DE102018219722B3

DE102018219722B3 - Verfahren zum überprüfen einer magnetfeldquelle

Info

Publication number: DE102018219722B3
Application number: DE102018219722.9A
Authority: DE
Inventors: Philip Beran; Gerhard Tischlinger
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2018-11-16
Filing date: 2018-11-16
Publication date: 2019-11-14
Anticipated expiration: 2038-11-17
Also published as: US11340313B2; US20200158792A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Überprüfen einer Magnetfeldquelle (100). Hierbei wird das von der Magnetfeldquelle (100) ausgehende magnetische Vektorfeld (11) in einem ersten Koordinatensystem (101) erfasst und es werden entsprechende Magnetfeld-Daten erzeugt. Ferner wird der geometrische Körper (10) der Magnetfeldquelle (100) in einem zweiten Koordinatensystem (102) geometrisch erfasst und entsprechende Geometrie-Daten werden erzeugt. Anschließend werden das erste und das zweite Koordinatensystem (101, 102) in ein gemeinsames Koordinatensystem (103) mittels Koordinatentransformation überführt und die Magnetfeld-Daten und die Geometrie-Daten werden innerhalb des gemeinsamen Koordinatensystems (103) miteinander kombiniert, um das magnetische Vektorfeld (11) der Magnetfeldquelle (100) und den geometrischen Körper (10) der Magnetfeldquelle (100) in eine gemeinsame Lagebeziehung zueinander zu setzen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Charakterisieren beziehungsweise Überprüfen einer Magnetfeldquelle. Ausführungsbeispiele sehen vor, dass hierfür Magnetfeld-Daten sowie Geometrie-Daten einer Magnetfeldquelle erhoben werden und in ein gemeinsames Koordinatensystem überführt werden. Dies erlaubt die lagekorrekte Zuordnung des magnetischen Vektorfelds relativ zur Geometrie, d.h. zum geometrischen Körper, der Magnetfeldquelle.
Sowohl Permanentmagneten als auch andere magnetische Vorrichtungen (z.B. Spulen) können als magnetische Einzelkomponenten, und insbesondere als Magnetquellen beziehungsweise Geber, für den Aufbau von magnetischen Gesamtsystemen verwendet werden. Diese magnetischen Einzelkomponenten werden in großen Stückzahlen, beispielsweise in der Maschinentechnik und zur Positionssensorik, eingesetzt. Für präzise Anwendungen ist es notwendig, dass das Magnetfeld dieser Geber bestimmte Anforderungen erfüllt und Toleranzen einhält. Derzeit werden diese Toleranzen bestenfalls in typischen Parametern angegeben, doch oftmals sind viele der möglichen Abweichungen gänzlich unbekannt. Die typische Ursache sind Fertigungstoleranzen im Hinblick auf Geometrie und Materialeigenschaften der magnetischen Geber. Diese Abweichungen des Magnetfelds führen, sofern sie erkannt werden, zu einem Ausschuss beim Aufbau des magnetischen Gesamtsystems. Unerkannt führen sie zu Fehlern in der späteren Anwendung bis hin zum Ausfall des Gesamtsystems.
Das vom Geber hervorgerufene Magnetfeld hängt von vielen Parametern ab, wie beispielsweise Fertigungstoleranzen, Verunreinigungen und Schwankungen der Materialbeschaffenheit, sowie bei Permanentmagneten von Inhomogenitäten und Schwankungen des aufprägenden Magnetfeldes während des Magnetisierungsvorgangs. Der Einfluss dieser Fehlerquellen lässt sich dabei nur schwer kontrollieren.
Heutzutage gibt es magnetische Prüfsysteme, die das Magnetfeld von magnetischen Gebern hochgenau vermessen können. Solche Prüfsysteme werden teilweise zur Eingangskontrolle eingesetzt, um fehlerhafte Magnetquellen anhand Ihres Magnetfelds zu identifizieren. Mit diesen Prüfsystemen kann jedoch lediglich überprüft werden, ob das Magnetfeld eines magnetischen Gebers innerhalb eines Toleranzbereichs liegt oder nicht.
In der Industrie weiter verbreitet ist derzeit eine Komplettsystemprüfung, durch die die genannten Fertigungstoleranzen kompensiert werden können. Hierbei wird das Gesamtsystem auf ordnungsgemäße Funktion hin überprüft, wobei im schlimmsten Fall eine Unbrauchbarkeit des Systems diagnostiziert wird und hohen Ausschuss generiert. Der Austausch von fehlerhaften magnetischen Gebern im System ist aufgrund von Vollintegration nicht immer möglich und verursacht hohe Kosten. Im Falle von Sensorsystemen müssen in mechanisch aufwändigen Komplettsystemprüfungen die Kalibrierwerte für jedes System ermittelt werden. Dieser Vorgang des Einmessens gleicht zwar Fehler der Geber aus, kann aber bei zu hohen Abweichungen von den Sollwerten nicht komplett kompensiert werden, beispielsweise wenn einem Magneten ein falsches Magnetfeld aufgeprägt wurde.
Darüber hinaus sind optische Verfahren zum Visualisieren von Magnetfeldern bekannt. So wird beispielsweise in „Beran, Philip: Wertvolle Informationen in Magnetfeldern. In: QZ Qualität und Zuverlässigkeit, Carl Hanser Verlag München, Jahrgang 63, 2018, 09, S. 80-82“ eine sogenannte 3D-Magnetfeldkamera beschrieben. Mittels einer dreidimensionalen punktförmigen Messung kann der Fluss eines Magnetfelds in allen drei Raumachsen gemessen werden, woraus wiederum der Feldvektor ermittelt werden kann. Das magnetische Vektorfeld kann mittels der 3D-Magnetfeldkamera dreidimensional visualisiert werden.
Ebenso sind bildgebende Verfahren mittels Magnetresonanz bekannt, die zum Beispiel in Form von MRT-Geräten (Magnetresonanztomographie) in der Medizintechnik eingesetzt werden. Die US 2012 / 0032679 A1 beschreibt eine Gradientenspule zur Verwendung in einem magnetischen Bildgebungsverfahren. Mit dieser Anordnung können Feldverläufe von Magnetfeldern sichtbar gemacht werden.
Die DE 199 48 686 A1 beschreibt ein Verfahren zum Bestimmen von niederfrequenten Magnetfeldern, die von stromdurchflossenen Leitern erregt werden, mit der Absicht diese Magnetfelder abzuschirmen. Hierbei wird in einem zweiten Leiter ein Wirbelstrom induziert, der in dem zweiten Leiter wiederum ein Magnetfeld erzeugt. Dieses Magnetfeld wird dann dem von dem ersten Leiter erzeugten Quell-Magnetfeld überlagert, um daraus eine geeignete Schirmung zu berechnen.
Die DE 100 03 584 A1 beschreibt ein Verfahren zum Bestimmen der Stromdichteverteilung in Brennstoffzellenstacks durch Messung des den Stack umgebenden magnetischen Feldes. Hierbei wird das einen Brennstoffzellenstack umgebende Magnetfeld an mehreren Punkten gemessen und anschließend wird, ausgehend von dieser Messung, auf die Stromdichteverteilung über den Zellenquerschnitt im Inneren des Stacks zurückgerechnet.
Die oben genannten bekannten Vorrichtungen und Verfahren eignen sich nur bedingt für die Überprüfung beliebiger Magnetfeldquellen. In einigen Fällen ist eine vorherige Kalibrierung mittels eines bekannten Kalibrier-Magneten notwendig, was mit nicht zu vernachlässigendem Mehraufwand im Prüfprozess verbunden ist.
Es wäre demnach wünschenswert, bisherige Verfahren zum Überprüfen von Magnetfeldquellen dahingehend zu verbessern, dass beliebige Magnetfeldquellen hochpräzise vermessen werden können, ohne dabei jedoch die oben genannten Probleme aufzuweisen.
Hierfür wird erfindungsgemäß ein Verfahren gemäß Anspruch 1 sowie eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens mit den Merkmalen gemäß Anspruch 17 vorgeschlagen. Ausführungsformen und weitere vorteilhafte Aspekte sind in den jeweils abhängigen Patentansprüchen genannt.
Das erfindungsgemäße Verfahren sieht vor, dass das von einer Magnetfeldquelle ausgehende magnetische Vektorfeld innerhalb eines ersten Koordinatensystems bestimmt wird. Basierend darauf werden Magnetfeld-Daten erzeugt, die mit dem ersten Koordinatensystem verknüpft sind. Diese Magnetfeld-Daten sind geeignete Daten, um das gemessene magnetische Vektorfeld quantitativ und/oder qualitativ zu beschreiben. In einem weiteren Schritt wird der geometrische Körper der Magnetfeldquelle innerhalb eines zweiten Koordinatensystems geometrisch erfasst. Unter einer geometrischen Erfassung kann das Erfassen des geometrischen Körpers der Magnetfeldquelle, und insbesondere das Erfassen der äußeren Konturen des geometrischen Körpers der Magnetfeldquelle, beispielsweise mittels einer Vermessung des Körpers der Magnetfeldquelle, verstanden werden. Hierbei werden Geometrie-Daten erzeugt, welche die Abbildung und/oder Modellierung des vermessenen geometrischen Körpers der Magnetfeldquelle erlauben. Beispielsweise kann der vermessene geometrische Körper der Magnetfeldquelle in einer geeigneten Datenverarbeitungseinrichtung modelliert werden. Das Modell der Magnetfeldquelle kann ein zweidimensionales Modell oder vorzugsweise ein dreidimensionales Modell sein. Die geometrische Erfassung der Magnetfeldquelle findet jedenfalls in einem zweiten Koordinatensystem statt. Die eingangs erwähnte Erfassung des magnetischen Vektorfelds hingegen findet in dem ersten Koordinatensystem statt. Die beiden Koordinatensysteme können voneinander unabhängig sein, das heißt es besteht kein Bezug zwischen den beiden Koordinatensystemen. Dies kann beispielsweise daraus resultieren, dass eine Magnetfelderfassungsvorrichtung zum Erfassen des magnetischen Vektorfelds und eine Geometrie-Erfassungsvorrichtung zum Erfassen des geometrischen Körpers der Magnetfeldquelle in unterschiedlichen Orientierungen relativ zu der Magnetfeldquelle ausgerichtet sind. Dementsprechend sind auch die Magnetfeld-Daten, die das erfasste magnetische Vektorfeld beschreiben, und die Geometrie-Daten, die den erfassten geometrischen Körper der Magnetfeldquelle beschreiben, vorerst unabhängig voneinander, das heißt es besteht vorerst kein Bezug untereinander. Um einen Bezug zueinander herzustellen, werden das erste und das zweite Koordinatensystem mittels Koordinatentransformation in ein gemeinsames Koordinatensystem überführt. Das gemeinsame Koordinatensystem kann entweder das erste oder das zweite Koordinatensystem sein. Alternativ oder zusätzlich kann ein drittes Koordinatensystem das gemeinsame Koordinatensystem bilden. Bei der Koordinatentransformation werden die Magnetfeld-Daten und die Geometrie-Daten innerhalb des gemeinsamen Koordinatensystems miteinander kombiniert. Somit können das magnetische Vektorfeld der Magnetfeldquelle und der geometrische Körper der Magnetfeldquelle in eine gemeinsame Lagebeziehung zueinander gesetzt werden. Beispielsweise können das magnetische Vektorfeld der Magnetfeldquelle und der geometrische Körper der Magnetfeldquelle kongruent, d.h. in der korrekten relativen Lage zueinander, gegenseitig überlagert werden. Mittels der Koordinatentransformation kann also ein gemeinsames Bezugssystem hergestellt werden, in welchem das erfasste magnetische Vektorfeld und der erfasste geometrische Körper der Magnetfeldquelle derart zusammengefügt werden, wie dies in der Realität auch der Fall ist. Die Koordinatentransformation kann auf sämtliche Messvorgänge angewendet werden, unabhängig von der Geometrie der zu vermessenden Magnetfeldquelle. Somit können beliebige Magnetfeldquellen schnell und hochpräzise vermessen und charakterisiert werden. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass auch nachträgliche getrennt durchgeführte Vermessungen von beliebigen Magnetfeldquellen in ein gemeinsames Koordinatensystem abgebildet und fusioniert werden können. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kann die exakte Lage der Magnetfeldquelle nämlich während der Messung, das heißt gleichzeitig mit dem Erfassen des magnetischen Vektorfelds und/oder gleichzeitig mit der Erfassung des geometrischen Körpers, bestimmt werden. Fehlerhafte Geometrien oder fehlerhafte Magnetisierungen können dadurch schnell und einfach erkannt werden.
Einige Ausführungsbeispiele sind exemplarisch in der Zeichnung dargestellt und werden nachstehend erläutert. Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung des hierin beschriebenen Verfahrens zum Überprüfen einer Magnetfeldquelle gemäß einem Ausführungsbeispiel,
2 ein Blockdiagramm des hierin beschriebenen Verfahrens gemäß einem Ausführungsbeispiel,
3 eine schematische Darstellung des hierin beschriebenen Verfahrens gemäß einem Ausführungsbeispiel, bei welchem eine Referenz-Magnetfeldquelle zur Kalibrierung verwendet wird,
4 eine schematische Darstellung des hierin beschriebenen Verfahrens gemäß einem Ausführungsbeispiel, bei welchem das erfasste magnetische Vektorfeld und der geometrisch erfasste geometrische Körper der Magnetfeldquelle visualisiert werden, und
5 eine weitere schematische Darstellung des hierin beschriebenen Verfahrens gemäß einem Ausführungsbeispiel, bei welchem das erfasste magnetische Vektorfeld und der geometrisch erfasste geometrische Körper der Magnetfeldquelle visualisiert werden.

Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele mit Bezug auf die Figuren näher beschrieben, wobei Elemente mit derselben oder ähnlichen Funktion mit denselben Bezugszeichen versehen sind.
Die Begriffe Magnetfeldquelle, Quelle und magnetischer Geber, beziehungsweise Geber, werden hierin synonym verwendet. Prinzipiell gilt alles, was hierin mit Bezug auf die Magnetfeldquelle 100 und den geometrischen Körper 10 der Magnetfeldquelle 100 beschrieben wird, auch für die Referenz-Magnetfeldquelle 100' und den geometrischen Körper 10' der Referenz-Magnetfeldquelle 100', und anders herum.
Verfahrensschritte, die in einem Blockdiagramm dargestellt und mit Bezugnahme auf das selbige erläutert werden, können auch in einer anderen als der abgebildeten beziehungsweise beschriebenen Reihenfolge ausgeführt werden. Außerdem sind Verfahrensschritte, die ein bestimmtes Merkmal einer Vorrichtung betreffen mit ebendiesem Merkmal der Vorrichtung austauschbar, was ebenso anders herum gilt.
1 zeigt eine schematische Veranschaulichung des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Überprüfen einer Magnetfeldquelle 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel.
In diesem Beispiel ist die Magnetfeldquelle 100 als ein geometrischer Körper in Form eines Quaders 10 ausgebildet. Es versteht sich, dass die Form des Quaders lediglich als ein nicht-limitierendes Beispiel zur Veranschaulichung des erfindungsgemäßen Verfahrens genannt ist. Beliebige andere Formen von geometrischen Körpern einer Magnetfeldquelle 100 sind generell denkbar.
Die Magnetfeldquelle 100 kann selbst magnetisch oder in geeigneter Weise aufmagnetisiert sein, zum Beispiel mittels eines Permanentmagneten oder einer Spulenanordnung. Die Magnetfeldquelle 100 erzeugt ein magnetisches Vektorfeld 11. Das von der Magnetfeldquelle 100 ausgehende magnetische Vektorfeld 11 kann mittels einer Magnetfeldmessvorrichtung 12 erfasst werden. Eine derartige Magnetfeldmessvorrichtung 12 kann beispielsweise eine bewegte Magnetfeldsonde oder eine Magnetfeldkamera aufweisen, die den Magnetfeldvektor ortsaufgelöst messen kann.
Die Magnetfeldsonde kann dabei insbesondere eine 3D-Magnetfeldmessonde sein, die den Magnetfeldvektor der Magnetfeldquelle 100 an mehreren Stellen im dreidimensionalen Raum messen kann. Auch die Magnetfeldkamera kann insbesondere eine 3D-Magnetfeldkamera sein, die den Magnetfeldvektor der Magnetfeldquelle 100 an mehreren Stellen im dreidimensionalen Raum messen kann.
Die Magnetfeldmessvorrichtung 12 ist relativ zu der Magnetfeldquelle 100 in einem bestimmten Abstand und in einem bestimmten Winkel angeordnet. Dementsprechend weist die Magnetfeldmessvorrichtung 12 ein erstes Koordinatensystem 101 auf, innerhalb dessen das magnetische Vektorfeld 11 erfasst werden kann. Beim Erfassen des magnetischen Vektorfelds 11 werden Magnetfeld-Daten erzeugt, die das magnetische Vektorfeld 11 in einer geeigneten Darstellung, beziehungsweise Datenstruktur, quantitativ und/oder qualitativ beschreiben. Die das magnetische Vektorfeld 11 beschreibenden Magnetfeld-Daten sind hierbei mit dem ersten Koordinatensystem 101 verknüpft.
In einem weiteren Verfahrensschritt kann der geometrische Körper 10 der Magnetfeldquelle 100 mittels einer geometrischen Messvorrichtung 13 geometrisch erfasst werden. Unter dem geometrischen Körper 10 wird die real existierende dreidimensionale Form beziehungsweise Struktur der Magnetfeldquelle 100 verstanden. Unter der geometrischen Erfassung wird das Erfassen des realen geometrischen Körpers 10 der Magnetfeldquelle 100, beispielsweise mittels einer Vermessung, verstanden, wodurch sowohl die Form als auch die Lage des geometrischen Körpers 10 ermittelt werden können. Die geometrische Messvorrichtung 13 kann beispielsweise eine bildgebende Vorrichtung, wie beispielsweise eine Kamera oder einen Bildsensor, eine laserbasierte Abtastvorrichtung, eine Röntgenvorrichtung, eine MRT-Vorrichtung (MRT: Magnetresonanztomographie), oder eine Kombination hiervon aufweisen. Alternativ oder zusätzlich kann die geometrische Messvorrichtung 13 eine Vorrichtung zur taktilen Erfassung des geometrischen Körpers 10 aufweisen, die beispielsweise mittels einer Antastung die Lage und Form des geometrischen Körpers 10 bestimmen kann
Die geometrische Messvorrichtung 13 ist relativ zu der Magnetfeldquelle 100 in einem bestimmten Abstand und in einem bestimmten Winkel angeordnet. Dementsprechend weist die geometrische Messvorrichtung 13 ein zweites Koordinatensystem 102 auf, innerhalb dessen der geometrische Körper 10 der Magnetfeldquelle 100 geometrisch erfasst werden kann. Beim geometrischen Erfassen der Magnetfeldquelle 100 werden Geometrie-Daten erzeugt, die den geometrischen Körper 10 der Magnetfeldquelle 100 in einer geeigneten Darstellung, beziehungsweise Datenstruktur, beschreiben, sodass der geometrische Körper 10 abgebildet oder modelliert werden kann. Die den geometrischen Körper 10 der Magnetfeldquelle 100 beschreibenden Geometrie-Daten sind dabei mit dem zweiten Koordinatensystem 102 verknüpft.
Die Geometrie-Daten können beispielsweise die äußeren Abmessungen des geometrischen Körpers 10 der Magnetfeldquelle 100 repräsentieren. Alternativ oder zusätzlich können die Geometrie-Daten des geometrischen Körpers 10 der Magnetfeldquelle 100 die Position und/oder die Orientierung im dreidimensionalen Raum innerhalb des zweiten Koordinatensystems 102 repräsentieren. In einigen Ausführungsbeispielen können die äußeren Abmessungen und die Orientierung des geometrischen Körpers 10 der Magnetfeldquelle 100 miteinander verknüpft sein. Das heißt, anhand der Erfassung der äußeren Abmessungen des geometrischen Körpers 10 der Magnetfeldquelle 100 kann die Orientierung des geometrischen Körpers 10 der Magnetfeldquelle 100 im dreidimensionalen Raum innerhalb des zweiten Koordinatensystems 102 direkt abgeleitet werden. Oder anders ausgedrückt kann beim Vermessen des geometrischen Körpers 10 der Magnetfeldquelle 100 gleichzeitig dessen Orientierung im Raum festgestellt werden. In dem in 1 abgebildeten Beispiel weist der geometrische Körper 10 der Magnetfeldquelle 100 beispielsweise die Form eines Quaders auf, der schräg im Raum orientiert ist.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren lassen sich also zum einen Magnetfeld-Daten und zum anderen Geometrie-Daten der Magnetfeldquelle 10 erzeugen. Die Magnetfeld-Daten sind mit dem ersten Koordinatensystem 101 verknüpft, und die Geometrie-Daten sind mit dem zweiten Koordinatensystem 102 verknüpft. Die beiden Koordinatensysteme 101, 102 können jedoch zunächst voneinander unabhängig sein. Somit kann die Lage des erfassten magnetischen Vektorfelds 11 im ersten Koordinatensystem 101 von der Lage des geometrischen Körpers 10 der Magnetfeldquelle 100 im zweiten Koordinatensystem 102 abweichen.
Um nun den geometrischen Körper 10 der Magnetfeldquelle 100 und das magnetische Vektorfeld 11 der Magnetfeldquelle 100 in eine gemeinsame Lagebeziehung zueinander zu setzen, kann eine geeignete Koordinatentransformation ausgeführt werden. Hierbei werden das erste und das zweite Koordinatensystem 101, 102 in ein gemeinsames Koordinatensystem 103 überführt. Dabei werden die Magnetfeld-Daten und die Geometrie-Daten innerhalb des gemeinsamen Koordinatensystems 103 miteinander kombiniert, sodass die Lage des geometrischen Körpers 10 der Magnetfeldquelle 100 mit der Lage des erfassten magnetischen Vektorfelds 11 übereinstimmt.
Das erfindungsgemäße Verfahren liefert somit eine vollständige Charakterisierung der Magnetfeldquelle 100 und verknüpft deren Geometrie mit deren magnetischem Vektorfeld 11, wie dies symbolisch in dem mit Bezugsziffer 14 versehenen Schaubild angedeutet ist.
Bei der Koordinatentransformation kann das erste oder das zweite Koordinatensystem 101, 102 als Referenz dienen und das gemeinsame Koordinatensystem 103 bilden. Das heißt, das erste Koordinatensystem 101 kann beispielsweise in das zweite Koordinatensystem 102 überführt werden, oder anders herum. Alternativ können das erste und das zweite Koordinatensystem 101, 102 in ein gemeinsames drittes Koordinatensystem 103 überführt werden.
2 zeigt ein schematisches Blockdiagramm des hierin beschriebenen Verfahrens gemäß einem Ausführungsbeispiel.
In Block 201 wird das von der Magnetfeldquelle 100 ausgehende magnetische Vektorfeld 11 erfasst, und zwar innerhalb des ersten Koordinatensystems 101. Basierend darauf werden entsprechende Magnetfeld-Daten erzeugt, die das magnetische Vektorfeld 11 beschreiben.
In Block 202 wird der geometrische Körper 10 der Magnetfeldquelle 100 erfasst, und zwar innerhalb des zweiten Koordinatensystems 102. Basierend darauf werden Geometrie-Daten erzeugt, die den geometrischen Körper 10 der Magnetfeldquelle 100 beschreiben.
In Block 303 werden das erste und das zweite Koordinatensystem 101, 102 mittels Koordinatentransformation in ein gemeinsames Koordinatensystem 103 überführt. Wie eingangs erwähnt, kann eines der beiden Koordinatensysteme 101, 102 als Referenz, d.h. als das gemeinsame Koordinatensystem 103, dienen. Alternativ können beide Koordinatensysteme 101, 102 in ein gemeinsames drittes Koordinatensystem 103 überführt werden. Innerhalb des gemeinsamen Koordinatensystems 103 werden dann die Magnetfeld-Daten und die Geometrie-Daten miteinander kombiniert. Somit können das magnetische Vektorfeld 11 der Magnetfeldquelle 100 und der geometrische Körper 10 der Magnetfeldquelle 100 in eine gemeinsame Lagebeziehung zueinander gesetzt werden.
Die Koordinatentransformation basiert auf Koordinatentransformations-Parametern, die die Transformation der beiden Koordinatensysteme 101, 102 in das gemeinsame Koordinatensystem 103 beschreiben. Die Koordinatentransformations-Parameter beschreiben hierbei die Drehung und/oder Skalierung und/oder Scherung des jeweiligen zu transformierenden Koordinatensystems 101, 102.
Mittels der Koordinatentransformation lassen sich geometrische Toleranzen wie Verdrehungen oder Verkippungen des Messsystems relativ zur Messfläche unabhängig voneinander magnetisch und optisch bestimmen. Das heißt, die Orientierung der Magnetfeldmessvorrichtung 12 relativ zur Magnetfeldquelle 100 sowie die Orientierung der geometrischen Messvorrichtung 13 relativ zur Magnetfeldquelle 100 können auf ein gemeinsames Koordinatensystem 103 abgebildet werden. Die Koordinatentransformations-Parameter beschreiben somit die räumliche Abweichung zwischen der Magnetfeldmessvorrichtung 12 und der geometrischen Messvorrichtung 13 relativ zur Magnetfeldquelle 100.
Zur Bestimmung der Koordinatentransformations-Parameter kann das Verfahren eine Kalibrierung vorsehen. Diese Kalibrierung kann zumindest einmalig vor dem Vermessen der eigentlichen Magnetfeldquelle 100 durchgeführt werden.
3 zeigt ein schematisches Blockschaltbild zur Beschreibung des Kalibriervorgangs, der ein Ausführungsbeispiel des hierin beschriebenen Verfahrens darstellt.
Zum Kalibrieren wird eine Referenz-Magnetfeldquelle 100' bereitgestellt. Der geometrische Körper 10' der Referenz-Magnetfeldquelle 100' kann insbesondere eine geometrische Form aufweisen, die es ermöglicht, die Referenz-Magnetfeldquelle 100' mittels der geometrischen Messvorrichtung 13 eindeutig zu erkennen und die Orientierung der des geometrischen Körpers 10' der Referenz-Magnetfeldquelle 100' innerhalb des zweiten Koordinatensystems 102 zu ermitteln.
Anders ausgedrückt beinhaltet das Verfahren also ein Erfassen des geometrischen Körpers 10' der Referenz-Magnetfeldquelle 100' und ein Bestimmen der Orientierung und/oder Position der Referenz-Magnetfeldquelle 100' innerhalb des zweiten Koordinatensystems 102 basierend auf dem erfassten geometrischen Körper 10'. Die Erfassung des geometrischen Körpers 10' kann beispielsweise unter Anwendung eines bildgebenden Verfahrens, wie beispielsweise einer kamerabasierten Bilderkennung, einem laserbasierten Abtastverfahren, einem Röntgenverfahren, einem MRT-Verfahren (MRT: Magnetresonanztomographie), oder einer Kombination hiervon durchgeführt werden. Alternativ oder zusätzlich kann die Erfassung des geometrischen Körpers 10' unter Anwendung eines taktilen Erfassungsverfahrens durchgeführt werden, wobei beispielsweise die Oberfläche des geometrischen Körpers 10' abgetastet werden kann. Basierend auf der Erfassung des geometrischen Körpers 10' kann die Lage und Form des geometrischen Körpers 10' im dreidimensionalen Raum abgeleitet werden. Selbiges gilt natürlich nicht nur für den geometrischen Körper 10' der Referenz-Magnetfeldquelle 100' sondern gleichsam auch für den geometrischen Körper 10 der zu bestimmenden Magnetfeldquelle 100.
Die in 3 beispielhaft abgebildete Referenz-Magnetfeldquelle 100' kann außerdem eine geometrische Form aufweisen, die ein charakteristisches magnetisches Vektorfeld 11' erzeugt. Dies wiederum ermöglicht es, das magnetische Vektorfeld 11' der Referenz-Magnetfeldquelle 100' mittels der Magnetfeldmessvorrichtung 12 eindeutig zu bestimmen und die Orientierung des magnetischen Vektorfelds 11' der Referenz-Magnetfeldquelle 100' innerhalb des ersten Koordinatensystems 101 zu ermitteln.
In anderen Worten beinhaltet das Verfahren also ein Erfassen eines von der Referenz-Magnetfeldquelle 100' erzeugten magnetischen Vektorfelds 11' und ein Bestimmen der Orientierung und/oder Position der Referenz-Magnetfeldquelle 100' innerhalb des ersten Koordinatensystems 101 basierend auf dem erfassten magnetischen Vektorfeld 11'.
Beispielsweise kann die Referenz-Magnetfeldquelle 100' eine Struktur aufweisen, an der die magnetischen Feldlinien einen charakteristischen Verlauf aufweisen, indem sie beispielsweise gebündelt (Maximum) oder gestreut (Minimum) werden. Die in 3 beispielhaft abgebildete Referenz-Magnetfeldquelle 100' weist einen stabförmigen geometrischen Körper 10' mit einer Spitze auf. An dieser Spitze treten die magnetischen Feldlinien gebündelt aus und werden mit zunehmendem Abstand von der Spitze immer weiter gestreut, was zu der beispielhaft abgebildeten charakteristischen Form des magnetischen Vektorfelds 11' führt. Dabei entspricht eine Bündelung der magnetischen Feldlinien einer großen Feldstärke, bzw. im Extremfall einem Feldstärkemaximum, und eine Streuung der magnetischen Feldlinien entspricht einer geringen Feldstärke, bzw. im Extremfall einem Feldstärkeminimum.
Anhand dieser charakteristischen Form des magnetischen Vektorfelds 11' kann die Orientierung der Referenz-Magnetfeldquelle 100' innerhalb des ersten Koordinatensystems 101 eindeutig bestimmt werden. Es kann also beispielsweise festgestellt werden, dass sich die Spitze des geometrischen Körpers 10' in dem Bereich befinden muss, in dem die Magnetfeldlinien gebündelt auftreten, während sich der restliche stabförmige Körper in einem Bereich befinden muss, in dem die Magnetfeldlinien gestreut werden. In anderen Worten kann also der Schritt des Bestimmens der Orientierung und/oder Position der Referenz-Magnetfeldquelle 100' innerhalb des ersten Koordinatensystems 101 basierend auf einer Erfassung der gebündelten und/oder gestreuten magnetischen Feldlinien ausgeführt werden.
Diese in 3 beispielhaft abgebildete Form einer Spitze eignet sich auch sehr gut für die optische Erfassung und die darauf basierende Bestimmung der Orientierung und/oder Position der Referenz-Magnetfeldquelle 100' innerhalb des zweiten Koordinatensystems 102.
Der geometrische Körper 10' der Referenz-Magnetfeldquelle 100' kann prinzipiell auch andere Formen als die beispielhaft genannte Spitze aufweisen. Die geometrische Form der Referenz-Magnetfeldquelle 100' sollte jedoch eine möglichst genaue Bestimmung der Orientierung und/oder Position der Referenz-Magnetfeldquelle 100' innerhalb des jeweiligen Koordinatensystems 101, 102 ermöglichen.
Beispielsweise könnte die Referenz-Magnetfeldquelle 100' einen geometrischen Körper 10' aufweisen, der mehrere ausgeprägte Magnetfeld-Minima (d.h. Streuung der Magnetfeldlinien) und/oder Magnetfeld-Maxima (d.h. Bündelung der Magnetfeldlinien) erzeugt, deren Positionen innerhalb des ersten Koordinatensystems 101 eindeutig bestimmbar sind. Dabei gilt generell, je enger die Feldlinien desto höher die Flussdichte.
Anhand einer geeigneten Wahl der Referenz-Magnetfeldquelle 100' kann also mittels dem Verfahrensschritt der Kalibrierung die Lage beziehungsweise die Orientierung und/oder Position der Referenz-Magnetfeldquelle 100' im ersten Koordinatensystem 101, das heißt bezogen auf die Magnetfeldmessvorrichtung 12, sowie im zweiten Koordinatensystem 102, das heißt bezogen auf die geometrische Messvorrichtung 13, ermittelt werden.
Basierend hierauf können nun Koordinatentransformations-Parameter P₁ , P₂ , ..., P_N für die Koordinatentransformation bestimmt werden, um das erste Koordinatensystem 101 und das zweite Koordinatensystem 102 in das gemeinsame Koordinatensystem 103 zu überführen. In anderen Worten beschreiben die Koordinatentransformations-Parameter P₁ , P₂ , ..., P_N also den geometrischen Versatz (z.B. Verdrehung, Verkippung, Verschiebung) zwischen der Magnetfeld-Messvorrichtung 12 und der geometrischen Messvorrichtung 13, jeweils relativ zur Referenz-Magnetfeldquelle 100'. Die Koordinatentransformations-Parameter P₁ , P₂ , ..., P_N können dazu verwendet werden, um ebendiesen geometrischen Versatz zu kompensieren.
Diese im Kalibrierungsschritt erzeugten Koordinatentransformations-Parameter P₁ , P₂ , ..., P_N können anschließend für das hierin beschriebene Konzept der Vermessung von beliebigen Magnetfeldquellen 100 verwendet werden. Die Koordinatentransformations-Parameter P₁ , P₂ , ..., P_N beschreiben hierbei stets exakt die nötige Transformation, um das mittels der Magnetfeldmessvorrichtung 12 bestimmbare magnetische Vektorfeld 11 einer zu vermessenden Magnetfeldquelle 100 und den mittels der geometrischen Messvorrichtung 13 bestimmbaren geometrischen Körper 10 dieser Magnetfeldquelle 100 in eine gemeinsame Lagebeziehung zueinander zu setzen.
Im Ergebnis werden also das magnetische Vektorfeld 11 und der geometrische Körper 10 der zu vermessenden Magnetfeldquelle 100 in der korrekten Ausrichtung relativ zueinander zusammengeführt.
Ein großer Vorteil hierbei ist es, dass auch nachträgliche getrennt durchgeführte Vermessungen von beliebigen Magnetfeldquellen 100 in ein gemeinsames Koordinatensystem 103 abgebildet und fusioniert werden können. Somit kann nach einmaligem „Einmessen“ des kompletten Messsystems die Lage der einzelnen Messeinheiten (d.h. Magnetfeldmessvorrichtung 12 und geometrische Messvorrichtung 13) auf weitere Messungen transferiert werden. Wie eingangs erwähnt, entspricht dieses Ausführungsbeispiel des hierin beschriebenen Verfahrens einer Kalibrierung des Messsystems hinsichtlich eines gemeinsamen Koordinatensystems 103. Bei Vermessung eines beliebigen magnetischen Objekts entspricht der resultierende Datensatz der geometrischen und magnetischen Charakterisierung der Magnetfeldquelle 100.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel kann das Erfassen des magnetischen Vektorfelds 11 zumindest in einer Raumebene innerhalb des ersten Koordinatensystems 101 ausgeführt werden. Das heißt, das magnetische Vektorfeld 11 kann zumindest zweidimensional mittels der Magnetfeldmessvorrichtung 12 gemessen werden.
Alternativ oder zusätzlich kann das magnetische Vektorfeld 11 aber auch dreidimensional vermessen werden. In anderen Worten kann also das Erfassen des magnetischen Vektorfelds 11 über ein Volumen innerhalb des ersten Koordinatensystems 101 ausgeführt werden.
Dabei kann das Erfassen des magnetischen Vektorfelds 11 über mindestens einen Oktanten eines Volumens um die Magnetfeldquelle 100 herum innerhalb des ersten Koordinatensystems 101 ausgeführt werden. Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel kann das Erfassen des magnetischen Vektorfelds 11 über alle Oktanten eines Volumens um die Magnetfeldquelle 100 herum innerhalb des ersten Koordinatensystems 101 ausgeführt werden. Selbiges gilt natürlich auch für die Referenz-Magnetfeldquelle 100'. Das Erfassen über alle acht Oktanten liefert ein sehr genaues und realistisches Ergebnis der Abbildung des magnetischen Vektorfelds 11, 11'.
Das magnetische Vektorfeld 11, 11' kann beispielsweise mittels einer beweglichen Magnetfeldsonde, und insbesondere mit einer 3D-Magnetfeldsonde, als ein nicht-limitierendes Beispiel einer Magnetfeldmessvorrichtung 12, erfasst werden. Alternativ oder zusätzlich kann das magnetische Vektorfeld 11, 11' mittels einer Magnetfeldkamera, und insbesondere mittels einer 3D-Magnetfeldkamera, als ein weiteres nicht-limitierendes Beispiel einer Magnetfeldmessvorrichtung 12, erfasst werden. Eine solche Magnetfeldkamera erzeugt eine aufgelöste Messung des Magnetfeldvektors an mehreren Stellen im dreidimensionalen Raum. Die Magnetfeldlinien des magnetischen Vektorfelds der Magnetquelle 100, beziehungsweise der Referenz-Magnetquelle 100', können damit detektiert und optional visualisiert werden.
Eine derartige Magnetfeldkamera 12 eignet sich für die Durchführung des hierin beschriebenen Verfahrens insbesondere, da alle Komponenten des Magnetfelds der Magnetfeldquelle 100, 100' mittels der Magnetfeldkamera 12 bestimmbar sind, beispielsweise auf einer Fläche eines 16 × 16 Pixel Arrays, wobei jedes Pixel den Magnetfeldvektor misst. Außerdem können mit einer hohen Mess-Geschwindigkeit dynamische Messungen ermöglicht werden, die das magnetische Vektorfeld 11, 11' sozusagen in Echtzeit messen und abbilden können.
Der geometrische Körper 10, 10' der Magnetfeldquelle 100, 100' kann gemäß einem Ausführungsbeispiel mittels einer bildgebenden Vorrichtung, als ein nicht-limitierendes Beispiel einer geometrischen Messvorrichtung 13, optisch erfasst werden. Die bildgebende Vorrichtung 13 kann beispielsweise eine Kamera, oder aber auch nur ein Bildsensor, sein. Die bildgebende Vorrichtung 13 kann mit einer Mustererkennung kombiniert werden. Die Mustererkennung ermöglicht es, den geometrischen Körper 10, 10' der Magnetfeldquelle 100, 100' zu erkennen und dessen Orientierung und/oder Position innerhalb des zweiten Koordinatensystems 102 zu bestimmen.
Alternativ oder zusätzlich kann der geometrische Körper 10, 10' der Magnetfeldquelle 100, 100' mittels einer Laserabtastung, die auch als Laser-Scanning bezeichnet wird, optisch erfasst werden. Hierfür kann ein Laserscanner, als ein nicht limitierendes Beispiel einer geometrischen Messvorrichtung 13, eingesetzt werden. Ein Laserscanner kann den geometrischen Körper 10, 10' der Magnetfeldquelle 100, 100' dreidimensional abtasten und eine dreidimensionale Abbildung beziehungsweise ein dreidimensionales Modell des abgetasteten Körpers 10, 10' erzeugen. Die dreidimensionale Abtastung liefert ein sehr genaues und realistisches Ergebnis des geometrischen Körpers 10, 10' der Magnetfeldquelle 100, 100'.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel kann die geometrische Messvorrichtung 13 eine taktile Abtastvorrichtung aufweisen. Mit einer solchen Abtastvorrichtung kann beispielsweise die Oberfläche des geometrischen Körpers 10, 10' taktil abgetastet werden. Basierend auf dieser taktilen Abtastung kann beispielsweise ein (dreidimensionales) Modell des abgetasteten geometrischen Körpers 10, 10' erstellt werden.
Mittels der geometrischen Messvorrichtung 13, egal ob optisch oder taktil, können beispielsweise die äußeren Abmessungen, zum Beispiel Länge und/oder Breite und/oder Höhe, des geometrischen Körpers 10, 10' der Magnetfeldquelle 100, 100' geometrisch erfasst werden. So kann beispielsweise bei einer dreidimensionalen Abtastung der gesamte geometrische Körper 10, 10' der Magnetfeldquelle 100, 100' im dreidimensionalen Raum, d.h. innerhalb des zweiten Koordinatensystems 102, erfasst werden. Somit kann direkt ein Rückschluss auf die Lage beziehungsweise die Orientierung und/oder Position des geometrischen Körpers 10, 10' der Magnetfeldquelle 100, 100' im dreidimensionalen Raum, d.h. innerhalb des zweiten Koordinatensystems 102, gezogen werden.
Gemäß einem weiteren denkbaren Ausführungsbeispiel können das erfasste magnetische Vektorfeld 11, 11' und der geometrisch erfasste geometrische Körper 10, 10' der Magnetfeldquelle 100, 100' visualisiert werden. Ein rein schematisch dargestelltes Beispiel hierfür ist in 4 gezeigt.
Hier wurde eine quaderförmige Magnetfeldquelle 100 mit dem hierin beschriebenen Verfahren geometrisch erfasst und visualisiert. Hierbei wurde der geometrische Körper 10 der Magnetfeldquelle 100 geometrisch erfasst, beispielsweise optisch mittels einer Laserabtastung, und das magnetische Vektorfeld 11 wurde mittels einer ortsaufgelösten Messung des Magnetfeldvektors an mehreren Stellen im Raum erfasst.
Mittels einer geeigneten Koordinatentransformation, deren Transformationsparameter in einem vorangegangenen Schritt einer Kalibrierung ermittelt wurden, wurden der erfasste geometrische Körper 10 und das erfasste magnetische Vektorfeld 11 in ein gemeinsames Koordinatensystem 103 transformiert. Innerhalb dieses gemeinsamen Koordinatensystems 103 können der erfasste geometrische Körper 10 und das erfasste magnetische Vektorfeld 11 visualisiert werden.
Die in 4 abgebildeten gestrichelten Linien stellen den geometrisch erfassten geometrischen Körper 10 der Magnetfeldquelle 100 dar. Die durchgezogenen Linien stellen hingegen die Soll-Geometrie (z.B. laut Datenblatt) des geometrischen Körpers 10 der Magnetfeldquelle 100 dar. Auch diese Soll-Geometrie kann in dem gemeinsamen Koordinatensystem 103 visualisiert werden.
Mit Hilfe des hierin beschriebenen Verfahrens können Sollwert-Istwert-Abweichungen in der Geometrie des geometrischen Körpers 10 der Magnetfeldquelle 100 bestimmt werden. Außerdem kann die tatsächliche Lage des magnetischen Vektorfelds 11 relativ zum geometrischen Körper 10 der Magnetfeldquelle 100 bestimmt werden. Mit dieser Kenntnis können beispielsweise fehlerhafte Magnetisierungen der realen Magnetfeldquelle 100 detektiert werden.
5 zeigt ein weiteres Beispiel des hierin beschriebenen Verfahrens, wobei eine Toroid-Spule als zu vermessende Magnetfeldquelle 100 dient.
Das magnetische Vektorfeld 11 der Toroid-Spule 100 kann beispielsweise mittels einer Magnetfeldkamera 12 vorzugsweise dreidimensional innerhalb des ersten Koordinatensystems 101 erfasst werden. Die Visualisierung des erfassten magnetischen Vektorfelds 11 kann dann ebenfalls dreidimensional innerhalb des ersten Koordinatensystems 101 erfolgen.
Der geometrische Körper 10 der Toroid-Spule 100 wird geometrisch erfasst und kann beispielsweise mittels einer Kamera oder eines Laserscanners optisch erfasst werden. Die Erfassung mittels Laserscanner bietet sich an, da hiermit ein Modell des abgetasteten geometrischen Körpers 10 der Toroid-Spule 100 erzeugt werden kann. Hierbei handelt es sich vorzugsweise um ein dreidimensionales Modell. Dieses Modell kann dann, wie in 5 schematisch anhand der abgebildeten Toroid-Spule 10 angedeutet, visualisiert werden. Das Modell wird hierbei innerhalb des zweiten Koordinatensystems 102 erzeugt.
Basierend auf den Koordinatentransformations-Parametern P₁ , P₂ , ..., P_N , die mittels einer einmaligen vorhergehenden Kalibrierung ermittelt werden können, kann die Koordinatentransformation ausgeführt werden, um das erste und das zweite Koordinatensystem 101, 102 in ein gemeinsames Koordinatensystem 103 zu überführen. Hierbei können der geometrisch erfasste geometrische Körper 10 sowie das magnetische Vektorfeld 11 gemeinsam visualisiert und visuell einander überlagert werden. Dies kann beispielsweise in einer geeigneten Datenverarbeitungseinrichtung 14 erfolgen.
Das hierin beschriebene Verfahren bietet somit eine Möglichkeit, um ein beliebiges magnetisches Objekt zu charakterisieren, indem der geometrische Körper 10 der jeweiligen Magnetfeldquelle 100 und dessen erzeugtes magnetisches Vektorfeld 11 kongruent miteinander in eine gemeinsame Lagebeziehung (gemeinsames Koordinatensystem 103) gesetzt werden können.
Alles was hierin beispielhaft anhand einer dreidimensionalen Charakterisierung beschrieben wurde, gilt gleichfalls auch für zweidimensionale Charakterisierungen von Magnetfeldquellen unter Anwendung des hierin beschriebenen Verfahrens.
Nachfolgend soll die Erfindung nochmals in anderen Worten zusammengefasst werden:
Das hierin beschriebene Verfahren erlaubt eine vollständige Messung und Charakterisierung von Magnetfeld 11 und Geometrie 10 eines Gebers (Magnetfeldquelle) 100. Diese vollständige geometrisch-magnetische Charakterisierung erlaubt eine Bestimmung der Lagebeziehung zwischen dem erfassten magnetischen Vektorfeld 11 und der optisch erfassten Geometrie 10 und/oder Orientierung der Magnetfeldquelle 100 im dreidimensionalen Raum. Somit kann das magnetische Vektorfeld 11 relativ zur Geometrie, d.h. zum geometrischen Körper 10, der Magnetfeldquelle 100 ausgerichtet werden.
Das hierin beschriebene Verfahren beinhaltet eine Kombination der physikalisch getrennten Messverfahren und -abläufe von geometrischer und magnetischer Vermessung einer Magnetfeldquelle 100. Diese beiden getrennten Messungen sind beispielsweise: Zum ersten eine geeignete Geometrie-Messung, durch welche sich sowohl die geometrischen Abmessungen und die dreidimensionale Form 10 des Gebers 100 als auch dessen Orientierung im dreidimensionalen Raum messen lassen. Zum zweiten eine Vermessung des magnetischen Vektorfelds 11 mit einer bewegten Magnetfeldsonde oder mit einer sogenannten Magnetfeldkamera.
Das Magnetfeld 11 kann hierbei vektoriell mindestens innerhalb einer Ebene oder über ein Volumen bestimmt werden. Mittels einer Ausweitung dieser Charakterisierung auf alle Seiten der Magnetfeldquelle 100 bzw. alle Oktanten des Volumens um die Magnetfeldquelle 100 herum lässt sich eine vollständige Charakterisierung des magnetischen Gebers 100 realisieren.
Das Problem bei getrennt durchgeführten Messungen ist jedoch, dass die Lagebeziehung der Einzelmessungen nur durch die mechanische Präzision des Gesamtsystems bestimmbar ist. Mit dem hierin beschriebenen Verfahren wird es nun ermöglicht, die beiden getrennt durchgeführten Messverfahren unabhängig von der mechanischen Präzision des Gesamtsystems eindeutig in einem gemeinsamen Bezugssystem 103 abzubilden bzw. zusammenzuführen.
Mittels einer sowohl geometrischen als auch magnetischen Bestimmung der Lage eines gemeinsamen Messobjekts (Magnetfeldquelle) 100 lassen sich die sonst getrennten Koordinatensysteme 101, 102 von magnetischer und geometrischer Erfassung-Einheit ineinander überführen, wodurch die eindeutige Fusion beider Messergebnisse ermöglicht werden kann.
Eine vorteilhafte Ausführungsform sieht vor, dass für die gemeinsame Referenzierung der beiden getrennt durchgeführten Messungen ein geeignetes Referenz-Messobjekt (Referenz-Magnetfeldquelle) 100' verwendet wird, dessen Position und Orientierung im dreidimensionalen Raum sowohl magnetisch als auch geometrisch hochgenau messbar ist. Ein solches Referenz-Objekt (Referenz-Magnetfeldquelle) 100' ist daher entweder selbst magnetisch oder in geeigneter Weise aufmagnetisiert und hat im Idealfall mehrere ausgeprägte magnetische Maxima oder Minima, deren Positionen magnetisch eindeutig bestimmbar sind und durch Wahl einer geeigneten Geometrie 10' auch geometrisch (z.B. optisch oder taktil) eindeutig messbar sind.
Ein solches Referenz-Objekt (Referenz-Magnetfeldquelle) 100' kann beispielsweise eine magnetische Spitze sein, bei der die magnetischen Feldlinien 11 aufgrund der Geometrie 10 der Spitze 100 auf geeignete Weise gebündelt werden, wodurch die Position der Spitze 100 sowohl magnetisch als auch geometrisch, z.B. optisch, bestimmt werden kann.
Bei Verwendung mehrerer solcher Referenz-Messobjekte (Referenz-Magnetfeldquellen) 100' lassen sich deren Positionen an mehreren Punkten bestimmen, wodurch die Lagebeziehung der jeweiligen Messsysteme zueinander für sämtliche Freiheitsgrade bestimmt werden kann. Somit lassen sich geometrische Toleranzen wie Verdrehungen oder Verkippungen des Messsystems relativ zur Messfläche unabhängig voneinander magnetisch und geometrisch bestimmen. Durch Abbildung dieser Referenz-Messobjekte (Referenz-Magnetfeldquellen) 100' in beiden Einheiten kann nun ein gemeinsamer Ursprung der Koordinatensysteme 101, 102 herausgefunden und die Lagebeziehung zueinander festgestellt werden.
Ein großer Vorteil dieses Verfahrens ist nun, dass auch nachträgliche getrennt durchgeführte Vermessungen von beliebigen Objekten (Magnetfeldquellen) 100 in ein gemeinsames Koordinatensystem 103 abgebildet und fusioniert werden können. Somit kann nach einmaligem „Einmessen“ des Messsystems die Lage der Messeinheiten auf weitere Messungen transferiert werden. Im Grunde entspricht dieses Verfahren einer zusätzlichen Kalibrierung des Messsystems hinsichtlich eines gemeinsamen Koordinatensystems 103. Bei Vermessung eines beliebigen magnetischen Objekts (Magnetfeldquelle) 100 entspricht der resultierende Datensatz der geometrischen und magnetischen Charakterisierung der Magnetfeldquelle 100. Mittels einer Ausweitung dieser Charakterisierung auf alle Seiten der Quelle 100 bzw. alle Oktanten des Volumens um die Quelle 100 herum lässt sich eine vollständige Charakterisierung des magnetischen Gebers 100 realisieren.
Eine vollständige Messung und Charakterisierung von Magnetfeld 11, sowie Lage und Geometrie der Magnetfeldquelle 100 ermöglicht es bereits vor dem Einbau in das Gesamtsystem, eine spätere Funktionsfähigkeit dessen zu gewährleisten. Alle Fehler, die durch Fertigungstoleranzen des Gebers 100 verursacht werden, sind dadurch bereits im Vorfeld bekannt, wodurch eine frühzeitige Qualitätskontrolle möglich ist. Diese erlaubt eine Klassifizierung und Selektion von Magneten und Spulen (Magnetfeldquellen) 100 und macht zudem ein späteres Einmessen des Systems unnötig, da das exakte Vektorfeld 11 relativ zur Geometrie 10 bekannt ist. Mechanische Fertigungstoleranzen, die das System aufweist oder welche beim Einbau auftreten können, können somit eindeutig von denen des magnetischen Gebers (Magnetfeldquelle) 100 getrennt werden. Diesbezüglich sieht das hierin beschriebene Verfahren vor, dass die magnetischen Geber (Magnetfeldquellen) 100 sowohl geometrisch als auch magnetisch vermessen werden können.
Durch eine Vorselektion von Magnetkomponenten kann somit der Ausschuss bei der Fertigung von magnetischen Systemen beträchtlich reduziert werden, wodurch sich wiederum die Fertigungskosten verringern. Mögliche Kostensenkungen lassen sich im gesamten Fertigungsprozess erreichen und können auch bei weiteren Komponenten des Gesamtsystems erreicht werden. Ein möglicherweise aufwendiger Tausch der Magnetkomponenten entfällt und steigert die Effizienz. Gleichzeitig kann eine erhöhte Qualität durch eng tolerierte Magnetkomponenten erzielt werden. Bei Sensorsystemen können Korrekturfaktoren ohne aufwändige Gesamtsystemprüfungen ermittelt werden. Des Weiteren ist eine Verbesserung der Qualität durch eng tolerierte Bauteile möglich.
Die Anwendung des hierin beschriebenen Verfahrens sieht vor, dass zu einer Magnetkomponente 100 gehörige Daten bereitgestellt werden, die magnetische und geometrische Komponenten enthalten. Das heißt, sobald zu einem magnetischen Geber 100 gemessene Daten bereitgestellt werden, die magnetische und geometrische Komponenten enthalten, wurde das hierin beschriebene Verfahren der Referenzierung von geometrischer und magnetischer Vermessung angewendet.
Alternativ wäre eine Bereitstellung anderer Charakterisierungsparameter möglich, beispielsweise durch die mathematische Beschreibung einer Magnetfeldquelle 100. Auf diese Weise lassen sich real gemessene Werte mit allen erfassten Nichtidealitäten allerdings etwas schwerer mathematisch abbilden und mit der Realität in Einklang bringen.
Anwendungen sind auf allen typischen Gebieten des Maschinenbaus und der Werkstofftechnik denkbar, bei denen magnetische Komponenten verbaut werden. Hierzu zählen beispielsweise klassische Anwendungen, bei denen Magnete verbaut werden, wie zum Beispiel Generatoren und Elektromotoren. Ebenso ist ein Einsatz im Maschinenbau bei der Herstellung von magnetischen Gebern (Magnetfeldquellen) denkbar sowie die Steuerung und Überwachung des Fertigungsprozesses von magnetischen Werkstoffen.
Darüber hinaus sind zahlreiche Anwendungen der Magnetfeld-Sensorik denkbar. Zum Beispiel Positionssensorik (Linearsensorik, Winkelsensorik), Stromsensorik, Inertialsensorik oder auch Kraftsensorik.
Obwohl manche Aspekte im Zusammenhang mit einer Vorrichtung beschrieben wurden, versteht es sich, dass diese Aspekte auch eine Beschreibung des entsprechenden Verfahrens darstellen, sodass ein Block oder ein Bauelement einer Vorrichtung auch als ein entsprechender Verfahrensschritt oder als ein Merkmal eines Verfahrensschrittes zu verstehen ist. Analog dazu stellen Aspekte, die im Zusammenhang mit einem oder als ein Verfahrensschritt beschrieben wurden, auch eine Beschreibung eines entsprechenden Blocks oder Details oder Merkmals einer entsprechenden Vorrichtung dar.
Einige oder alle der Verfahrensschritte können durch einen Hardware-Apparat (oder unter Verwendung eines Hardware-Apparats), wie zum Beispiel einen Mikroprozessor, einen programmierbaren Computer oder einer elektronischen Schaltung durchgeführt werden. Bei einigen Ausführungsbeispielen können einige oder mehrere der wichtigsten Verfahrensschritte durch einen solchen Apparat ausgeführt werden.
Je nach bestimmten Implementierungsanforderungen können Ausführungsbeispiele der Erfindung in Hardware oder in Software oder zumindest teilweise in Hardware oder zumindest teilweise in Software implementiert sein. Die Implementierung kann unter Verwendung eines digitalen Speichermediums, beispielsweise einer Floppy-Disk, einer DVD, einer BluRay Disc, einer CD, eines ROM, eines PROM, eines EPROM, eines EEPROM oder eines FLASH-Speichers, einer Festplatte oder eines anderen magnetischen oder optischen Speichers durchgeführt werden, auf dem elektronisch lesbare Steuersignale gespeichert sind, die mit einem programmierbaren Computersystem derart zusammenwirken können oder zusammenwirken, dass das jeweilige Verfahren durchgeführt wird. Deshalb kann das digitale Speichermedium computerlesbar sein.
Manche Ausführungsbeispiele gemäß der Erfindung umfassen also einen Datenträger, der elektronisch lesbare Steuersignale aufweist, die in der Lage sind, mit einem programmierbaren Computersystem derart zusammenzuwirken, dass eines der hierin beschriebenen Verfahren durchgeführt wird.
Allgemein können Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung als Computerprogrammprodukt mit einem Programmcode implementiert sein, wobei der Programmcode dahin gehend wirksam ist, eines der Verfahren durchzuführen, wenn das Computerprogrammprodukt auf einem Computer abläuft.
Der Programmcode kann beispielsweise auch auf einem maschinenlesbaren Träger gespeichert sein.
Andere Ausführungsbeispiele umfassen das Computerprogramm zum Durchführen eines der hierin beschriebenen Verfahren, wobei das Computerprogramm auf einem maschinen-lesbaren Träger gespeichert ist. Mit anderen Worten ist ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens somit ein Computerprogramm, das einen Programmcode zum Durchführen eines der hierin beschriebenen Verfahren aufweist, wenn das Computerprogramm auf einem Computer abläuft.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Verfahren ist somit ein Datenträger (oder ein digitales Speichermedium oder ein computerlesbares Medium), auf dem das Computerprogramm zum Durchführen eines der hierin beschriebenen Verfahren aufgezeichnet ist. Der Datenträger oder das digitale Speichermedium oder das computerlesbare Medium sind typischerweise greifbar und/oder nicht flüchtig.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens ist somit ein Datenstrom oder eine Sequenz von Signalen, der bzw. die das Computerprogramm zum Durchführen eines der hierin beschriebenen Verfahren darstellt bzw. darstellen. Der Datenstrom oder die Sequenz von Signalen kann bzw. können beispielsweise dahin gehend konfiguriert sein, über eine Datenkommunikationsverbindung, beispielsweise über das Internet, transferiert zu werden.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel umfasst eine Verarbeitungseinrichtung, beispielsweise einen Computer oder ein programmierbares Logikbauelement, die dahin gehend konfiguriert oder angepasst ist, eines der hierin beschriebenen Verfahren durchzuführen.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel umfasst einen Computer, auf dem das Computerprogramm zum Durchführen eines der hierin beschriebenen Verfahren installiert ist.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung umfasst eine Vorrichtung oder ein System, die bzw. das ausgelegt ist, um ein Computerprogramm zur Durchführung zumindest eines der hierin beschriebenen Verfahren zu einem Empfänger zu übertragen. Die Übertragung kann beispielsweise elektronisch oder optisch erfolgen. Der Empfänger kann beispielsweise ein Computer, ein Mobilgerät, ein Speichergerät oder eine ähnliche Vorrichtung sein. Die Vorrichtung oder das System kann beispielsweise einen Datei-Server zur Übertragung des Computerprogramms zu dem Empfänger umfassen.
Bei manchen Ausführungsbeispielen kann ein programmierbares Logikbauelement (beispielsweise ein feldprogrammierbares Gatterarray, ein FPGA) dazu verwendet werden, manche oder alle Funktionalitäten der hierin beschriebenen Verfahren durchzuführen. Bei manchen Ausführungsbeispielen kann ein feldprogrammierbares Gatterarray mit einem Mikroprozessor zusammenwirken, um eines der hierin beschriebenen Verfahren durchzuführen. Allgemein werden die Verfahren bei einigen Ausführungsbeispielen seitens einer beliebigen Hardwarevorrichtung durchgeführt. Diese kann eine universell einsetzbare Hardware wie ein Computerprozessor (CPU) sein oder für das Verfahren spezifische Hardware, wie beispielsweise ein ASIC.
Die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele stellen lediglich eine Veranschaulichung der Prinzipien der vorliegenden Erfindung dar. Es versteht sich, dass Modifikationen und Variationen der hierin beschriebenen Anordnungen und Einzelheiten anderen Fachleuten einleuchten werden. Deshalb ist beabsichtigt, dass die Erfindung lediglich durch den Schutzumfang der nachstehenden Patentansprüche und nicht durch die spezifischen Einzelheiten, die anhand der Beschreibung und der Erläuterung der Ausführungsbeispiele hierin präsentiert wurden, beschränkt sei.

Claims

Verfahren zum Überprüfen einer Magnetfeldquelle (100), wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: Erfassen des von der Magnetfeldquelle (100) ausgehenden magnetischen Vektorfelds (11) in einem ersten Koordinatensystem (101) und Erzeugen von Magnetfeld-Daten, Erfassen des geometrischen Körpers (10) der Magnetfeldquelle (100) in einem zweiten Koordinatensystem (102) und Erzeugen von Geometrie-Daten, Überführen des ersten und des zweiten Koordinatensystems (101, 102) in ein gemeinsames Koordinatensystem (103) mittels Koordinatentransformation und Kombinieren der Magnetfeld-Daten und der Geometrie-Daten innerhalb des gemeinsamen Koordinatensystems (103), um das magnetische Vektorfeld (11) der Magnetfeldquelle (100) und den geometrischen Körper (10) der Magnetfeldquelle (100) in eine gemeinsame Lagebeziehung zueinander zu setzen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei vor der Ausführung des Verfahrens zumindest einmalig die folgenden Schritte ausgeführt werden: Bereitstellen einer Referenz-Magnetfeldquelle (100'), Erfassen eines von der Referenz-Magnetfeldquelle (100') erzeugten magnetischen Vektorfelds (11') und Bestimmen der Orientierung und/oder Position der Referenz-Magnetfeldquelle (100') innerhalb des ersten Koordinatensystems (101) basierend auf dem erfassten magnetischen Vektorfeld (11'), Erfassen des geometrischen Körpers (10') der Referenz-Magnetfeldquelle (100') und Bestimmen der Orientierung und/oder Position der Referenz-Magnetfeldquelle (100') innerhalb des zweiten Koordinatensystems (102) basierend auf dem erfassten geometrischen Körper (10'), Ermitteln von Koordinatentransformations-Parametern für die Koordinatentransformation zum Überführen des ersten Koordinatensystems (101) und des zweiten Koordinatensystems (102) in das gemeinsame Koordinatensystem (103) basierend auf dem Bestimmen der Orientierung und/oder Position der Referenz-Magnetfeldquelle (100').
Verfahren nach Anspruch 2, wobei die Referenz-Magnetfeldquelle (100') mehrere ausgeprägte Magnetfeld-Minima und/oder Magnetfeld-Maxima aufweist, deren Positionen innerhalb des ersten Koordinatensystems (101) eindeutig bestimmbar sind, und wobei der Schritt des Bestimmens der Orientierung und/oder Position der Referenz-Magnetfeldquelle (100') innerhalb des ersten Koordinatensystems (101) basierend auf einer Erfassung von mindestens einem der mehreren ausgeprägten Magnetfeld-Minima und/oder Magnetfeld-Maxima ausgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, wobei die Referenz-Magnetfeldquelle (100') einen geometrischen Körper (10') aufweist, an der magnetische Feldlinien des magnetischen Vektorfelds (11') gebündelt und/oder gestreut werden, und wobei der Schritt des Bestimmens der Orientierung und/oder Position der Referenz-Magnetfeldquelle (100') innerhalb des ersten Koordinatensystems (101) basierend auf einer Erfassung der gebündelten und/oder gestreuten magnetischen Feldlinien ausgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Erfassen des magnetischen Vektorfelds (11, 11') mittels einer beweglichen Magnetfeldsonde ausgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Erfassen des magnetischen Vektorfelds (11, 11') mittels einer Magnetfeldkamera ausgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Erfassen des magnetischen Vektorfelds (11, 11') in mindestens einer Raumebene innerhalb des ersten Koordinatensystems (101) ausgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Erfassen des magnetischen Vektorfelds (11, 11') über ein Volumen innerhalb des ersten Koordinatensystems (101) ausgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei das Erfassen des magnetischen Vektorfelds (11, 11') über mindestens einen Oktanten eines Volumens um die Magnetfeldquelle (100) und/oder um die Referenz-Magnetfeldquelle (100') herum innerhalb des ersten Koordinatensystems (101) ausgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei das Erfassen des magnetischen Vektorfelds (11, 11') über alle Oktanten eines Volumens um die Magnetfeldquelle (100) und/oder um die Referenz-Magnetfeldquelle (100') herum innerhalb des ersten Koordinatensystems (101) ausgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Erfassen des geometrischen Körpers (10, 10') ein Erfassen der äußeren Abmessungen des geometrischen Körpers (10, 10') und/oder ein Erfassen der Position des geometrischen Körpers (10, 10') innerhalb des zweiten Koordinatensystems (102) und/oder ein Erfassen der Lage des geometrischen Körpers (10, 10') innerhalb des zweiten Koordinatensystems (102) beinhaltet.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Erfassen des geometrischen Körpers (10, 10') ein optisches Erfassen mittels eines bildgebenden Verfahrens oder ein taktiles Erfassen mittels einer Abtastvorrichtung zum Ertasten einer Außenkontur des geometrischen Körpers (10, 10') aufweist.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei das optische Erfassen des geometrischen Körpers (10, 10') mittels einer Laserabtastung ausgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, wobei das optische Erfassen des geometrischen Körpers (10, 10') mittels einer bildgebenden Vorrichtung und einer Mustererkennung ausgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Erfassen des magnetischen Vektorfelds (11, 11') mittels einer Magnetfeldkamera ausgeführt wird und das erfasste magnetische Vektorfeld (11, 11') visualisiert wird, wobei das Erfassen des geometrischen Körpers (10, 10') mittels einer Laserabtastung ausgeführt wird und der erfasste geometrische Körper (10, 10') visualisiert wird, und wobei das visualisierte magnetische Vektorfeld (11, 11') und der visualisierte geometrische Körper (10, 10') mittels der Koordinatentransformation in eine gemeinsame Lagebeziehung zueinander gesetzt und gemeinsam visualisiert werden.
Computerprogramm mit einem Programmcode zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wenn das Programm auf einem Computer abläuft.
Vorrichtung zum Überprüfen einer Magnetfeldquelle (100), wobei die Vorrichtung aufweist: eine Magnetfeldmessvorrichtung (12) zum Erfassen des von der Magnetfeldquelle (100) ausgehenden magnetischen Vektorfelds (11) in einem ersten Koordinatensystem (101) und zum Erzeugen von Magnetfeld-Daten, eine Vorrichtung (13) zum Erfassen des geometrischen Körpers (10) der Magnetfeldquelle (100) in einem zweiten Koordinatensystem (102) und zum Erzeugen von Geometrie-Daten, und eine Datenverarbeitungseinrichtung (14) zum Überführen des ersten und des zweiten Koordinatensystems (101, 102) in ein gemeinsames Koordinatensystem (103) mittels Koordinatentransformation und zum Kombinieren der Magnetfeld-Daten und der Geometrie-Daten innerhalb des gemeinsamen Koordinatensystems (103), um das magnetische Vektorfeld (11) der Magnetfeldquelle (100) und den geometrischen Körper (10) der Magnetfeldquelle (100) in eine gemeinsame Lagebeziehung zueinander zu setzen.