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Die Erfindung betrifft eine Sensoranordnung, die mit einer Magnetquelle mit Magnetpolen abwechselnder Polarität verwendet werden kann sowie einen integrierten Chipbaustein mit einer solchen Sensoranordnung. Die Erfindung betrifft ferner ein Messverfahren zur Bestimmung eines Phasenwinkels in Abhängigkeit einer Position einer Magnetquelle.
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Zu berührungslosen Positionsmessung von linearen bewegten oder rotierenden Teilen werden in verschiedenen Anwendungen Magnetstreifen oder Magnetringe mit wenigstens zwei abwechselnden Nord- und Südpolen verwendet. Diese Magnetstreifen oder Ringe sind dann fest mit den bewegten Teilen verbunden und bewegen sich in kleinem Abstand über einen Magnetfeldsensor. Wenn eine genaue Positionsmessung in einer bestimmten Auflösung erforderlich ist, kann der Magnetfeldsensor auch aus einem Array von mehreren Einzelsensoren bestehen. Dabei kann man es sich beispielsweise zunutze machen, dass die vertikale Magnetfeldkomponente einen sinusförmigen Verlauf über den Magnetstreifen besitzt.
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Zur Positionsbestimmung können die Sensoren derart angeordnet werden, dass der sinusförmige Feldverlauf an zumindest zwei Stellen mit einer Distanz entsprechend einem Viertel der Polpaarlänge gemessen wird, was einem phasenmäßigen Unterschied von 90° im Feldverlauf entspricht. Somit können 90° zueinander verschobene Signale erzeugt werden. Die tatsächliche Positionsbestimmung erfolgt in diesem Fall regelmäßig über eine Verhältnisbildung dieser beiden Signale und die Nutzung von Winkelfunktionen. Hierbei kann eine absolute Position der Magnetquelle innerhalb des gemessenen Polpaars bestimmt werden.
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Bei einem derartigen Verfahren können jedoch statische Magnetfelder jeweils gemessene Signale derart beeinflussen, dass eine aus den Signalen ermittelte Position mit Fehlern behaftet ist. Des weiteren kann eine Anordnung, bei der entsprechende Magnetfeldsensoren in festem Anstand zueinander angeordnet sind, lediglich mit Magnetquellen einer durch diesen Abstand bestimmten Pollänge verwendet werden. Da die Positionsbestimmung als absoluter Wert lediglich im Bereich der Länge eines Polpaars durchgeführt wird, ist auch der absolute Messbereich bei herkömmlichen Anordnungen dieser Art begrenzt.
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Das Dokument
US 5 568 048 A zeigt eine Anordnung mit einem magnetischen Ring abwechselnder Polarität und drei nebeneinander angeordneten magnetoresistiven Sensoren. Der Ring weist eine Unregelmäßigkeit in einem der magnetischen Segmente als Definition einer Synchronisierungsposition auf. Im Betrieb der Anordnung werden Differenzen aus Sensorsignalen von einem der äußeren und dem mittleren Sensor sowie aus Sensorsignalen von dem einen und dem anderen äußeren Sensor ausgewertet, um die Synchronisierungsposition zu ermitteln. Ein aktueller Drehwinkel des Magnetrings kann in Abhängigkeit der detektierten Synchronisierungsposition bestimmt werden, unter anderem durch Zählen von jeweiligen Polübergängen ausgehend von der Synchronisierungsposition.
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Im Dokument
US 2006/0043 963 A1 ist eine Anordnung mit drei nebeneinander angeordneten Magnetfeldsensoren beschrieben, von denen zwei Paare von Sensorsignalen durch Differenzbildung verarbeitet werden.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Sensoranordnung, einen integrierten Chipbaustein mit der Sensoranordnung und ein Messverfahren für die Bestimmung eines Phasenwinkels in Abhängigkeit eines magnetischen Feldes anzugeben, die eine flexiblere und unempfindlichere Messung ermöglichen.
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Diese Aufgabe wird mit den Gegenständen der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Ausgestaltungsformen und Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Ein Ausführungsbeispiel einer Sensoranordnung umfasst ein Sensorarray mit einem ersten, einem zweiten und einem dritten Sensorschwerpunkt, die entlang einer linienförmigen Hauptrichtung angeordnet sind. Der dritte Sensorschwerpunkt ist dabei mittig zwischen dem ersten und dem zweiten Sensorschwerpunkt angeordnet, so dass beispielsweise ein jeweiliger Abstand zwischen ersten und dritten Sensorschwerpunkt beziehungsweise zweiten und dritten Sensorschwerpunkt gleich groß ist. Das Sensorarray weist zudem ein erstes, ein zweites und ein drittes Sensormittel auf, die entsprechend dem ersten, zweiten und dritten Sensorschwerpunkt zugeordnet sind und jeweils wenigstens einen Magnetfeldsensor umfassen, der dazu eingerichtet ist, ein Sensorsignal in Abhängigkeit einer magnetischen Feldstärke abzugeben. Eine Anordnung des ersten, zweiten und dritten Sensormittels erfolgt derart, dass ein geometrischer Schwerpunkt des jeweils wenigstens einen Magnetfeldsensors mit dem jeweils zugeordneten Sensorschwerpunkt zusammenfällt. Anders ausgedrückt ist jedem Sensorschwerpunkt jeweils eines der Sensormittel mit einem oder mehreren Magnetfeldsensoren zugeordnet. Das erste, zweite und dritte Sensormittel sind hierbei jeweils dazu eingerichtet, einen ersten, zweiten und dritten Satz von Sensorsignalen abzugeben.
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Die Sensoranordnung umfasst ferner eine Verarbeitungseinrichtung, die ein erstes und ein zweites Kombinationsmittel aufweist. Das erste Kombinationsmittel ist dazu eingerichtet, ein erstes Kanalsignal in Abhängigkeit des ersten und zweiten Satzes von Sensorsignalen abzuleiten, während das zweite Kombinationsmittel dazu eingerichtet ist, ein zweites Kanalsignal in Abhängigkeit des ersten, des zweiten und des dritten Satzes von Sensorsignalen abzuleiten. Das erste Kanalsignal hängt somit von Sensorsignalen ab, die dem ersten und zweiten Sensorschwerpunkt zugeordnet sind, während das zweite Kanalsignal eine Funktion von Sensorsignalen darstellt, welche an den drei Sensorschwerpunkten erfasst werden. Eine Auswerteeinheit in der Sensoranordnung ist dazu eingerichtet, einen Phasenwinkel in Abhängigkeit des ersten und zweiten Kanalsignals abzuleiten.
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Die Sensoranordnung ist vorzugsweise zur Verwendung mit einem Magnetstreifen oder einem Magnetring mit jeweils wenigstens zwei oder mehreren Magnetpolen abwechselnder Polarität eingerichtet. Alternativ können auch andere Magnetquellen mit ähnlicher Magnetfeldverteilung verwendet werden. Eine Ausrichtung des Polverlaufs ist vorzugsweise in Übereinstimmung mit der linienförmigen Hauptrichtung vorgesehen. In diesem Fall kann aus dem von der Auswerteeinheit ermittelten Phasenwinkel eine Position der Magnetquelle in Bezug auf das Sensorarray ermittelt werden.
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Durch die Anordnung der Magnetfeldsensoren in den Sensormitteln auf den Sensorschwerpunkten beziehungsweise durch das Zusammenfassen entsprechender Sensorsignale bezogen jeweils auf einen Sensorschwerpunkt können die Beziehungen der Positionen der Sensorschwerpunkte in Bezug auf die Magnetfeldverteilung zueinander ausgenutzt werden. Beispielsweise entspricht der Abstand zwischen ersten und zweiten Sensorschwerpunkt ungefähr einem Phasenwinkel von 180° bei einem sinusförmigen Magnetfeldverlauf. Dementsprechend sind dem dritten Sensorschwerpunkt zugeordnete Sensorsignale um jeweils 90° gegenüber den Sensorsignalen des ersten und zweiten Sensorschwerpunkts verschoben. Diese Phasenbeziehungen können für das erste Kanalsignal beispielsweise durch eine Differenzbildung der dem ersten Sensorschwerpunkt zugeordneten Sensorsignale mit den dem zweiten Sensorschwerpunkt zugeordneten Sensorsignalen genutzt werden. Da bei einem sinusförmigen Verlauf eines Signals eine Phasenverschiebung von 180° im Wesentlichen einer Vorzeichenumkehr entspricht, folgt aus der Differenzbildung also ungefähr eine Verdopplung des Absolutbetrags der Signale am ersten beziehungsweise zweiten Sensorschwerpunkt. Durch die Differenzbildung werden aber auch statische Magnetfeldanteile, beispielsweise eines homogenen Magnetfelds, das gleichmäßig auf alle Magnetfeldsensoren des Sensorarrays wirkt, herausgerechnet.
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Für das zweite Kanalsignal können beispielsweise die Sensorsignale des ersten und zweiten Sensorschwerpunkts aufsummiert werden was unter Annahme einer gleichen Anzahl von Sensorsignalen und mit Verweis auf die oben aufgeführten Phasenbeziehungen im Wesentlichen zu einer Elimination beziehungsweise Aufhebung der Sensorsignale führt. Weiterhin wird für das zweite Kanalsignal eine Differenz dieser summierten Sensorsignale des ersten und zweiten Sensorschwerpunkts von den Sensorsignalen des dritten Sensorschwerpunkts gebildet. Wenn die Anzahl des dritten Satzes von Sensorsignalen am dritten Sensorschwerpunkt der gemeinsamen Anzahl von Sensorsignalen des ersten und zweiten Satzes von Sensorsignalen am ersten und zweiten Sensorschwerpunkt entspricht, werden wie für das erste Kanalsignal wiederum die Einflüsse eines statischen Magnetfelds durch die Differenzbildung aufgehoben. Des Weiteren ergibt sich somit zwischen dem ersten und dem zweiten Kanalsignal eine Phasenbeziehung von im Wesentlichen 90°, die für die Ermittlung des Phasenwinkels des sinusförmigen Magnetfelds in Bezug auf das Sensorarray genutzt wird.
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Mit der beschriebenen Ausführungsform des Sensorarrays ist es somit möglich, die Messungen von Sensorsignalen an lediglich drei Positionen für eine Phasenwinkelbestimmung beziehungsweise Positionsbestimmung mit hoher Genauigkeit und mit verringerter störender Beeinflussung durch ein statisches Magnetfeld zu verwenden. Die Ableitung des Phasenwinkels beziehungsweise einer Position kann somit flexibel und unempfindlich erfolgen.
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In einer Ausführungsform der Sensoranordnung sind das erste und/oder das zweite Kombinationsmittel dazu eingerichtet, das jeweilige Kanalsignal in Abhängigkeit eines Gewichtungsfaktors zu bestimmen. Durch unterschiedliche Gewichtung des ersten und zweiten Kanalsignals können physische Abweichungen einer Pollänge der verwendeten Magnetquelle und damit einer unterschiedlichen Periodenlänge des sinusförmigen Magnetfeldverlaufs rechnerisch ausgeglichen werden. Beispielsweise ist die Auswerteeinheit dazu eingerichtet, den Phasenwinkel über eine Arcustangens-Funktion in Abhängigkeit eines Verhältnisses des ersten und zweiten Kanalsignals zu bestimmen. Dazu sollten das erste und das zweite Kanalsignal vorzugsweise einen Phasenabstand von 90° aufweisen. Durch die Gewichtungsfaktoren können geänderte geometrische Beziehungen bei der Winkelberechnung mit der Arcustangens-Funktion berücksichtigt werden. Somit kann eine derartige Sensoranordnung auch für unterschiedliche Magnetquellen mit verschiedenen Pollängen verwendet werden, obwohl der physische Abstand der Sensorschwerpunkte fixiert ist. Anders ausgedrückt kann durch die Gewichtungsfaktoren der absolute Messbereich der Sensoranordnung bezogen auf den Abstand der Sensorschwerpunkte vergrößert werden. Dies unterstützt weiter die flexible Verwendung der beschriebenen Sensoranordnung.
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In verschiedenen Ausführungsformen kann die Arcustangens-Funktion mittels einer herkömmlichen, vorzugsweise digitalen Berechnung ausgeführt werden. Alternativ kann die Arcustangens-Funktion auch über eine Nachschlagetabelle, über einen Analog-/Digitalwandler, dessen Wandlungsverhalten einen Verlauf aufweist, der der Arcustangens-Funktion entspricht, oder über einen Coordinate Rotation Digital Computer, CORDIC erfolgen.
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In einer Ausführungsform der Sensoranordnung weisen das erste, das zweite und das dritte Sensormittel jeweils genau einen Magnetfeldsensor auf. Anders ausgedrückt weisen der erste, der zweite und der dritte Satz von Sensorsignalen jeweils genau ein Sensorsignal auf, das von dem entsprechenden Magnetfeldsensor abgegeben wird. Das erste Kombinationsmittel ist dabei dazu eingerichtet, das erste Kanalsignal in Abhängigkeit einer Differenz zwischen dem Sensorsignal des ersten Sensormittels und dem Sensorsignal des zweiten Sensormittels zu bestimmen. Das zweite Kombinationsmittels ist dazu eingerichtet, das zweite Kanalsignal in Abhängigkeit einer Differenz zwischen einem doppelt gewichteten Sensorsignal des dritten Sensormittels und einer Summe der Sensorsignale des ersten und zweiten Sensormittels zu bestimmen.
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Somit werden für diese Ausführungsform lediglich drei Magnetfeldsensoren benötigt, deren Sensorsignale im Betrieb durch die Kombinationsmittel entsprechend zu den Kanalsignalen kombiniert werden. Für die Kompensation statischer Magnetfelder wird bei der Ermittlung des zweiten Kanalsignals das Sensorsignal des dritten Sensormittels doppelt gewichtet, so dass wiederum statische Einflüsse eines Magnetfelds sich gegenseitig aufheben.
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In einem weiteren Ausführungsbeispiel einer Sensoranordnung umfassen das erste und das zweite Sensormittel jeweils genau einen Magnetfeldsensor, während das dritte Sensormittel genau zwei Magnetfeldsensoren umfasst. Die zwei Magnetfeldsensoren des dritten Sensormittels sind dabei so angeordnet, dass ihr geometrischer Schwerpunkt mit dem dritten Sensorschwerpunkt übereinstimmt. Der erste und zweite Satz von Sensorsignalen umfassen demgemäß jeweils genau ein Sensorsignal, während der dritte Satz von Sensorsignalen die zwei Sensorsignale der zwei Magnetfeldsensoren des dritten Sensormittels umfasst. Das erste Kombinationsmittel ist in diesem Fall dazu eingerichtet, das erste Kanalsignal in Abhängigkeit einer Differenz zwischen dem Sensorsignal des ersten Sensormittels und dem Sensorsignal des zweiten Sensormittels zu bestimmen. Dementsprechend ist das zweite Kombinationsmittel dazu eingerichtet, das zweite Kanalsignal in Abhängigkeit einer Differenz zwischen summierten Sensorsignalen des dritten Sensormittels und einer Summe der Sensorsignale des ersten und zweiten Sensormittels zu bestimmen. Anders ausgedrückt werden die Sensorsignale des ersten und zweiten Sensormittels aufsummiert und für eine Differenzbildung mit einer Summe der Sensorsignale des dritten Sensormittels verwendet. Auch in diesem Fall wird der Einfluss von statischen Magnetfeldern kompensiert. Durch die Verwendung von zwei unabhängigen Magnetfeldsensoren für das dritte Sensormittel kann bei der Berechnung des zweiten Kanalsignals ein Signal-/Rauschverhältnis verbessert werden.
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In einer weiteren Ausführungsform der Sensoranordnung umfassen das erste und das zweite Sensormittel jeweils genau zwei Magnetfeldsensoren, deren geometrischer Schwerpunkt mit dem entsprechenden Sensorschwerpunkt übereinstimmt. Das dritte Sensormittel weist in diesem Fall genau vier Magnetfeldsensoren in entsprechender Anordnung um den dritten Sensorschwerpunkt auf. Das erste Kombinationsmittel ist hierbei dazu eingerichtet, das erste Kanalsignal in Abhängigkeit einer Differenz zwischen summierten Sensorsignalen des ersten Sensormittels und summierten Sensorsignalen des zweiten Sensormittels zu bestimmen. Das zweite Kombinationsmittels ist dazu eingerichtet, das zweite Kanalsignal in Abhängigkeit einer Differenz zwischen summierten Sensorsignalen des dritten Sensormittels und einer Summe der summierten Sensorsignale des ersten und zweiten Sensormittels zu bestimmen. Auch bei dieser Ausführungsform werden Einflüsse eines statischen Magnetfelds kompensiert. Zudem ist durch die erhöhte Anzahl von einzelnen Magnetfeldsensoren das Signal-/Rauschverhältnis der Kanalsignale verbessert, was zu einer weiter erhöhten Genauigkeit bei der Bestimmung des Phasenwinkels beziehungsweise einer Position einer Magnetquelle führt.
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Eine Sensoranordnung nach einem der beschriebenen Ausführungsbeispiele kann vorzugsweise als integrierter Schaltkreis in einem integrierten Chipbaustein eingesetzt werden. Der integrierte Chipbaustein weist somit sowohl das Sensorarray als auch die Verarbeitungseinrichtung und die Auswerteeinheit auf, so dass an entsprechenden Ausgangsanschlüssen des Chipbausteins direkt ein Phasenwinkel beziehungsweise eine Position einer Magnetquelle, die über dem Chipbaustein angeordnet wird, abgegeben werden kann. Mit einem derartigen integrierten Chipbaustein und einer entsprechenden Magnetquelle kann somit mit geringem Aufwand ein entsprechendes Messsystem aufgebaut werden.
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Ein Ausführungsbeispiel eines Messverfahrens umfasst das Bereitstellen eines Sensorarrays mit einem ersten, einem zweiten und einem dritten Sensorschwerpunkt, die entlang einer linienförmigen Hauptrichtung angeordnet sind und bei denen der dritte Sensorschwerpunkt mittig zwischen dem ersten und zweiten Sensorschwerpunkt angeordnet ist. Ferner wird eine Magnetquelle mit wenigstens zwei Magnetpolen abwechselnder Polarität bereitgestellt. Mit dem Sensorarray werden ein erster, ein zweiter und ein dritter Satz von Sensorsignalen in Abhängigkeit einer magnetischen Feldstärke erzeugt. Hierbei ist der erste Satz dem ersten Sensorschwerpunkt, der zweite Satz dem zweiten Sensorschwerpunkt und der dritte Satz dem dritten Sensorschwerpunkt zugeordnet. Somit hängen die Sensorsignale des ersten, zweiten und dritten Satzes von der jeweiligen magnetischen Feldstärke an den Sensorschwerpunkten ab. Ein erstes Kanalsignal wird in Abhängigkeit des ersten und zweiten Satzes von Sensorsignalen abgeleitet und ein zweites Kanalsignal wird in Abhängigkeit des ersten, des zweiten und des dritten Satzes von Sensorsignalen abgeleitet. In Abhängigkeit des ersten und zweiten Kanalsignals wird ein Phasenwinkel ermittelt. Vorzugsweise erfolgt die Bestimmung des Phasenwinkes über eine Arcustangens-Funktion in Abhängigkeit eines Verhältnisses des ersten und zweiten Kanalsignals.
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Mit dem beschriebenen Verfahren lässt sich ein Phasenwinkel des magnetischen Feldverlaufs der Magnetquelle bestimmen, der einer Position der Magnetquelle in Bezug auf das Sensorarray entspricht. Hierbei werden Einflüsse eines statischen Magnetfelds berücksichtigt, so dass ein Messergebnis unempfindlich gegen derartige Störungen ist.
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Das erste und/oder das zweite Kanalsignal können in Abhängigkeit eines Gewichtungsfaktors bestimmt werden. Über den Gewichtungsfaktor lassen sich Abweichungen einer Pollänge der verwendeten Magnetquelle in Bezug auf Abstände der Sensorschwerpunkte kompensieren. Somit kann das Messverfahren flexibel eingesetzt werden.
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In einer Ausführungsform des Messverfahrens wird das erste Kanalsignal in Abhängigkeit einer Differenz zwischen Sensorsignal des ersten Satzes von Sensorsignalen und Sensorsignalen des zweiten Satzes von Sensorsignalen bestimmt. Eine Bestimmung des zweiten Kanalsignals erfolgt in Abhängigkeit einer Differenz zwischen Sensorsignalen des dritten Satzes von Sensorsignalen und einer Summe von Sensorsignalen des ersten und zweiten Satzes von Sensorsignalen.
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Wie zuvor bei den Ausführungsbeispielen der Sensoranordnung beschrieben können in dieser Ausführungsform des Verfahrens die Kanalsignale derart aus den jeweiligen Sensorsignalen kombiniert werden, dass die Phasenbeziehung der gemessenen Sensorsignale optimal ausgenutzt wird.
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In verschiedenen Ausführungsformen kann die Anzahl der Sensorsignale in den jeweiligen Sätzen entsprechend variiert werden. Hierbei sollte sich jedoch die Anzahl des ersten und zweiten Satzes von Sensorsignalen entsprechen. Gleichzeitig sollte die Anzahl von Sensorsignalen des dritten Satzes von Sensorsignalen der gemeinsamen Anzahl von Sensorsignalen des ersten und zweiten Satzes entsprechen. Durch eine derartige Aufteilung der Sensorsignale kann bei einer Kombination zu den Kanalsignalen ein entsprechendes Größenverhältnis eingehalten werden, das für eine genauere Bestimmung des Phasenwinkels günstig ist.
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Die Erfindung wird nachfolgend an mehreren Ausführungsbeispielen anhand der Figuren näher erläutert. Funktions- beziehungsweise wirkungsgleiche Elemente tragen gleiche Bezugszeichen. Insoweit sich Bauelemente in ihrer Funktion entsprechen, wird deren Beschreibung nicht in jeder der folgenden Figuren wiederholt.
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Es zeigen:
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1 ein Ausführungsbeispiel einer Sensoranordnung,
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2 ein Blockschaltbild einer Ausführungsform einer Sensoranordnung,
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3 ein Vektordiagramm mit Kanalsignalen,
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4 ein erstes Ausführungsdetail einer Sensoranordnung,
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5 ein zweites Ausführungsdetail einer Sensoranordnung,
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6 ein drittes Ausführungsdetail einer Sensoranordnung,
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7 ein viertes Ausführungsdetail einer Sensoranordnung und
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8 ein fünftes Ausführungsdetail einer Sensoranordnung.
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In 1 ist ein Ausführungsbeispiel einer Sensoranordnung mit Magnetfeldsensoren dargestellt. Die Sensoranordnung umfasst ein Sensorarray SA mit einer linienförmigen Hauptrichtung L, auf der drei Sensorschwerpunkte SSP1, SSP2, SSP3 angeordnet sind. Ein Abstand D zwischen dem ersten Sensorschwerpunkt SSP1 und dem dritten Sensorschwerpunkt SSP3 entspricht demjenigen zwischen dem zweiten Sensorschwerpunkt SSP2 und dem dritten Sensorschwerpunkt SSP3. Anders ausgedrückt ist der dritte Sensorschwerpunkt SSP3 mittig zwischen dem ersten und dem zweiten Sensorschwerpunkt SSP1, SSP2 angeordnet. Das Sensorarray umfasst ein erstes, ein zweites und ein drittes Sensormittel SM1, SM2, SM3, welche jeweils wenigstens einen Magnetfeldsensor umfassen, der zur Abgabe eines Sensorsignals in Abhängigkeit einer magnetischen Feldstärke eingerichtet ist. Die Magnetfeldsensoren sind aus Übersichtsgründen in 1 nicht dargestellt.
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Das erste Sensormittel SM1 ist in dem dargestellten Ausführungsbeispiel derart angeordnet, dass ein geometrischer Schwerpunkt des Magnetfeldsensors beziehungsweise der Magnetfeldsensoren des ersten Sensormittels SM1 mit dem ersten Sensorschwerpunkt SSP1 zusammenfällt. Dementsprechend ist das zweite Sensormittel SM2 dem zweiten Sensorschwerpunkt SSP2 zugeordnet, wobei ebenfalls der geometrische Schwerpunkt der umfassten Magnetfeldsensoren mit dem Sensorschwerpunkt SSP2 zusammenfällt. Dies gilt in analoger Weise auch für das dritte Sensormittel SM3, welches dem dritten Sensorschwerpunkt SSP3 zugeordnet ist.
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Die Sensoranordnung umfasst ferner eine Verarbeitungseinrichtung PRC, welche ein erstes und ein zweites Kombinationsmittel K1, K2 aufweist. Das erste Kombinationsmittel K1 ist eingangsseitig mit Ausgängen des ersten und zweiten Sensormittels SM1, SM2 gekoppelt. Ein Ausgang des ersten Kombinationsmittels K1 ist an eine Auswerteeinheit EV zur Abgabe eines ersten Kanalsignals CH1 angeschlossen. Das zweite Kombinationsmittel K2 ist eingangsseitig mit Ausgängen aller drei Sensormittel SM1, SM2, SM3 gekoppelt. Ferner ist ein Ausgang des zweiten Kombinationsmittels K2 wiederum an die Auswerteeinheit EV angeschlossen, um in diesem Fall im Betrieb ein zweites Kanalsignal CH2 abgeben zu können. Die Auswerteeinheit EV weist zudem einen Ausgang OUT auf.
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Die dargestellte Sensoranordnung ist vorzugsweise zur Verwendung mit einer Magnetquelle mit zwei oder mehreren Magnetpolen abwechselnder Polarität vorgesehen, die entlang der linienförmigen Hauptrichtung L ausgerichtet ist. Beispielsweise kann als Magnetquelle ein Magnetstreifen oder ein Magnetring mit mehreren Magnetpolen verwendet werden. Eine Magnetquelle ist aus Übersichtsgründen in 1 ebenfalls nicht dargestellt. Eine Magnetquelle der beschriebenen Art erzeugt jedoch entlang der linienförmigen Hauptrichtung L einen sinusförmigen Magnetfeldverlauf, der von den Magnetfeldsensoren der Sensormittel SM1, SM2, SM3 an den entsprechenden durch die Sensorschwerpunkte SSP1, SSP2, SSP3 gekennzeichneten Positionen detektiert werden kann. Beispielsweise entspricht ein Abstand 2D zwischen dem ersten und dem zweiten Sensorschwerpunkt SSP1, SSP2, resultierend aus einer Verdopplung des Abstands D, der Länge eines Pols der Magnetquelle beziehungsweise der halben Länge eines Polpaares. In diesem Fall entspricht ein Abstand D einem Phasenunterschied von 90° im Verlauf des sinusförmigen Magnetfelds der Magnetquelle entlang der linienförmigen Hauptrichtung L. Diese Phasenbeziehung kann für die weitere Verarbeitung der Sensorsignale verwendet werden.
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Im vorliegenden Ausführungsbeispiel wird im ersten Kombinationsmittel K1 das erste Kanalsignal CH1 aus Sensorsignalen des ersten und zweiten Sensormittels SM1, SM2 unter Berücksichtigung ihrer Phasenlage ermittelt. In ähnlicher Weise wird im Betrieb der Sensoranordnung das zweite Kanalsignal CH2 vom zweiten Kombinationsmittel K2 aus Sensorsignalen des ersten, zweiten und dritten Sensormittels SM1, SM2, SM3 bestimmt. Die Kanalsignale CH1, CH2 werden in der Auswerteeinheit EV verarbeitet, um einen Phasenwinkel zu ermitteln, der beispielsweise am Ausgang OUT abgegeben wird.
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Beispielsweise werden in der Auswerteeinheit EV das erste und zweite Kanalsignal CH1, CH2 zueinander ins Verhältnis gesetzt und aus dem ermittelten Verhältnis mittels einer Arcustangens-Funktion der Phasenwinkel bestimmt, der am Ausgang OUT abgegeben werden kann. Für die Berechnung kann die Auswerteeinheit EV beispielsweise einen Mikrocontroller aufweisen, der die Arcustangens-Funktion mittels einer herkömmlichen, digitalen Berechnung ausführt. Alternativ kann die die Auswerteeinheit EV auch eine Nachschlagetabelle aufweisen, in der Werte für die Arcustangens-Funktion abgelegt sind. Als weitere Alternative kann die die Auswerteeinheit EV einen Analog-/Digitalwandler aufweisen, dessen Wandlungsverhalten einen Verlauf aufweist, der der Arcustangens-Funktion entspricht und dem eingangsseitig das erste und zweite Kanalsignal CH1, CH2 in analoger Form zugeführt werden. Zudem kann die Auswerteeinheit EV auch einen Coordinate Rotation Digital Computer, CORDIC aufweisen, über den die Winkelberechnung erfolgt.
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2 zeigt ein Blockschaltbild einer Ausführungsform der Sensoranordnung. In diesem Ausführungsbeispiel umfassen die Kombinationsmittel K1, K2 jeweilige Summierelemente SU1, SU2 und Gewichtungselemente WE1, WE2. In diesem Blockschaltbild sind die Sensormittel SM1, SM2, SM3 nicht in Bezug auf die jeweils zugeordneten Sensorschwerpunkte SSP1, SSP2, SSP3 dargestellt. Das erste Summierglied SU1 im ersten Kombinationsmittel KM1 ist eingangsseitig mit dem ersten und zweiten Sensormittel SM1, SM2 zur Zuführung jeweils eines oder mehrerer Sensorsignale von den Sensormitteln SM1, SM2 gekoppelt. Das zweite Summierglied SU2 im zweiten Kombinationsmittel K2 weist drei Eingänge auf, die mit jeweils einem der Sensormittel SM1, SM2, SM3 gekoppelt sind. In den Kombinationsmitteln K1, K2 sind den Summiergliedern SU1, SU2 Gewichtungselemente WE1, WE2 nachgeschaltet, die ein Ergebnis beziehungsweise ein Ausgangssignal der Summierglieder SU1, SU2 mit jeweiligen Gewichtungsfaktoren W1, W2 gewichten, um so das erste und das zweite Kanalsignal CH1, CH2 abzuleiten.
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Je nach Anzahl von Magnetfeldsensoren, die von den Sensormitteln SM1, SM2, SM3 jeweils umfasst sind, können eines oder mehrere Sensorsignale an die Summierglieder SU1, SU2 abgegeben werden. Hierbei sollen die Summierglieder SU1, SU2 nicht als reine Additionsglieder verstanden werden, sondern als allgemeine Summierer, denen sowohl positiv gewichtete als auch negativ gewichtete Sensorsignale zuführbar sind. Anders ausgedrückt können über die Summierglieder SU1, SU2 auch Differenzen entsprechender eingangsseitig anliegender Sensorsignale gebildet werden. Vorzugsweise wird somit durch das erste Summationsglied SU1 eine Differenz zwischen Sensorsignalen des ersten Satzes von Sensorsignalen, abgegeben vom Sensormittel SM1, und Sensorsignalen des zweiten Satzes von Sensorsignalen, abgegeben vom Sensormittel SM2, bestimmt. Hierbei ist es zunächst unerheblich, ob Sensorsignale des ersten Satzes von Sensorsignalen des zweiten Satzes abgezogen werden oder umgekehrt.
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Mit dem zweiten Summationsglied SU2 wird eine Differenz zwischen Sensorsignalen des dritten Satzes von Sensorsignalen, abgegeben vom dritten Sensormittel SM3, und einer Summe von Sensorsignalen des ersten und zweiten Satzes von Sensorsignalen ermittelt. Anders ausgedrückt gehen die Sensorsignale des ersten und zweiten Satzes mit dem gleichen Vorzeichen in ein Summationsergebnis ein, das aber unterschiedlich vom Vorzeichen der Sensorsignale des dritten Satzes ist. Bei entsprechender Pollänge der verwendeten Magnetquelle in Bezug auf den Abstand der Sensorschwerpunkte SSP1, SSP2, SSP3 liegen am Ausgang der Summationsglieder SU1, SU2 Signale vor, die eine Phasenverschiebung von 90° zueinander aufweisen. Bei abweichender Pollänge der Magnetquelle kann jedoch durch unterschiedliche Gewichtungsfaktoren W1, W2 eine Anpassung der Summationsergebnisse erfolgen, welche die veränderte Pollänge für die nachfolgende Ermittlung des Phasenwinkels in der Auswerteeinheit berücksichtigt.
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3 zeigt ein Vektordiagramm mit erstem und zweitem Kanalsignal CH1, CH2, die in einem Einheitskreis mit entsprechend angenommener Ausrichtung dargestellt sind. Hierbei ist das zweite Kanalsignal beispielsweise als Kosinusanteil eines resultierenden Vektors HR dargestellt, der sich aus der Vektorsumme des ersten und zweiten Kanalsignals ergibt. Dementsprechend ist das erste Kanalsignal CH1 ein Sinusanteil dieses resultierenden Vektors HR. Ein Winkel Φ im Bezug auf die Referenzachsen des Einheitskreises kann über trigonometrische Funktionen aus den Beträgen des ersten und zweiten Kanalsignals CH1, CH2 ermittelt werden, beispielsweise über eine Arcustangens-Funktion. Als Formel ausgedrückt ergibt sich demgemäß: Φ = arctan CH1 / CH2, wobei Vorzeichen in der Formel beliebig anders berücksichtigt werden können. Zudem können auch die Kanalsignale CH1, CH2 in der Formel vertauscht werden.
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4 zeigt eine Detailausführung einer Sensoranordnung, die beispielsweise bei dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel eingesetzt werden kann. Zusätzlich sind beispielhaft zwei Magnetquellen MAG1, MAG2 mit zugehörigen Magnetfeldverläufen MF1, MF2 dargestellt. Eine Sensoranordnung in einer der beschriebenen Ausführungsformen wird trotz der beispielhaften Darstellung von zwei Magnetquellen MAG1, MAG2 lediglich mit einer Magnetquelle betrieben. Die Magnetquellen MAG1, MAG2 weisen dabei jeweils einen magnetischen Nordpol N und einen magnetischen Südpol S auf, wobei jeder der Pole der ersten Magnetquelle MAG1 eine Pollänge von 2D aufweist und jeder der Pole der zweiten Magnetquelle MAG2 eine Pollänge von 4D. Hierbei ist D der in 1 dargestellte Abstand zwischen den Sensorschwerpunkten SSP1, SSP2, SSP3. Dementsprechend beträgt auch der Abstand zwischen ersten und zweiten Sensorschwerpunkt SSP1, SSP2 in 4 den Abstand 2D.
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Bezogen auf den ersten Magnetfeldverlauf MF1, der durch die erste Magnetquelle MAG1 erzeugt wird, entspricht dieser Abstand 2D einem Phasenunterschied von 180°. Für den zweiten sinusförmigen Magnetfeldverlauf MF2, der von der zweiten Magnetquelle MAG2 erzeugt wird, entspricht der Abstand 2D hingegen lediglich einem Phasenunterschied von 90°.
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Die folgenden Ausführungen sollen sich zunächst auf den ersten Magnetfeldverlauf MF1 beziehen, bei dem der Abstand 2D einem Phasenunterschied von 180° entspricht. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel umfasst das erste Sensormittel einen einzigen Magnetfeldsensor S1, der auf dem ersten Sensorschwerpunkt SSP1 angeordnet ist. Dementsprechend umfasst das zweite Sensormittel einen Magnetfeldsensor S2, der am zweiten Sensorschwerpunkt SSP2 angeordnet ist. Ein einzelner, dritter Sensor S3 ist am dritten Sensorschwerpunkt SSP3 vorgesehen. Hierbei werden im Betrieb der Sensoranordnung vom ersten Sensor S1 ein erstes Sensorsignal H1, vom zweiten Magnetfeldsensor S2 ein zweites Sensorsignal H2 und vom dritten Magnetfeldsensor S3 ein drittes Sensorsignal H3 abgegeben.
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Im ersten Kombinationsmittel K1 wird das erste Kanalsignal CH1 durch ein positiv gewichtetes Sensorsignal H2 und ein negativ gewichtetes Sensorsignal H1 gebildet, was einer Differenz zwischen erstem und zweitem Sensorsignal H1, H2 entspricht. Da erstes und zweites Sensorsignal H1, H2 Positionen zugeordnet sind, die einen Phasenunterschied von 180° zueinander in Bezug auf das Magnetfeld MF1 aufweisen, entspricht diese Differenz im ersten Kanalsignal CH1 im Wesentlichen einer Verdopplung des Betrags des entsprechenden Signals an einer der Positionen SSP1, SSP2.
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Im zweiten Kombinationsmittel K2 ergibt sich das zweite Kanalsignal CH2 aus zwei positiv gewichteten dritten Sensorsignalen H3 und negativ gewichteten ersten und zweiten Sensorsignalen H1, H2. Da erstes und zweites Sensorsignal H1, H2 mit gleichem Vorzeichen gewichtet werden und den oben erwähnten Phasenunterschied aufweisen, heben sich ihre Beträge im Wesentlichen auf, so dass das zweite Kanalsignal CH2 überwiegend oder ausschließlich aus dem dritten Sensorsignal H3 resultiert. Das dritte Sensorsignal H3 ist hierbei dem dritten Sensorschwerpunkt SSP3 zugeordnet, welcher einem Phasenunterschied von 90° bezogen auf den Magnetfeldverlauf MF1 entspricht.
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Somit ergibt sich zwischen ersten und zweiten Kanalsignal CH1, CH2 die Phasenbeziehung, die graphisch in dem Vektordiagramm in 3 dargestellt ist. Demgemäß kann aus ersten und zweiten Kanalsignal CH1, CH2 in einfacher Weise über eine Arcustangens-Funktion ein Phasenwinkel der Magnetquelle MAG1 beziehungsweise deren Position bestimmt werden.
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Wenn bei der Erzeugung der Sensorsignale durch die Magnetfeldsensoren S1, S2, S3 ein statisches Magnetfeld den Magnetfeldverlauf MF1 überlagert, können im vorliegenden Ausführungsbeispiel durch die Differenzbildung sowohl im ersten als auch im zweiten Kombinationsmittel K1, K2 diese statischen Magnetfeldanteile herausgerechnet werden. Dies ist insbesondere darauf zurückzuführen, dass die Anzahl positiv gewichteter Sensorsignale der Anzahl jeweils negativ gewichteter Sensorsignale in jedem der Kanäle entspricht.
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Wenn die Pollänge der verwendeten Magnetquelle von der Pollänge des Magneten MAG1 abweicht, wie beispielsweise bei der zweiten Magnetquelle MAG2, kann durch entsprechende Gewichtung der Kanalsignale CH1, CH2 auf die veränderte Pollänge Rücksicht genommen werden. Hierbei sind die Kanalsignale CH1, CH2 so zu gewichten, dass die resultierenden Signale wieder einen gewünschten Phasenunterschied von im Wesentlichen 90° zueinander aufweisen. Diese Gewichtung ist beispielsweise für 2 dargestellt und beschrieben.
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5 zeigt ein weiteres Detail eines Ausführungsbeispiels einer Sensoranordnung. In diesem Ausführungsbeispiel weist das dritte Sensormittel genau zwei Magnetfeldsensoren S3, S4 auf, die derart angeordnet sind, dass ihr geometrischer Mittelpunkt mit dem dritten Sensorschwerpunkt SSP3 übereinstimmt. Die Magnetfeldsensoren S1, S2 entsprechen der in 4 dargestellten Ausführungsform.
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Jeder der Magnetfeldsensoren S3, S4 gibt ein Sensorsignal H3, H4 ab, welches jeweils dem dritten Sensorschwerpunkt SSP3 zugeordnet werden kann. Das erste Kanalsignal CH1 wird wie beim Ausführungsbeispiel in 4 ermittelt. In Abweichung zu dem Ausführungsbeispiel von 4 wird das zweite Kanalsignal CH2 nicht durch doppelte Gewichtung eines Sensorsignals, sondern vielmehr durch positive Gewichtung zweier Sensorsignale H3, H4 bestimmt. Das erste und zweite Sensorsignal H1, H2 gehen wiederum mit negativem Vorzeichen in das zweite Kanalsignal CH2 ein. Durch das Vorsehen von zwei Magnetfeldsensoren S3, S4 wird das Signal-/Rauschverhältnis des resultierenden Kanalsignals CH2 verbessert. Dies ist darauf zurückzuführen, dass bei der Addition zweier unabhängiger Sensorsignale H3, H4 auftretendes Rauschen weniger stark in ein Gesamtergebnis eingeht als bei einer Verdopplung eines rauschbehafteten Sensorsignals eines Einzelsensors.
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6 zeigt eine Detailausführung einer weiteren Ausführungsform einer Sensoranordnung. Hierbei ist im Vergleich zu der Ausführungsform von 5 die Anzahl der Magnetfeldsensoren an jedem der Sensorschwerpunkte SSP1, SSP2, SSP3 verdoppelt. Demgemäß sind im ersten Sensorschwerpunkt SSP1 zwei Magnetfeldsensoren S1, S5, dem zweiten Sensorschwerpunkt SSP2 zwei Magnetfeldsensoren S2, S6 und dem dritten Sensorschwerpunkt SSP3 vier Magnetfeldsensoren S3, S4, S7, S8 zugeordnet. Die Anordnung der Magnetfeldsensoren S1 bis S8 erfolgt jeweils neben der linienförmigen Hauptrichtung L um den jeweiligen Sensorschwerpunkt SSP1 bis SSP3 herum.
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Analog zu dem Ausführungsbeispiel von 5 werden die Sensorsignale H1, H5 des ersten und fünften Magnetfeldsensors S1, S5 für das erste Kanalsignal CH1 negativ gewichtet, während Sensorsignale H2, H6 des zweiten und sechsten Magnetfeldsensors S2, S6 positiv gewichtet in das erste Kanalsignal CH1 eingehen. Ebenso gehen die Sensorsignale H1, H2, H5, H6 der Magnetfeldsensoren S1, S2, S5, S6 negativ gewichtet in das zweite Kanalsignal ein, während Sensorsignale H3, H4, H7, H8 der Magnetfeldsensoren S3, S4, S7, S8 positiv gewichtet werden. Wie bei den vorherigen Ausführungsbeispielen entsprechen sich in den Kanälen die Anzahl positiv und negativ gewichteter Sensorsignale, so dass statische Magnetfeldanteile sich gegenseitig kompensieren.
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7 zeigt eine Detailausführung einer weiteren Ausführungsform einer Sensoranordnung, die in Anzahl der vorgesehenen Magnetfeldsensoren und der Art der Aufsummierung der resultierenden Sensorsignale dem in 6 dargestellten Ausführungsbeispiel entspricht. In Abweichung zur 6 sind jedoch die Magnetfeldsensoren S3, S4, S7, S8 quadratisch um den dritten Sensorschwerpunkt SSP3 angeordnet, so dass die Magnetfeldsensoren S1 bis S4 eine erste Zeile und die Magnetfeldsensoren S5 bis S8 eine zweite Zeile des Sensorarrays SA bilden. Wiederum ist ein geometrischer Schwerpunkt der Magnetfeldsensoren in Übereinstimmung mit dem jeweils zugeordneten Sensorschwerpunkt.
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8 zeigt eine Detailausführung eines weiteren alternativen Ausführungsbeispiels einer Sensoranordnung. Die Anzahl der Magnetfeldsensoren in diesem Ausführungsbeispiel entspricht wiederum der Anzahl der vorangegangenen Ausführungsbeispiele, ebenso wie die Art der Aufsummierung. In 8 sind die Magnetfeldsensoren S1 bis S8 jedoch nebeneinander entlang der linienförmigen Hauptrichtung L angeordnet, wobei die Übereinstimmung zwischen geometrischen Schwerpunkt zusammengehöriger Magnetfeldsensoren mit dem zugeordneten Sensorschwerpunkt auch für dieses Ausführungsbeispiel eingehalten ist.
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Bezugszeichenliste
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- SA
- Sensorarray
- SSP1, SSP2, SSP3
- Sensorschwerpunkt
- SM1, SM2, SM3
- Sensormittel
- K1, K2
- Kombinationsmittel
- PRC
- Verarbeitungseinrichtung
- EV
- Auswerteeinheit
- CH1, CH2
- Kanalsignal
- S1 bis S8
- Magnetfeldsensor
- H1 bis H8
- Sensorsignal
- D
- Abstand
- OUT
- Ausgang
- L
- Hauptrichtung
- SU1, SU2
- Summationsglied
- WE1, WE2
- Gewichtungselement
- HR
- resultierender Vektor
- MF1, MF2
- Magnetfeldverlauf
- MAG1, MAG2
- Magnetquelle
