CN116558556A - 长行程线性位置传感器 - Google Patents
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Abstract
提供了长行程线性位置传感器。在一些实施例中，位置传感系统可包括传感器和邻近该传感器的磁体组件，其中该磁体组件包括第一磁体和第二磁体，每个磁体具有第一宽度和第一高度，并且其中第一宽度和第一高度是不同的。磁体组件可包括邻近第一磁体和第二磁体的第三磁体和第四磁体，第三磁体和第四磁体中的每一个具有第二宽度和第二高度，其中第二宽度和第二高度是相同的。
Description
技术领域
本公开的实施例通常涉及线性位置传感器，并且更具体地，涉及包括多个磁体的长行程线性位置传感器系统。
背景技术
通常需要测量两个元件相对彼此的位置或位移。一种特别有用的测量是移动工作台在其沿固定底座行进时的线性位移。这种位移可以通过多种不同的传感技术在更大的精度范围内、以不同的复杂程度以及更广的成本范围进行测量。
用于测量线性位移的一些常见装置包括线性编码器、电容性传感器、涡流传感器、线性可变差动变压器、光电或光纤传感器或磁场传感器。电容性传感器以导电和非导电的目标材料的方式来使用，但对改变传感器和目标(通常是空气)之间介质的介电常数的环境变量非常敏感。线性可变差动变压器(LVDT)传感器在空心圆柱轴和实心圆柱芯中具有一系列电感器。LVDT产生与芯沿轴的位移成比例的电输出。在使用涡流或LVDT传感器时，这些线圈或芯的尺寸和安装以及测量的灵敏度是竞争性设计因素。
诸如霍尔效应传感器、GMR传感器、AMR传感器或永磁体线性非接触位移(PLCD)传感器等磁性传感器可与交替的磁极一起使用，以产生指示传感器线性运动的正弦输出。然而，必须确定初始位置，并且必须对每个磁极进行计数，并对相位数据进行分析，以获得最大精度。输出与线性位置成正比的电压的传感器有许多优点。然而，对于长行程应用，需要更大的磁体，这增加了对传感器附近其他部件的EMI干扰。
需要的是一种设计简单并且成本较低的磁性线性位移传感器。
发明内容
在一些实施例中，位置传感系统可包括传感器和邻近传感器的磁体组件，其中磁体组件包括第一磁体和第二磁体，每个磁体具有第一宽度和第一高度，并且其中第一宽度和第一高度是不同的。磁体组件还可以包括邻近第一磁体和第二磁体的第三磁体和第四磁体，第三磁体和第四磁体中的每一个具有第二宽度和第二高度，其中第二宽度和第二高度是相同的。
在一些实施例中，长行程线性位置传感器可包括传感器和通过气隙与传感器隔开的磁体组件。磁体组件可包括第一磁体和第二磁体，每个具有第一宽度和第一高度，其中第一宽度和第一高度是不同的，以及第三磁体和第四磁体，每个具有第二宽度和第二高度。第二宽度和第二高度是相同的，其中第三磁体被定位于第一磁体和第二磁体之间，并且第二磁体被定位于第三磁体和第四磁体之间。
在一些实施例中，线性位置传感器的磁体组件可包括第一磁体和第二磁体，每个具有第一宽度和第一高度，其中第一宽度和第一高度是不同的。磁体组件还可包括第三磁体和第四磁体，每个具有第二宽度和第二高度，其中第二宽度和第二高度是相同的，其中第三磁体被定位于第一磁体和第二磁体之间，并且第二磁体被定位于第三磁体和第四磁体之间。
附图说明
附图示出了本公开的示例性方法，包括其原理的实际应用，并且其中：
图1是示出根据本公开实施例的位置传感系统的框图；
图2示出了根据本公开实施例的磁体组件的磁场；
图3是示出根据本公开实施例的磁体组件的位移和检测到的磁通量密度之间的关系的图；
图4是示出根据本公开实施例的Z-X平面中的场的原始ATAN2的图。
图5是示出根据本公开的实施例将Z-X平面中的场的ATAN2的输出线性化的补偿输出的图。
附图不一定按比例绘制。附图仅为表示，并不旨在描绘本公开的特定参数。附图旨在描述本公开的典型实施例，并且因此不应被视为限制范围。此外，为了说明清楚，可以省略一些附图中的某些元件，或者不按比例进行示出。
具体实施方式
现在下面将参考附图对根据本公开的位置传感系统进行更充分地描述，附图中示出了位置传感系统的实施例。然而，位置传感系统可以以许多不同形式体现，并且不应被解释为限于本文所述的实施例。相反，提供这些实施例使得本公开将是彻底和完整的，并且将向本领域技术人员充分传达系统和方法的范围。
图1示出了根据本公开的至少一些实施例布置的位置传感系统(以下称为“系统”)100的框图。如图所示，系统100可包括与处理器(例如，微处理器)104通信的传感器102，传感器102和处理器104可操作以检测来自磁体组件105的磁场并确定传感器102相对于磁体组件105的位置。在一些实施例中，系统100可包括待监测的部件106，其中部件106可相对于磁体组件105和/或传感器102移动。更具体地说，部件106可以例如沿x方向线性移动。在一些实施例中，传感器102可以与部件106直接耦合，使得传感器和部件106一起移动。在一些实施例中，部件106可由铁磁性材料制成，诸如铁、镍或钴。尽管非限制性，但传感器102可以是磁效应传感器，诸如霍尔效应传感器、各向异性磁阻传感器、巨磁电阻传感器或隧道磁阻传感器。
如图所示，磁体组件105可包括被布置成一条直线的第一磁体111、第二磁体112、第三磁体113和第四磁体114。分开的磁体而不是单个的大型磁体，有利于减少对其他零件的EMI干扰。第一磁体111、第二磁体112、第三磁体113和第四磁体114中的每一个都可以具有与第二端122相对的第一端121，其中第一和第二端121、122表示每个磁体的相对磁极。在所示的布置中，每个第一端121比每个第二端122更靠近传感器102被定位。第一磁体111的第一端121可以具有第一极性(例如，N)，第一磁体111的第二端122可以具有第二极性(例如，S)，第三磁体113的第一端121可以具有第二极性，并且第三磁体113的第二端122可以具有第一极性。类似地，第二磁体112的第一端121可以具有第一极性，第二磁体112的第二端122可以具有第二极性，第四磁体114的第一端121可以具有第二极性，并且第四磁体114的第二端122可以具有第一极性。
在本实施例中，第三磁体113可被定位于第一和第二磁体111、112之间，而第二磁体112可被定位于第三和第四磁体113、114之间。如图所示，第一和第三磁体111、113可以以第一距离“D1”分开(例如，沿x方向)，第三和第二磁体113、112可以以第二距离“D2”分开，并且第二和第四磁体112、114可以以第三距离“D3”分开。在本实施例中，D1＝D2＝D3。在其他实施例中，D1、D2和D3中的一个或多个可以不同。尽管非限制性，但在一个示例中，D1、D2和D3中的每一个都可以是12mm。
如进一步所示，第一磁体111可具有第一宽度“W1”和第一高度“H1”，第二磁体112可具有第二宽度“W2”和第二高度“H2”，第三磁体113可具有第三宽度“W3”和第三高度“H3”，并且第四磁体114可以具有第四宽度“W4”和第二高度“H4”。在一些实施例中，H1＝H2＝H3＝H4。在其他实施例中，高度中的一个或多个可以不同。此外，在一些实施例中，W1＝W2和W3＝W4，其中W1和W2可至少为W3和W4的两倍大。尽管非限制性，但在一个示例中，W1和W2可以是8mm，而W3和W4可以是4mm。H3和H4也可以为4mm。第一磁体111、第二磁体112、第三磁体113和第四磁体114中的每一个的厚度(例如，在y方向上)可以是2mm。在其它实施例中，厚度可在磁体之间变化。
如进一步所示，D1–D3可以是W1和W2的1.5倍大，而D1–D3也可以是W3和W4的三倍大。磁体组件105可以以机械气隙距离“AD”与传感器102分开，在一些实施例中，该机械气隙距离“AD”可为4.5mm。根据所示的布置和尺寸，系统100被配置为感测25mm–70mm之间的线性行程距离。在一个具体示例中，系统被配置为感测约50mm的线性行程距离。应当理解，可以根据需要修改系统100的一个或多个距离和/或尺寸，以影响有效线性行程传感距离。
图2-5展示了磁体组件105的磁体111-114的非限制性磁性仿真结果。如图2所示，第一和第二磁体111、112的磁场132通常可以从第二端122到第一端121取向。同时，第三和第四磁体113、114的磁场134通常可以从第一端121到第二端122取向。
图3是示出了磁体组件105的位移和检测到的磁通量密度之间的关系以及磁体组件105的位移和传感器102的输出之间的关系的图300。
图4是示出了来自当磁体阵列穿过霍尔感测板时生成的磁场的原始信号的图400。场输出需要对其进行校正补偿计算，因此输出将具有线性信号而不是锯齿信号，如图4所示。此图只是代表性示例，并且实际应用输出可能有所不同。
图5是示出了ATAN2(Bz，Bx)360度补偿的图500，这是图4中所示原始信号的校准输出。这获取的是将生成的锯齿信号，并且校准后，它现在显示校正后的输出，以确保在整个行进距离上的可用的信号。此图只是代表性示例，并且实际应用输出可能有所不同。
上述讨论是为了说明和描述的目的而提出的，并不旨在将本公开限制在本文所公开的一种或多种形式。例如，为了简化本公开，本公开的各种特征可以在一个或多个方面、实施例或配置中组合在一起。然而，应当理解，本公开的某些方面、实施例或配置的各种特征可以在替代方面、实施例或配置中组合。此外，以下权利要求通过本引用并入本详细说明，其中每项权利要求作为本公开的单独实施例而独立存在。
如本文所用，以单数形式叙述并以单词“一”或“一个”开头的元件或步骤应被理解为不排除复数元件或步骤，除非明确叙述了此类排除。此外，对本公开的“一个实施例”的引用不旨在被解释为排除也包含所述特征的附加实施例的存在。
本文中“包括”、“包含”或“具有”及其变体的使用意指包括其后列出的项目及其等价物以及附加项目。因此，术语“包括”、“包含”或“具有”及其变体是开放式表达，并且可在本文中互换使用。
如本文所使用的短语“至少一个”、“一个或多个”和“和/或”是在操作中同时是连接的和分离的开放式表达。例如，表达“A、B和C中的至少一个”、“A、B或C中的至少一个”、“A、B和C中的一个或多个”、“A、B或C中的一个或多个”和“A、B和/或C”中的每一个表示单独的A、单独的B、单独的C、A和B一起、A和C一起、B和C一起、或A、B和C一起。
此外，识别参考(例如，主要的、次要的、第一、第二、第三、第四等)并不意味着重要性或优先级，而是用于区分一个特征与另一个特征。附图仅供说明的目的，并且随附图中反映的尺寸、位置、顺序和相对尺寸可能有所不同。
此外，术语“基本的”或“基本上得”以及术语“近似”或“近似得”在一些实施例中可以互换使用，并且可以使用本领域普通技术人员可接受的任何相关度量来描述。例如，这些术语可以用作与参考参数的比较，以指示能够提供预期功能的偏差。尽管非限制性，但与参考参数的偏差可以是，例如，小于1％、小于3％、小于5％、小于10％、小于15％、小于20％的量等等。
本公开的范围不受本文所描述的具体实施例的限制。事实上，根据前述描述和附图，除了本文所述的本公开的那些以外，本公开的其他各种实施例和修改将对于本领域的普通技术人员显而易见。因此，此类其他实施例和修改旨在落入本公开的范围内。此外，本文在特定环境中针对特定目的的特定实施方式的上下文中描述了本公开。本领域的普通技术人员将认识到有用性并不限于此，并且本公开可以出于任何目的在任何数量的环境中有益地实施。因此，所述权利要求将根据本文所述的本公开的全部广度和精神进行解释。
Claims (20)
1.一种位置传感系统，包括：
传感器；以及
邻近所述传感器的磁体组件，所述磁体组件包括：
各自具有第一宽度和第一高度的第一磁体和第二磁体，其中所述第一宽度和所述第一高度是不同的；以及
邻近所述第一磁体和所述第二磁体的第三磁体和第四磁体，所述第三磁体和所述第四磁体中的每一个具有第二宽度和第二高度，其中所述第二宽度和所述第二高度是相同的。
2.根据权利要求1所述的位置传感系统，其中，所述第三磁体被定位于所述第一磁体与所述第二磁体之间。
3.根据权利要求1所述的位置传感系统，其中，所述第二磁体被定位于所述第三磁体和所述第四磁体之间。
4.根据权利要求1所述的位置传感系统，其中，所述第一宽度大于所述第二宽度。
5.根据权利要求1所述的位置传感系统，其中，所述第一宽度是所述第二宽度的两倍。
6.根据权利要求1所述的位置传感系统，其中，所述第一高度与所述第二高度是相同的。
7.根据权利要求1所述的位置传感系统，其中，所述第一宽度是所述第一高度的两倍，并且所述第一宽度是所述第二高度的两倍。
8.根据权利要求1所述的位置传感系统，其中，所述第一磁体和所述第三磁体之间的第一距离等于所述第三磁体和所述第二磁体之间的第二距离。
9.根据权利要求1所述的位置传感系统，还包括处理器，能够操作来接收来自传感器的信号，并确定所述传感器相对于所述第一磁体、所述第二磁体、所述第三磁体和所述第四磁体中的每一个的位置。
10.一种长行程线性位置传感器，包括：
传感器；以及
通过气隙与所述传感器隔开的磁体组件，所述磁体组件包括：
各自具有第一宽度和第一高度的第一磁体和第二磁体，其中所述第一宽度和所述第一高度是不同的；以及
各自具有第二宽度和第二高度的第三磁体和第四磁体，其中所述第二宽度和所述第二高度是相同的，其中所述第三磁体被定位于所述第一磁体和所述第二磁体之间，并且所述第二磁体被定位于所述第三磁体和所述第四磁体之间。
11.根据权利要求10所述的长行程线性位置传感器，其中，所述第一宽度大于所述第二宽度。
12.根据权利要求10所述的长行程线性位置传感器，其中，所述第一宽度是所述第二宽度的两倍。
13.根据权利要求10所述的长行程线性位置传感器，其中，所述第一高度和所述第二高度是相同的。
14.根据权利要求10所述的长行程线性位置传感器，其中，所述第一宽度是所述第一高度的两倍，并且所述第一宽度是所述第二高度的两倍。
15.根据权利要求10所述的长行程线性位置传感器，其中，所述第一磁体和所述第三磁体之间的第一距离等于所述第三磁体和所述第二磁体之间的第二距离。
16.一种线性位置传感器的磁体组件，所述磁体组件包括：
各自具有第一宽度和第一高度的第一磁体和第二磁体，其中所述第一宽度和所述第一高度是不同的；以及
各自具有第二宽度和第二高度的第三磁体和第四磁体，其中所述第二宽度和所述第二高度是相同的，其中所述第三磁体被定位于所述第一磁体和所述第二磁体之间，并且所述第二磁体被定位于所述第三磁体和所述第四磁体之间。
17.根据权利要求16所述的磁体组件，其中，所述第一宽度为所述第二宽度的两倍。
18.根据权利要求16所述的磁体组件，其中，所述第一高度与所述第二高度是相同的。
19.根据权利要求16所述的磁体组件，其中，所述第一宽度为所述第一高度的两倍，并且所述第一宽度为所述第二高度的两倍。
20.根据权利要求16所述的磁体组件，其中，所述第一磁体和所述第三磁体之间的第一距离等于所述第三磁体和所述第二磁体之间的第二距离。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication |