CN1426530A - 无接触探测一种铁磁物体的测量装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于无接触探测铁磁物体(4，5)的测量装置(1)。该测量装置包括一个霍耳元件(3)和至少一个永久磁铁(2)，其中在该霍耳元件和铁磁物体之间设置了一个空气隙(6)。此外，永久磁铁(2)在其至少一个端面上具有一个软磁元件(7)，该元件布置在永久磁铁(2)和霍耳元件(3)之间。
Description
磁物体的测量装置
技术领域
本发明涉及独立权利要求1和10所述的一种用于无接触探测铁磁物体的测量装置。
背景技术
这类测量装置一般包括一个磁铁结构系统和一个带一个霍耳元件的集成电路芯片，其中该芯片布置在该磁铁结构的一端上和由该磁铁结构形成的磁场中。该霍耳元件产生一个相对于与该霍耳元件的平面垂直的磁场强度的电信号。当铁磁物体接近该霍耳元件时，垂直于霍耳元件的磁场强度发生变化。所以铁磁物体到霍耳元件的距离可通过一个由该霍耳元件产生的电信号再现出来。这类霍耳传感器用于探测汽车带齿的传感轮(齿轮)的转数或一定的位置，例如用于防车轮抱死系统或发动机控制。
例如为了实现小的偏移磁场，建议这类测量装置带有两个近邻的霍耳元件，这两个霍耳元件相互这样电连接，从而使它们在基本状态中相互抵消。这样就可实现产生一个合适信号，但这两个霍耳元件必须具有完全相同的特性，且这只可能限于批量生产。
此外，DE-196 22 561公开了一种霍耳效应传感器，在该传感器中，一个置于一个电路芯片上的霍耳元件布置在一个传感轮和一个磁铁结构之间。其中该磁铁结构是这样构成的，即其一个北极和一个南极是并列的，且两者都靠近霍耳元件布置。
其次，从EP-0 273 129已知一种磁场传感器，其中设置一个环形磁铁作为永久磁铁。一个霍耳发生器这样对应该环形磁铁的孔，从而使该霍耳发生器的轴线和环形磁铁的轴线基本上重合，并在断开磁路时，该霍耳发生器位于一个磁感应最小的、由环形磁铁内的场位移给定的空间中。
发明内容
与现有技术比较，具有权利要求1所述特征的用于无接触探测铁磁物体的本发明测量装置的优点是，通过在永久磁铁和一个霍耳元件之间的一个永久磁铁的一侧上布置的软磁元件导走通过该软磁元件的磁通的一部分。所以在围绕布置在永久磁铁上的软磁元件周围的空间内减少了磁通密度。从而可实现一个具有最小偏移磁场的磁路。在霍耳元件很靠近时，特别是在按差分原理测量时，可用具有相当大误差范围的霍耳元件，因为霍耳元件的不同特性产生的影响是相当小的。此外，该测量装置按本发明的构造是有优点的，即在存在铁磁物体时，磁通密度通过布置在永久磁铁上的该软磁元件产生明显的变化。亦即在接近铁磁物体时，通过磁通密度的相当大的变化可达到测量装置的较大的精度。按本发明的测量装置还具有简单的结构，因为只需要一个霍耳元件，并用一个唯一的永久磁铁和一个形状简单的软磁元件即可实现。例如可用一个简单的棒形或圆柱形的永久磁铁。
该软磁元件最好布置在对准被测铁磁物体的方向的一侧上。这样就可实现测量装置的一个特别简单的结构，因为该软磁元件可简单地布置在永久磁铁的一个端面上。从而可把霍耳元件简单地布置在该软磁元件和被测的铁磁物体之间的一个缝隙内。
该软磁元件最好作为帽形元件构成并具有一个用来容纳永久磁铁的空隙。这样，就可例如通过磁力也能实现软磁元件和永久磁铁之间的简单连接。但软磁元件也可用粘接或钎焊或焊接与永久磁铁连接。
根据一个优选的实施例，该软磁元件具有一个中心孔，该孔在霍耳元件的方向上是敞开的。从而可实现一个具有特别小的偏移磁场的测量装置。
该软磁元件最好具有一个半球形的孔，该孔在霍耳元件的方向上是敞开的。从而在用一个圆柱形的棒形磁铁时，可实现特别小的偏移磁场。
一个旋转对称的结构是特别有利的，因为由此可进行测量装置的安装，而与霍耳元件的相应位置无关。
该软磁元件最好包括多个孔板。这样，用简单的元件就可实现本发明的测量装置，其中这些元件都是标准化的，所以可按简单的方式制造符合各种要求的不同测量装置。
根据本发明的一种优选结构，该霍耳元件布置在第一永久磁铁和第二永久磁铁之间。其中，第二磁铁是这样布置的，即它位于霍耳元件和被测的铁磁物体之间。通过这种布置可在霍耳元件的位置产生一个磁零点，从而可实现一种平衡可能性。
根据本发明测量装置的另一种优选结构型式，该永久磁铁平行对准被测的铁磁物体，所以它的北极和南极位于一个垂直于铁磁物体的平面内。其中，该软磁元件布置在该永久磁铁的端面的两侧，而霍耳元件则布置在一个在该软磁元件内形成的缝隙中。最好在该永久磁铁的两个端面上设置一个软磁元件。通过软磁元件的这种结构和该软磁元件朝被测的铁磁物体的布置，可在霍耳元件中在其敏感方向上产生一个相当大的磁场，而无需铁磁物体的存在。这样，当铁磁物体进入永久磁铁附近时，磁通的一部分不再通过软磁元件和霍耳元件，而是通过铁磁物体。从而达到霍耳元件内磁场的减小。所以当铁磁物体进入永久磁铁附近时，在这种结构型式中，霍耳元件的磁场具有一个最小值。
附图说明
本发明的较多的实施例示于附图中，并在下面进行详细说明。
图1表示本发明第一实施例的测量装置的侧视图；
图2表示本发明第二实施例的测量装置的俯视图；
图3表示本发明第三实施例的测量装置的侧视图；
图4表示本发明第四实施例的测量装置的侧视图；
图5表示本发明第五实施例的测量装置的断面图；
图5a表示另一个变型方案的断面图；
图6表示本发明第六实施例的测量装置的断面图；
图7表示图6所示测量装置的放大的部分断面图；
图8表示本发明第七实施例的测量装置的断面图；
图9表示本发明第八实施例的测量装置的断面图；
图10表示在图9所示实施例时空气隙的宽度与磁感应的关系；
图11表示本发明第九实施例的测量装置的断面图；
图12表示本发明第十实施例的测量装置的断面图；
图13表示本发明第十一实施例的测量装置的断面图；
图14表示在图13所示实施例的测量装置时空气隙的宽度与磁感应的关系；
图15表示图13所示测量装置的空气隙的宽度与磁位移的关系；
图16表示本发明第十二实施例的测量装置的断面图；
图17表示图16所示测量装置的放大断面图。
具体实施方式
如图1所示，按本发明第一实施例的测量装置1包括一个永久磁铁2，它作为具有一个直径d和高度h的棒形磁铁构成。此外，测量装置1包括一个霍耳元件3和一个软磁元件7。软磁元件7具有一个用来容纳永久磁铁2的空隙8。如图1所示，永久磁铁2直至其高度h的一半都被软磁元件7覆盖。
不用霍耳元件也可用别的磁场敏感元件，例如磁阻传感器(各向异性磁阻效应或巨磁阻效应)、场极板等。此外，也可用多个元件作为差动开关。
如图1所示，霍耳元件3布置在软磁元件7和一个传感轮4的一个齿5之间的、一个离齿5的距离为a和离软磁元件7的距离为b的空气隙6中。距离b应当尽可能小，最好为零。其中，软磁元件7超过永久磁铁2的端面一定尺寸c。
通过在霍耳元件3和永久磁铁2之间布置软磁元件7使测量装置1具有一个带很小偏移磁场的磁路(所谓的回授偏磁减小的磁路)。其中软磁元件7起磁通导走元件的作用，该元件从永久磁铁2的端面导走磁通的一部分。这样，就使永久磁铁2端面上方的空气隙6内的磁通密度减小，从而可把霍耳元件3布置在Z方向上具有很小磁感应的一个区域内，亦即布置在该霍耳元件的敏感轴内。这样，当传感轮4的一个齿5进入该霍耳元件的附近时，霍耳元件3在Z方向上的磁通增加并由此导致一个数值较高的霍耳电压。于是探测到齿5的存在，并向控制装置发出一个相应的信号。
下表1和2中列出了在比较具有软磁元件7和没有软磁元件的测量装置时得出的测量结果。表1中的测量值相当于用图1所示测量装置测出。表2中的测量值则用不带软磁元件的测量装置测出，该测量装置的结构与图1相当(但不带软磁元件)。
表1：有软磁元件7的测量结果ΔBZ＝BZ有齿-BZ无齿磁铁的材料：钐-钴b＝1.5毫米(带软磁元件的永久磁铁的端面到霍耳元件的距离)BZ：霍耳元件所处位置的Z方向上的磁通密度
| 空气隙a毫米 | BZ无齿毫特 | BZ有齿毫特 | ΔBZ(磁位移)毫特 |
| 0 | 26.5 | 55.3 | 28.8 |
| 1.0 | 26.5 | 43.0 | 16.5 |
| 2.0 | 26.5 | 36.2 | 9.7 |
| 3.0 | 26.5 | 31.9 | 5.4 |
| 4.0 | 26.5 | 29.4 | 2.9 |
| 5.0 | 26.5 | 28.4 | 1.9 |
| 空气隙a毫米 | BZ无齿毫特 | BZ有齿毫特 | ΔBZ(磁位移)毫特 |
| 0 | 22.7 | 39.8 | 17.1 |
| 1.0 | 22.7 | 32.6 | 9.9 |
| 2.0 | 22.7 | 28.8 | 6.1 |
| 3.0 | 22.7 | 26.7 | 4.0 |
| 4.0 | 22.7 | 25.2 | 2.5 |
| 5.0 | 22.7 | 24.5 | 1.8 |
表2：无软磁元件7的测量结果
磁铁的材料：硬铁氧体
b＝2.5毫米(永久磁铁的端面到霍耳元件的距离)
BZ：霍耳元件所处位置的Z方向上的磁通密度
ΔBZ＝BZ有齿-BZ无齿
从表1和表2的测量结果比较中可知，在可比较的低偏移磁场时(BZ无齿＝26.5毫特：BZ无齿＝22.7毫特)，带软磁元件7的本发明测量装置具有磁场的明显较高的变化ΔBZ。其中，在大约1毫米至4毫米的有意义的空气隙范围内，有软磁元件的ΔBZ比无软磁元件的ΔBZ平均大约35％。所以根据本发明，由于磁感B的较大的相对变化可以以较大的可靠性确定测量装置范围内的铁磁物体的存在以及较精确地确定铁磁物体的距离。
图2表示本发明第二实施例的测量装置的俯视图。其中为了更好地图示而未示出霍耳元件。按该第二实施例的测量装置基本上相当于该第一实施例的测量装置。但其中的区别是，该第二实施例的测量装置在软磁元件7中设置了一个中心通孔19。所以软磁元件7的上部区域即对准霍耳元件3的区域具有一个圆柱形的环形。
图3表示本发明第三实施例的测量装置的示意侧视图。该测量装置的结构基本上相当于图1所示的测量装置。但其中的区别是，软磁元件7的结构不一样：其在外圆周边缘上附加地设置了长的空隙13，这些空隙形成在软磁元件7的整个圆周上。从而带来加工工艺方面的一些优点。在铁磁物体或齿5不存在时，借助于这些空隙可在霍耳元件3的范围内得到另一个磁通密度。
图4表示本发明第四实施例的测量装置的剖面图。与前述实施例不同的是，这里的软磁元件7不再是一个整体。如图4所示，软磁元件7具有一个盖7’和一个环形的圆柱段7”，后者包围永久磁铁2的一部分。
图5表示第五实施例的本发明测量装置1的示意断面图。在这个实施例中，软磁元件7是这样构成的，即它除了具有容纳永久磁铁2的空隙外，还具有一个设置在软磁元件7的端面上的带有壁9a的空隙9。这样，霍耳元件3也可部分地布置在空隙9中，如图5所示。元件7也可由几部分组成。
在图5a的变型方案中，元件7具有一个环形的凸缘20。凸缘20超出环形的圆柱段7”。从功能上讲，凸缘20相当于图5中的壁9a。从而避免了在边缘区域内即从端面到圆周区域的元件7的过渡区域内的磁饱和。
图6和7表示本发明测量装置1的第六实施例。与图5所示测量装置的区别在于，这里的软磁元件7没有容纳永久磁铁的空隙，而是直接布置在永久磁铁2的端面上。软磁元件7也具有一个朝齿5敞口的空隙9，霍耳元件3至少部分地布置在该空隙中。
图8表示本发明测量装置的第七实施例。除了将软磁元件7的空隙9做成半球形外，这个实施例基本上相当于图7所示的实施例。空隙9也可以是别的形状，例如截头圆锥形、圆锥形、锥形等等。重要的是，在这个区域内要达到厚度减小。该空隙应中心布置。霍耳元件3还是部分地布置在这个朝空气隙敞口的空隙9中。在全部实施例中，该霍耳元件也可布置在该空隙或元件7的上方。此外，软磁元件7包括一个用来部分容纳永久磁铁2的空隙8。
图9表示本发明第八实施例的测量装置的示意断面图。其中，软磁元件7包括多个环形圆盘7a、7b。环形圆盘7b具有一个比圆盘7a稍大的直径，以便可调节霍耳元件3。从永久磁铁2的上端面到霍耳元件3的外表面(亦即到对准齿5的表面)的高度h＝2.5毫米。永久磁铁的直径d＝7毫米，永久磁铁的高度h＝4.0毫米。用一个Sm2(钐)CO17(钴)永久磁铁作为磁铁2。测量得出图10所示磁感应B的值与霍耳元件3的外表面到齿5的外表面的空气隙宽度的关系。图中的组2表示在霍耳元件3的区域内不存在齿5得出的值，组1则表示存在一个齿时得出的值。从图10可清楚看出，在测量装置附近存在一个齿时，总是产生磁感应B的明显变化。
图11表示本发明测量装置的第九实施例。如图11所示，棒形永久磁铁2不再用其端面对准齿5的方向，而是以其长度侧平行于齿5布置。设置了两个L形的软磁元件7a和7b作为软磁元件，它们分别布置在永久磁铁2端面上的北极或南极。在L形软磁元件7a和7b的两个臂之间形成了一个缝隙11，该缝隙平行于磁铁2取向。霍耳元件3布置在这个缝隙中。这样，当齿5不位于永久磁铁2的附近时，一个大的磁通从永久磁铁2经第一软磁元件7a、经缝隙11到第二软磁元件7b并回到永久磁铁2。从而在永久磁铁2的范围内不存在齿5时，在霍耳元件3上产生一个高在磁感应。此时，当铁磁的齿5进入永久磁铁2的附近时(见图11)，则磁通的至少一部分通过缝隙6到齿5并回到永久磁铁2。这样就减少了霍耳元件3中的感应磁场。所以与前面的实施例比较，在图11所示的第九实施例时，在一个齿5出现在永久磁铁2的范围的情况下，霍耳元件3内的磁场具有一个最小值。
图12表示本发明测量装置的第十实施例。原则上，这个实施例相当于图11所示的实施例，只是软磁元件有所不同。如图12所示，该软磁元件包括一个L形的软磁元件7a和一个棒形的软磁元件7b。其中软磁元件7a的臂形成一个空隙14，霍耳元件3布置在该空隙中。从图12可清楚看出，在这个实施例中的磁通从永久磁铁2经软磁元件7a、霍耳元件3、再经这两个软磁元件7a和7b之间形成的缝隙11到软磁元件7b并回到永久磁铁2。软磁元件7a或7b还是分别布置在永久磁铁2的两个端面的北极或南极。其中两个软磁元件7a和7b是这样布置在永久磁铁2上的，即它们部分地伸入传感轮4和永久磁铁2之间的空气隙6中，以形成一个空隙9。
图13表示本发明测量装置的第十一实施例。如图13所示，测量装置1包括第一永久磁铁2和第二永久磁铁10。其中在第二永久磁铁10的两个端面分别布置一层用磁性不敏感材料制成的0.5毫米厚的层15、16。此外，设置了一个固定在一块印制电路板12的霍耳元件3。如图13所示，印制电路板12固定在一个软磁元件7上，所以软磁元件7布置在第一永久磁铁2和霍耳元件3之间。第二永久磁铁10则布置在霍耳元件3和一个传感轮的一个齿5之间。所以在例如用钐-钴制成的永久磁铁2和齿5之间从永久磁铁2开始布置了厚约0.2毫米的板状软磁元件7、厚约1毫米的印制电路板12、厚约0.7毫米的霍耳元件3、厚约0.5毫米的用磁阻(Resitex)材料制成的第一层15、厚约0.25毫米的第二永久磁铁和厚约0.5毫米的用磁阻(Resitex)材料制成的第二层16。
用这种结构在霍耳元件3中得出的磁感应如图14所示。图中绘出了磁感应与齿5和由层16形成的磁铁结构的端面之间的空气隙6的宽度b的关系。
图15再次单独地示出了在测量装置1的范围内存在的一个铁磁物体5时磁位移与空气隙6的宽度b的关系。
从图14和15可清楚看出，特别是在对实际应用重要的在1和4毫米之间的空气隙宽度b的范围内分别得出了一个相对大的磁位移，在相对小的偏移磁场时(在测量装置1的范围内不存在铁磁物体时)，该磁位移约为17毫特(见图14)。所以，按图13所示实施例的测量装置提供了一个具有很小偏移磁场的霍耳传感器，从而可把由电磁不兼容性所引起的干扰减小到最低限度。
根据迄今为止所述的各种变型方案，元件7既可在磁铁2上又可在磁铁10上或者还可在这两者上构成。
图16和17表示本发明的第十二实施例。尤其是可从图17清楚看出，测量装置1也具有第一永久磁铁2和第二永久磁铁10。在第一永久磁铁2和第二永久磁铁10之间布置一个霍耳元件3和一个软磁元件7。其中软磁元件7与第一永久磁铁2接触，而霍耳元件3则与第二永久磁铁2接触，而霍耳元件3则与第二永久磁铁10接触。两个永久磁铁2和10是这样布置的，即其两个北极正面对准。根据前述实施例，在第二永久磁铁10和一个传感轮的一个齿5之间设置了一个空气隙6。图16和17所示实施例的功能基本上相当于图13所示的第十一实施例，所以可参考该处的说明。
上面综述了用于无接触探测一种铁磁物体4、5的测量装置1。该测量装置包括一个霍耳元件3和至少一个永久磁铁2，其中在该霍耳元件和永久磁铁之间设置了一个不导磁的空气隙6。此外，永久磁铁2在其至少一个端面上具有一个软磁元件7，该软磁元件布置在永久磁铁2和霍耳元件3之间的空气隙6中。
根据本发明，上述的实施例只是一些例子，本发明不受它们的限制。在本发明的范围内可进行各种修改，而不离开本发明的范围及其等同替换。
Claims (11)
1.用于无接触探测一种铁磁物体(5)的测量装置，其具有：
-至少一个磁场敏感元件(3)，
-至少一个磁铁(2)，
-其中在磁场敏感元件(3)和铁磁物体(5)之间设置了一个空气隙(6)，
其特征为：
磁铁(2)在其至少一侧具有一个软磁元件(7)，该软磁元件布置在磁铁(2)和磁场敏感元件(3)之间。
2.按权利要求1的测量装置，其特征为：软磁元件(7)布置在磁铁(2)的一个端面上，该端面对准被测铁磁物体(5)的方向。
3.按权利要求1或2的测量装置，其特征为：软磁元件(7)作为一个帽形元件构成，该元件具有一个容纳磁铁(2)的空隙(8)。
4.按权利要求1至3中任一项的测量装置，其特征为：软磁元件(7)具有一个孔(9)，该孔在磁场敏感元件(3)的方向上是敞开的。
5.按权利要求1至4中任一项的测量装置，其特征为：软磁元件(7)具有一个半球形的孔(9)，该孔在磁场敏感元件(3)的方向上是敞开的。
6.按权利要求4或5的测量装置，其特征为：磁场敏感元件(3)至少部分地布置在孔(9)中。
7.按权利要求1至6中任一项的测量装置，其特征为：软磁元件(7)具有一个环形凸缘(20)。
8.按权利要求1至7中任一项的测量装置，其特征为，软磁元件(7)包括多个带孔圆盘(7a、7b)。
9.按权利要求1至8中任一项的测量装置，其特征为：第二磁铁(10)位于空气隙(6)中；带有相同极性的磁铁(2，10)相互对置。
10.用于无接触探测一种铁磁物体(5)的测量装置，其具有：
-至少一个磁场敏感元件(3)，
-至少一个磁铁(2)，
-其中磁铁(2)的极化方向几乎平行于铁磁物体(5)延伸，
-在磁铁(2)的两个端面上分别布置了一个软磁元件(7a、7b)，和
-磁场敏感元件(3)位于这两个元件(7a、7b)之间的一个缝隙(11)内。
11.按权利要求10的测量装置，其特征为：缝隙(11)位于元件(7a、7b)的重叠端之间。
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