个或多个磁场感测元件在所述第一时间段期间产生表示所述第一磁场和所述反射磁场的第一信号；
通过所述一个或多个磁场感测元件在所述第二时间段期间产生表示所述第二磁场的第二信号；
基于在所述第一时间段期间测得的所述第一信号计算误差值；以及
将所述误差值应用于所述第二时间段期间的所述第二信号。
18.根据权利要求17所述的方法，其中，所计算的误差值独立于所述导电目标的位置。
19.根据权利要求17所述的方法，其中，第一磁场具有足够高以在所述导电目标中感应出涡电流的频率，其中，所述反射磁场由所述涡电流产生。
20.根据权利要求17所述的方法，其中，所述第二频率基本是低的，以使得所述第二磁场不从所述导电目标感应出反射磁场。
21.根据权利要求20所述的方法，其中，所述第二频率基本是零。
22.根据权利要求17所述的方法，其中，计算所述误差值包括：
对至少一个第一磁场感测元件的输出信号与至少一个第二磁场感测元件的输出信号进行求和，以形成求和信号；以及
将所述至少一个第二磁场感测元件的所述输出信号从所述至少一个第一磁场感测元件的所述输出信号中减去，以形成求差信号。
23.根据权利要求17所述的方法，其中，所述第一时间段和所述第二时间段是不重叠的时间段。
24.根据权利要求22所述的方法，其中，计算所述误差值还包括：
将所述求和信号除以所述求差信号。
25.一种用于感测磁场的系统，包括：
第一磁场感测元件；
第二磁场感测元件；
用于生成具有第一非零频率的第一磁场的装置；
用于生成具有第二频率的第二磁场的装置；
导电目标，被定位为响应于所述第一磁场而生成反射磁场；
用于在第一交替时间段期间产生表示所述第一磁场和所述反射磁场的第一信号的装置；
用于在第二交替时间段期间产生表示所述第二磁场的第二信号的装置；
用于根据所述第一信号和所述第二信号计算误差值的装置，其中，所述误差值至少部分地基于在所述第二交替时间段期间的所述第二信号；以及
用于将所述误差值应用于所述第一交替时间段期间的所述第一信号的装置。
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