CN1200178A - 磁场传感器 - Google Patents

Abstract

为了改进一种磁场传感器—该传感器由带有非晶铁磁金属芯的圆柱形线圈(2)组成,其中线圈(2)的电感可通过地磁场H_E调节并为LC振荡器(1)的一部分,为了确定振荡器(1)的工作范围,线圈(2)的非晶金属芯被预磁化,本发明提出,设置一个调节装置,它这样地对由作用于振荡线圈(2)的磁场H_E引起的振荡频率f_OSZ对给定值f_SOLL的偏差进行调节,即振荡器(1)的电感(2)受到另一可调节磁场的影响,其中该可调节磁场由构成第二线圈(3)的补偿线圈来产生并通过调节装置这样地调节流过第二线圈(3)的电流I,即由第二线圈(3)产生的磁场来补偿磁场H_E对第一线圈(2)的作用,及通过一个控制逻辑部分(8)以与测量磁场时间变化特性相适应的节拍周期性地操作开关(9a)和(9b)使流过补偿线圈(3)的电流方向改变,并在具有测量磁场H_E的情况下对于两个电流方向测量每个补偿电流(I₁,I₂)的强度,并求得两电流的差值(I₁－I₂),作为与测量磁场H_E的磁场强度成正比的量。

Description

磁场传感器

本发明涉及一种根据权利要求1前序部分的磁场传感器。

由文献EP545058A1公知了用于在机动车中使用的事故数据寄存仪的方向改变传感器，它具有至少两个彼此成直角地设置的并各具有非晶铁磁金属芯的圆柱形线圈，其中线圈在安装到机动车的事故数据寄存仪中后，其几何轴线基本水平定向及线圈的电感可通过地磁场来调节，其中还设有各包括一个线圈的彼此基本相同结构的振荡器，及为了确定振荡器的工作范围，线圈的非晶金属芯被永磁偏置。线圈芯的磁偏置是通过对线圈设置一个在空间上接近的、最好杆状的永磁铁，其磁场穿过线圈。通过磁偏置将达到振荡器频率的改变可在其f/B曲线的线性区域中被检测，该振荡频率的改变是由待检测磁场的作用引起的，由于根据磁场感应器的规格使用该待检测磁场通常是地磁场。振荡器工作点的确定是在考虑到叠加偏置磁场时形成实际定向信号上升的情况下通过永久磁铁的磁场实现的。

文献EP503370A1中提出了一种对具有线圈壳体、线圈及非晶铁磁金属的线圈芯的磁场受控振荡器的振荡回路线圈结构构造的建议。

根据EP545058A1的所述结构有其缺点，即在汽车工作条件下所需的工作点不稳定，这就直接地影响到测量的质量。那里所描述的测量结构承受着温度的偏移，因为无论是永磁铁的磁特性还是非晶金属线圈芯的磁化均与温度有关地变化。即使永磁材料和线圈芯材料的温度特性相反变化，也很难找到材料的匹配，在材料匹配的情况下在所需工作区域中非晶金属及永磁铁的温度影响应相反地互相抵消，因此实际上不希望的温度影响仍然叠加在测量结果上。

此外，这种磁场传感器具有用于调整振荡器工作的高调整成本。为了调准，需将起磁偏置作用的永磁铁在测量线圈周围的空间上一直移动，直到通过对在测量线圈中感应出的电压的测量获得确定所需工作点的永磁铁位置时为止。然后必须将该永磁铁固定在该位置上。这尤其是对大规模制造的产品成本过高，特别是该产品仅能安装在一个磁屏蔽的测量空间中，以便在调整过程时消除由于地磁场产生的叠加值。

在接近测量线圈的空间上设置永磁铁的磁场传感器的结构还具有这样的缺点，即很难将永磁铁安装得使其磁场均匀地穿过测量线圈。为此，磁铁需要以特定的形状成型，从而增加了费用。然而由于永磁铁形成的磁铁不均匀贯穿线圈将会使由测量结构可达到的精度受到损失。

所有这些缺点迫使我们在考虑到汽车应用目的、大规模生产前提及适于机动车仪表的成本标准的情况下，寻找根据所述类型的磁场传感器的另一种技术解决。本发明的任务尤其在于，揭示在宽广温度范围上保证稳定测量磁场的技术方案。

因此提出，由测量磁场产生的振荡频率的改变将通过一个调节装置这样地调节到给定值上：由带有非晶金属磁芯的线圈形成的振荡器电感将通过第二个确定的可调节磁场来影响，及对调节振荡频率所需的能量作为测量磁场强度的量度来求值。为此最好将第二线圈，即所谓补偿线圈绕在第一线圈即振荡线圈上。通过第二线圈的电流将通过一个电子调节电路这样地调节，即由该第二线圈产生的磁场正好补偿了测量磁场对第一线圈的作用。为此将振荡器的频率通过适当的电子转换单元输入到一个调节器中，在将瞬时振荡频率与在调节电路中存储的其给定值相比较后，调节器将与确定出的振荡器频率的偏差成正比地影响第二线圈的电流，以便使瞬时振荡频率通过第二线圈的磁场变化回到其给定值。对此所需的能量与作用于第一线圈的测量磁场成正比并由此能作为测量量的量度使用。

在现有技术中通过永磁铁进行的振荡器工作点调整在本发明的方案中是通过由第二线圈的电流产生的磁场来实现的，其中在没有测量磁场的情况下为了达到振荡器的工作点所需的调节电流的强度确定了第二线圈即补偿线圈的电流基准。

当通过合适的控制逻辑单元以与测量磁场时间变化特性相适应的节拍使流过补偿线圈的电流方向改变，并在具有测量磁场的情况下对于两个电流方向测量每个补偿电流的强度时，将得到由两个电流的差值构成的、与测量磁场强度成正比并消除了温度影响的测量值，因为通过这两个电流值相减，正好突出了经受温度变化的、用于调节振荡器工作点所需的调节电流的分量。

此外，当还应该消除振荡线圈的寄生电流分量时，适合的作法是，通过振荡线圈的电流方向同样由控制逻辑节拍地进行转换。

以下将借助三个附图来描述本发明的实施例，其中：

图1是根据本发明的磁场传感器的电路框图；

图2A及2B表示在补偿线圈的不同电流方向上其调节回路的工作曲线；及

图3表示在补偿线圈的两个电流方向上补偿电流的两个值的差与测量磁场的磁场强度H_E之间的线性关系。

在图1中以标号1表示一个LC振荡器，它由作为第一线圈构成的电感2来驱动。为了即使有外部磁场H_E对电感2的影响也能使振荡频率F_osz保持恒定，首先通过一个合适的转换电路4使正弦波的振荡频率F_osz优选转换成可数字地使用的方波信号并再传送到一个频率-电压转换器，后者的输出端与一个减法单元6相连接，在该减法单元上从一个固定地设定的、相应于振荡器的理想给定频率f_soll的电压给定值u_soll中减去与瞬时振荡频率f_osz成正比的电压值U_ist。振荡器的给定频率f_soll是这样的频率：当振荡器在无负载状态、即在无测量磁场H_E时在其工作点上所采纳的频率。这里H_E表示待测量磁场在线圈纵向的分量。由两个电压值U_soll及U_ist所得到的差值将被输入到一个例如作为PI调节器构成的调节器7中，该调节器将这样地调节补偿线圈3中的工作电流I，即使得电压差(U_soll-U_ist)趋于零及使得由测量磁场H_E作用产生的电感2的变化及由此产生的振荡频率f_osz的变化被补偿，借此使振荡频率f_osz根据调节回路的调节速度或多或少地保持恒定。在实际的实施中，将补偿线圈3通过叠绕分布在电感2上，但其中两个线圈彼此保持电隔离。有利的是，这两个线圈彼此以相反的绕向相耦合。

补偿线圈3的工作电流I的幅值正比于测量磁场H_E在线圈纵向的分量，并由此以与测量磁场强度相同的方式变化。因而真正的测量值可通过对工作电流I的幅值的求值来推导。对此将经过一个对地GND的分流电阻10来引导流过补偿线圈的工作电流I，以便能使电流I作为电压信号来求值。但因为仅是该电压信号的直流分量为正比于测量量的量，故该电压信号将通过一个作为低通滤波器设计的滤波单元11被输入到一个模-数转换器12，以便进一步地处理。进一步的求值可通过微处理机(μP)支持的计算电路来实现，对此这里不再赘述，因为其构造不是发明的实质。对模-数转换器12输出端的测量信号进行测量的、μP支持的计算电路因此也未在图1中表示出来。

为了变换流过补偿线圈3的电流的方向，它的两个电端子分别与由控制单元8操作的、同步转换的转换开关9a及9b相连接。同样地，作为测量线圈构成的电感2的两个电端子分别经过由控制单元13操作的、同步转换的转换开关14a及14b导流，以便使流过振荡器线圈2的电流I_O交替地方向转换，由此可消除振荡器的寄生电流分量。寄生电流分量是这样形成的一种干扰：LC振荡器1的交变磁场不是理想的，而是由于振荡器的电路技术结构会叠加上一个直流分量，这是由振荡器1中不可避免的交叉电流产生的。在具体实施时，控制单元8及13可以相同并作为组件集中设置。控制单元8及13成对同步地及均以相同的节拍对由它们操作的转换开关9a、9b、14a及14b进行转换，其中的节拍在毫秒级范围内。

图2A表示在两种不同的工作温度T1和T2时调节回路的工作曲线。其中振荡器1的频率fo_SZ通过由偏压及测量磁场形成的作用于电感2的磁场的磁场强度H及通过与磁场强度H成正比的补偿线圈3的电流I来标定座标。开关9a及9b在图2A的情况下占有图1中所示的位置。图2B表示同样的工作曲线，同样是在工作温度T1及T2的情况下，但在补偿线圈3相反的电流方向时，也即在开关9a及9b操作转换后的工作曲线。

补偿电流I的幅值由三个分量组合形成：1.在通过调节回路保持恒定的给定工作频率f_S的情况下调节振荡器1的工作点的分量I_A，2.用于补偿振荡器1中寄生干扰影响的分量I_ε1或I_ε2，及3.用于补偿外部磁场分量H_E所需的分量I_M，因此在补偿线圈3的第一电流方向上由调节器7获得的工作电流I总计如下：

I₁＝I_A+I_ε1+I_M

调节工作点的电流分量I_A其值视f_osz/(I、H)曲线图中工作曲线的状态而变化，其中例如对于温度T1及T2的曲线可能占据图2A及2B中所示状态。在通过开关9a及9b的操作使补偿线圈3中的电流方向改变后，在具有同样磁场H_E的情况下所需的总补偿电流I为：

I₂＝I_A+I_ε2-I_M

如果在给定温度(例如T1或T2)的情况下求解I₁及I₂的差值，则有：

I₁-I₂＝(I_A+I_ε1+I_M)-(I_A+I_ε2-I_M)＝(I_ε1-I_ε2)+2I_M≈2I_M，因为分量(I_ε1-I_ε2)通过振荡器线圈2电流方向的转换可趋近零。视对磁场传感器的精度要求而定，甚至可以放弃使用转换电流方向所需的开关14a及14b，因为在数值上分量(I_ε1-I_ε2)与I_M相比实在是小。

重要的是，电流I_M与测量磁场的磁场强度H_E直接成线性关系，并且仅通过由线圈长度及线圈圈数形成的线圈几何常数来确定。图3表示出这种关系，在该图中电流差(I₁-I₂)通过测量磁场的磁场强度H_E来标定座标。

因此借助所推荐的电路结构，可以找到在考到汽车应用目的、大规模生产前提及适于机动车仪表的成本标准的情况下实现一种磁场传感器的技术解决。尤其是在宽广温度范围上稳定地测量磁场的任务可以通过借助于该电路结构易于实现的差分测量的措施以简单的方式来解决。

Claims (5)

1.磁场传感器，它由带有铁磁金属芯的第一线圈(2)组成，该传感器的电感可通过地磁场(H_E)来调节，其中该线圈(2)的电感是振荡器(1)的一部分，该传感器的工作区域通过金属芯的持久自磁化性能来确定，其特征在于：

a)由作用于第一线圈(2)的磁场(H_E)引起的振荡器频率(f_osz)对相应于不受外界影响的振荡器振荡特性的一个给定值(f_soll)的偏差通过调节装置进行调节，同时振荡器(1)的电感受到另一可调节磁场的影响，其中该可调节磁场由第二导流线圈(3)产生，并且它的电流(I)通过调节装置这样地调节，即由第二线圈(3)产生的磁场完全地补偿了作用于第一线圈(2)的磁场(H_E)的作用，

b)流过第二线圈(3)的电流(I)的方向通过开关9(a)及9(b)以比待测量磁场(H_E)的磁场方向变化更高的频率改变极性，这些开关位于线圈(3)的端子导线上并同时由控制逻辑部分(8)操作，及

(c)在具有待测量磁场(H_E)的情况下对于两个电流方向求得每个电流值(I₁及I₂)以及这两个值的差(I₁-I₂)，它作为与待测磁场(H_E)的磁场强度成正比的量。

2.根据权利要求1的磁场传感器，其特征在于：调节装置实际由一个电子转换单元(4)，一个频率-电压转换器(5)，一个减法单元(6)及一个调节器(7)组成，其中振荡器频率f_osz通过电子转换单元(4)及频率-电压转换器(5)传送到调节器(7)，在减法器(6)上执行了将瞬时振荡频率f_osz与存储在调节装置中的给定值f_soll的比较后，调节器将与由此确定的振荡器频率f_osz的偏差成比例地影响第二线圈(3)的电流I，以及使瞬时振荡频率f_osz通过第二线圈(3)的磁场变化回到其给定值_fsoll。

3.根据权利要求1或2的磁场传感器，其特征在于：振荡器(1)的工作点调节通过由第二线圈(3)产生的磁场来实现，其中在没有测量磁场的情况下，为了达到以给定工作频率f_S为特征的振荡器(1)的工作点所需的调节电流I的强度确定了第二线圈(3)的电流基准。

4.根据上述权利要求中一项的磁场传感器，其特征在于：补偿线圈(3)缠绕在第一线圈(2)上。

5.根据上述权利要求中任一项的磁场传感器，其特征在于：在振荡器(1)及其电感(2)之间的电流路径中设有由控制单元(13)同步操作的开关(14a)和(14b)，它们为了排除振荡器(1)中的寄生电流分量使通过振荡器线圈(2)的电流I_O的方向节拍地转换。

Images