DE102022122599B3 - Method for detecting a position of a target using a linear magnetic position sensor - Google Patents

Method for detecting a position of a target using a linear magnetic position sensor Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erfassung einer Position (x) eines Ziels (T) mittels eines linearen magnetischen Positionssensors mit zumindest zwei Sensorelementen (E1, E2), die eingerichtet sind, einen Magnetfeldvektor des Ziels (T) zu messen. Es wird ein Messen des Magnetfeldvektors des Ziels (T) durch zumindest ein Sensorelement (E1, E2) durchgeführt. Aus dem Magnetfeldvektor wird eine Tangens-Funktion des halben Vektorwinkels berechnet. Schließlich wird die Position des Ziels (T) mittels einer linearen Funktion aus der Tangens-Funktion des halben Vektorwinkels und der Position (x1, x2) des zumindest einen Sensorelements (E1, E2) ermittelt.The invention relates to a method for detecting a position (x) of a target (T) using a linear magnetic position sensor with at least two sensor elements (E1, E2) which are set up to measure a magnetic field vector of the target (T). The magnetic field vector of the target (T) is measured by at least one sensor element (E1, E2). A tangent function of half the vector angle is calculated from the magnetic field vector. Finally, the position of the target (T) is determined using a linear function from the tangent function of half the vector angle and the position (x1, x2) of the at least one sensor element (E1, E2).

Description

Die vorliegende Erfindung liegt im Gebiet der magnetischen Positionssensoren, welche die Position eines Ziels durch Messung eines Magnetfeldvektors des Ziels erfassen. Das Ziel ist entweder selbst magnetisch oder es ist ein Magnetfeldgeber an dem Ziel angeordnet. Lineare magnetische Positionssensoren weisen typischerweise mehrere Sensorelemente auf, die entlang einer Geraden parallel zur Bewegungsrichtung des Ziels und im gleichen Abstand zueinander angeordnet sind. Die Sensorelemente messen den Magnetfeldvektor - also den Vektor der magnetischen Flussdichte - des Ziels.The present invention lies in the field of magnetic position sensors, which detect the position of a target by measuring a magnetic field vector of the target. The target is either magnetic itself or a magnetic field transmitter is arranged on the target. Linear magnetic position sensors typically have several sensor elements that are arranged along a straight line parallel to the direction of movement of the target and at the same distance from one another. The sensor elements measure the magnetic field vector - i.e. the magnetic flux density vector - of the target.

Stand der TechnikState of the art

Herkömmlicherweise wird zur Erfassung der Position des Ziels der Vektorwinkel des Ziels - also der Winkel zwischen dem Ortsvektor des Ziels und dem Richtungsvektor der Geraden, in der die Sensorelemente angeordnet sind, (daher dem Richtungsvektor zwischen zwei benachbarten Sensorelementen) - berechnet. Hierfür wird typischerweise die „arctan2“-Funktion der axialen Komponente des Magnetfeldvektors - also der Komponente des Vektors der magnetischen Flussdichte, die in Richtung der Geraden der Sensorelemente zeigt - und der radialen Komponente des Magnetfeldvektors - also der Komponente des Vektors der magnetischen Flussdichte senkrecht zur axialen Komponente - verwendet.Conventionally, to detect the position of the target, the vector angle of the target - i.e. the angle between the location vector of the target and the direction vector of the straight line in which the sensor elements are arranged (hence the direction vector between two adjacent sensor elements) - is calculated. For this purpose, the “arctan2” function of the axial component of the magnetic field vector - i.e. the component of the magnetic flux density vector that points in the direction of the straight line of the sensor elements - and the radial component of the magnetic field vector - i.e. the component of the magnetic flux density vector perpendicular to the axial component - used.

Die genaue Bestimmung der Position ist allerdings aufgrund des Verlaufs der arctan2-Funktion erschwert. Es sind Ansätze zur Erfassung der Position bekannt, die nur relativ lineare Teile des asymmetrischen Magnetfeldvektors oder der arctan2-Funktion verwenden. Durch die ungenaue Bestimmung der Position ist der lineare magnetische Positionssensor hinsichtlich des Erfassungsbereichs und der Mindestanzahl der Sensorelemente pro Längeneinheit beschränkt.However, the precise determination of the position is difficult due to the course of the arctan2 function. There are known approaches to detecting the position that only use relatively linear parts of the asymmetric magnetic field vector or the arctan2 function. Due to the inaccurate determination of the position, the linear magnetic position sensor is limited in terms of the detection range and the minimum number of sensor elements per unit length.

Die DE 10 2020 134 217 A1 offenbart eine kleine Sensorvorrichtung, deren Abmessung etwa ihrem Messbereich entspricht. Sie weist eine Spulenanordnung und eine Sensorelektronik auf. Die Spulenanordnung ist eine planare Erregerspule, mittels der ein wechselndes Magnetfeld zum Induzieren von Wirbelströmen und/oder einer magnetische Polarisierung in einem Ziel erzeugbar ist. Eine erste planare Empfangsspule ist parallel zur und überlappend mit der Erregerspule angeordnet, wobei die Erregerspule und die erste Empfangsspule parallel zur Stirnfläche der Sensorvorrichtung angeordnet sind. Die Sensorelektronik ist eingerichtet ist, einen Parameter eines elektrischen Signals der Erregerspule, das aufgrund eines Rückeffekts des Objekts änderbar ist, und einen Parameter einer aufgrund des Rückeffekt des Objekts in der ersten Empfangsspule induzierbaren Spannung zu ermitteln und aus dem ermittelten Parameter des induzierbaren elektrischen Signals der Erregerspule und dem ermittelten zumindest einen Parameter der induzierbaren Spannung der ersten Empfangsspule die longitudinale Position des Ziels zu bestimmen.The DE 10 2020 134 217 A1 discloses a small sensor device whose dimensions approximately correspond to its measuring range. It has a coil arrangement and sensor electronics. The coil arrangement is a planar excitation coil, by means of which a changing magnetic field can be generated to induce eddy currents and/or magnetic polarization in a target. A first planar reception coil is arranged parallel to and overlapping with the excitation coil, the excitation coil and the first reception coil being arranged parallel to the end face of the sensor device. The sensor electronics is set up to determine a parameter of an electrical signal of the excitation coil, which can be changed due to a feedback effect of the object, and a parameter of a voltage that can be induced in the first receiving coil due to the feedback effect of the object, and from the determined parameter of the inducible electrical signal Excitation coil and the determined at least one parameter of the inducible voltage of the first receiving coil to determine the longitudinal position of the target.

Die DE 10 2016 102 978 A1 beschreibt einen magnetischen Positionssensor mit einem permanentmagnetischen Material, das sich entlang eines Pfads erstreckt. Ein erster Winkelmagnetfeldsensor ist eingerichtet, um ein erstes Signal auszugeben. Er ist beabstandet zu dem Material angeordnet. Ein zweiter Winkelmagnetfeldsensor ist eingerichtet, um ein zweites Signal auszugeben. Er ist beabstandet zu dem Material und zum ersten Winkelmagnetfeldsensor angeordnet. Eine Auswerteeinheit ist eingerichtet, um basierend auf den Signalen eine Relativpositionierung der Winkelmagnetfeldsensoren gegenüber dem Material parallel zu dem Pfad zu bestimmen. Die Magnetisierung des Materials weist eine Periodenlänge auf, die entlang des Pfads variiert.The DE 10 2016 102 978 A1 describes a magnetic position sensor with a permanent magnetic material that extends along a path. A first angle magnetic field sensor is set up to output a first signal. It is arranged at a distance from the material. A second angle magnetic field sensor is set up to output a second signal. It is arranged at a distance from the material and from the first angle magnetic field sensor. An evaluation unit is set up to determine a relative positioning of the angle magnetic field sensors relative to the material parallel to the path based on the signals. The magnetization of the material has a period length that varies along the path.

Die DE 10 2018 203 884 A1 zeigt eine Positionsbestimmungseinrichtung, umfassend einen entlang eines Verschiebewegs verschiebbaren Verschiebekörper mit einer Magnetanordnung und eine Sensoranordnung, die eine Mehrzahl von Magnetfeldsensoren umfasst, die entlang des Verschiebewegs angeordnet sind und zur Erfassung des von der Magnetanordnung bereitgestellten Magnetfelds dienen. Die Positionsbestimmungseinrichtung ist dazu geeignet, mit jedem Magnetfeldsensor einen jeweiligen Messwert bereitzustellen. Die Positionsbestimmungseinrichtung ist ausgebildet ist, auf Basis eines bereitgestellten Messwerts und eines Sensorparameters einen Positionswert bereitzustellen, der eine Position des Verschiebekörpers anzeigt, und eine Kalibrierungsprozedur zur automatischen Bestimmung des Sensorparameters durchzuführen.The DE 10 2018 203 884 A1 shows a position determination device comprising a displacement body which can be displaced along a displacement path and has a magnet arrangement and a sensor arrangement which comprises a plurality of magnetic field sensors which are arranged along the displacement path and are used to detect the magnetic field provided by the magnet arrangement. The position determination device is suitable for providing a respective measured value with each magnetic field sensor. The position determination device is designed to provide a position value that indicates a position of the displacement body based on a provided measured value and a sensor parameter and to carry out a calibration procedure for automatically determining the sensor parameter.

Die DE 10 2016 124 952 A1 offenbart ein magnetisches Winkelerfassungssystem zum Detektieren eines Drehwinkels einer um eine Drehachse drehbaren Magnetfeldquelle. Mehrere Magnetfelderfassungselemente befinden sich in/auf einer Ebene befinden und sind nicht auf einer einzelnen Geraden durch die Drehachse angeordnet. Sie stellen Ausgangssignale bereit, die Funktionen derselben Magnetfeldkomponente sind, die parallel zu der Drehachse angeordnet ist. Eine Verarbeitungseinheit ist angeordnet, den Drehwinkel aus einem Winkel zwischen einem Zeiger und einer Referenzrichtung zu bestimmen. Der Zeiger wird basierend auf den Ausgangssignalen bestimmt.The DE 10 2016 124 952 A1 discloses a magnetic angle detection system for detecting a rotation angle of a magnetic field source rotatable about an axis of rotation. Several magnetic field detection elements are located in/on one plane and are not arranged on a single straight line through the axis of rotation. They provide output signals that are functions of the same magnetic field component located parallel to the axis of rotation. A processing unit is arranged to determine the angle of rotation from an angle between a pointer and a reference direction. The pointer is determined based on the output signals.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Erfassung der Position zu verbessern und die Genauigkeit der Positionsbestimmung zu erhöhen.It is the object of the present invention to improve the detection of the position and to increase the accuracy of the position determination.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Die Erfindung betrifft ein Verfahren mit den folgenden Schritten:

  • Ein Magnetfeldvektor des Ziels, dessen Position erfasst werden soll, wird durch zumindest ein Sensorelement des linearen magnetischen Positionssensors gemessen. Insbesondere misst jedes Sensorelement jeweils den Magnetfeldvektor des Ziels. Bei den meisten Anwendungen ist das Ziel in einer axialen Anordnung, bei der sein magnetisches Dipolmoment (oder das magnetische Dipolmoment des am Ziel angeordneten Magnetfeldgebers) nur in Bewegungsrichtung des Ziels oder entgegen der Bewegungsrichtung ausgerichtet ist, und in einer radialen Anordnung, bei der das Dipolmoment in einer senkrechten Richtung zur Bewegung des Ziels oder entgegen dieser ausgerichtet ist. Aufgrund der bekannten Symmetrie der axialen und der radialen Anordnung, reicht es bei den meisten Anwendungen aus, den Magnetfeldvektor in zwei Dimensionen zu messen. Die erste Dimension ist parallel zur Bewegungsrichtung und zumindest zwei Sensorelemente sind in dieser Richtung in bekannten Abständen, insbesondere äquidistant angeordnet und weisen eine sensitive Achse in Richtung dieser ersten Dimension auf. Eine zweite Dimension verläuft senkrecht zur ersten Dimension durch das geometrische Zentrum des Ziels. Die Anordnungslinie der Sensorelemente weist eine weitere sensitive Achse in Richtung dieser zweiten Dimension auf.
The invention relates to a method with the following steps:
  • A magnetic field vector of the target whose position is to be detected is measured by at least one sensor element of the linear magnetic position sensor. In particular, each sensor element measures the magnetic field vector of the target. In most applications, the target is in an axial arrangement in which its magnetic dipole moment (or the magnetic dipole moment of the magnetic field transmitter located at the target) is oriented only in the direction of movement of the target or against the direction of movement, and in a radial arrangement in which the dipole moment is oriented in a direction perpendicular to or counter to the movement of the target. Due to the known symmetry of the axial and radial arrangement, in most applications it is sufficient to measure the magnetic field vector in two dimensions. The first dimension is parallel to the direction of movement and at least two sensor elements are arranged in this direction at known distances, in particular equidistantly, and have a sensitive axis in the direction of this first dimension. A second dimension runs perpendicular to the first dimension through the geometric center of the target. The arrangement line of the sensor elements has a further sensitive axis in the direction of this second dimension.

Aus dem gemessenen Magnetfeldvektor wird ein Wert einer Tangens-Funktion des halben Vektorwinkels ermittelt. Diese Funktion wird im Folgenden als „retan“-Funktion bezeichnet und wird gemäß Formel 1 berechnet: retan ( B x , B z , φ + ) = tan ( 1 2 ( arctan2 ( B x , B z ) + φ + ) )

Figure DE102022122599B3_0001
A value of a tangent function of half the vector angle is determined from the measured magnetic field vector. This function is hereinafter referred to as the “retan” function and is calculated according to Formula 1: retan ( b x , b e.g , φ + ) = tan ( 1 2 ( arctan2 ( b x , b e.g ) + φ + ) )
Figure DE102022122599B3_0001

Bx bezeichnet dabei die axiale Komponente und Bz die radiale Komponente des Magnetfeldvektors. arctan2(Bx, Bz) ergibt den Vektorwinkel des Magnetfeldvektors. φ+ ist eine optionale Größe, welche die Orientierung des magnetischen Dipols des Ziels angibt. Der Wert von φ+ ist im Vorhinein bekannt oder kann unabhängig vom vorliegenden Verfahren bestimmt werden.B x denotes the axial component and B z the radial component of the magnetic field vector. arctan2(B x , B z ) gives the vector angle of the magnetic field vector. φ + is an optional quantity that indicates the orientation of the target's magnetic dipole. The value of φ + is known in advance or can be determined independently of the method at hand.

Der halbe Vektorwinkel αB dieser Vektoren kann über die Formel 2 berechnet werden: α B = arctan2 ( b x A , b z A )

Figure DE102022122599B3_0002
wobei die Vektorkomponenten b x A
Figure DE102022122599B3_0003
und b z A
Figure DE102022122599B3_0004
gemäß Formel 3 berechnet werden können: b x A = 3 2 cos ( 2 α ) 1 2 b z A = 3 2 sin ( 2 α )
Figure DE102022122599B3_0005
α bezeichnet den Ortsvektor-Winkel.The half vector angle α B of these vectors can be calculated using formula 2: α b = arctan2 ( b x A , b e.g A )
Figure DE102022122599B3_0002
where the vector components b x A
Figure DE102022122599B3_0003
and b e.g A
Figure DE102022122599B3_0004
can be calculated according to formula 3: b x A = 3 2 cos ( 2 α ) 1 2 b e.g A = 3 2 sin ( 2 α )
Figure DE102022122599B3_0005
α denotes the position vector angle.

Die retan-Funktion ist eine relativ lineare Funktion der Position des Ziels und weist vor allem gegenüber der arctan2-Funktion der entsprechenden Magnetfeldkomponenten eine deutlich höhere Linearität über den gesamten relevanten Messbereich hinweg auf. Aufgrund des linearen Zusammenhangs zwischen der Position des Ziels und der retan-Funktion, kann eine lineare Funktion für die Position des Ziels und die retan-Funktion aufgestellt werden, die in Formel 4 ausgedrückt ist: x = m R 1 + x 1

Figure DE102022122599B3_0006
x bezeichnet die Position des Ziels, x1 bezeichnet die Position eines Sensorelements, R1 bezeichnet den Wert der retan-Funktion, der aus der Messung dieses Sensorelements erhalten wird - also R1 = retan(Bx1 Bz1, φ+) - und m bezeichnet die Steigung. Die Steigung ist ein Koeffizient für die Korrelation der relativen longitudinalen Position (also in Bewegungsrichtung des Ziels) des Sensorelements und der Position des Ziels und hängt von gegenwärtigen geometrischen Faktoren ab. Dieser Koeffizient wird vorzugsweise mittels einer Kalibrierung bestimmt. Hierfür wird vorteilhaft die später beschriebene Selbst-Kalibrierung verwendet.The retan function is a relatively linear function of the position of the target and, especially compared to the arctan2 function of the corresponding magnetic field components, has a significantly higher linearity over the entire relevant measurement range. Due to the linear relationship between the position of the target and the retan function, a linear function can be established for the position of the target and the retan function, which is expressed in Formula 4: x = m R 1 + x 1
Figure DE102022122599B3_0006
x denotes the position of the target, x 1 denotes the position of a sensor element, R 1 denotes the value of the retan function obtained from the measurement of this sensor element - i.e. R 1 = retan(B x1 B z1 , φ + ) - and m denotes the slope. The slope is a coefficient for the correlation of the relative longitudinal position (i.e. in the direction of movement of the target) of the sensor element and the position of the target and depends on current geometric factors. This coefficient is preferably determined by means of a calibration. The self-calibration described later is advantageously used for this.

Es können weitere Messungen mit anderen Sensorelementen durchgeführt werden und entsprechende lineare Funktionen aufgestellt werden. Dabei kann derselbe Wert für die Steigung angenommen werden.Further measurements can be carried out with other sensor elements and corresponding linear functions can be set up. The same value can be assumed for the slope.

Mittels der linearen Funktion für die retan-Funktion und der relativen longitudinalen Position des zumindest einen Sensorelements wird schließlich gemäß Formel 4 die Position des Ziels berechnet.Using the linear function for the retan function and the relative longitudinal position of the at least one sensor element, the position of the target is finally calculated according to Formula 4.

Im Ergebnis wird die Position des Ziels mit Hilfe der retan-Funktion ermittelt, die hochgradig linear ist. Die Linearität ist auch für große Abstände zwischen den Sensorelementen gegeben, sodass weniger Sensorelemente pro Längeneinheit verwendet werden können, was zu einer Kostenreduktion bei der Herstellung des Positionssensors führt. Zudem erstreckt sich der Erfassungsbereich des Positionssensors über die Sensorelemente hinaus, sodass auch außerhalb eines Sensorgehäuses, in dem die Sensorelemente angeordnet sind, gemessen werden kann. Hierdurch kann auch ein kurzer Sensor einen relativ großen Erfassungsbereich abdecken. Schließlich können aufgrund der Linearität die Erfassungsbereiche von verschiedenen Positionssensoren kombiniert werden, um noch größere Erfassungsbereiche zu bilden.As a result, the position of the target is determined using the retan function, which is highly linear. The linearity is also given for large distances between the sensor elements, so that fewer sensor elements are used per unit length can be det, which leads to a cost reduction in the production of the position sensor. In addition, the detection range of the position sensor extends beyond the sensor elements, so that measurements can also be carried out outside a sensor housing in which the sensor elements are arranged. This means that even a short sensor can cover a relatively large detection range. Finally, due to the linearity, the detection areas of different position sensors can be combined to form even larger detection areas.

Eine bevorzugte Weise die Kalibrierung durchzuführen, um die Steigung der linearen Funktion zu ermitteln, stellt die Selbstkalibrierung mittels der zumindest zwei Sensorelemente dar, bei der folgende Schritte durchgeführt werden. Zwei Sensorelemente messen jeweils einen Magnetfeldvektor des Ziels - also insgesamt zwei Magnetfeldvektoren -, wobei sich das Ziel an einer willkürlichen Position innerhalb des Erfassungsbereichs befindet. Für jeden Magnetfeldvektor wird die retan-Funktion gemäß Formel 1 berechnet. Hierbei kann die optionale Größe φ+, welche die Orientierung des magnetischen Dipols des Ziels angibt, weggelassen werden, da diese für beide Messungen übereinstimmt und sich in der nachfolgenden Berechnung herauskürzt. Dann wird für jede retan-Funktion der Wert an der Position des Ziels berechnet.A preferred way to carry out the calibration in order to determine the slope of the linear function is self-calibration using the at least two sensor elements, in which the following steps are carried out. Two sensor elements each measure a magnetic field vector of the target - a total of two magnetic field vectors - with the target located at an arbitrary position within the detection range. For each magnetic field vector, the retan function is calculated according to Formula 1. The optional quantity φ + , which indicates the orientation of the target's magnetic dipole, can be omitted since this corresponds for both measurements and is eliminated in the subsequent calculation. Then for each retan function the value at the position of the target is calculated.

Aus den beiden Werten der retan-Funktionen wird die Differenz berechnet und schließlich das Verhältnis zwischen dem Abstand der beiden Sensorelemente, welcher durch den Aufbau des Positionssensors festgelegt wird und somit bekannt ist, und der Differenz der beiden Werte der retan-Funktion an der Position des Ziels gebildet. Wie nachfolgend gezeigt, entspricht dieses Verhältnis der Steigung der oben beschriebenen linearen Funktion für beide Sensorelemente.The difference is calculated from the two values of the retan functions and finally the ratio between the distance between the two sensor elements, which is determined by the structure of the position sensor and is therefore known, and the difference between the two values of the retan function at the position of the Target formed. As shown below, this ratio corresponds to the slope of the linear function described above for both sensor elements.

Die lineare Funktion für das erste Sensorelement wird, wie oben beschrieben, durch die Formel 4 ausgedrückt: x = m R 1 + x 1

Figure DE102022122599B3_0007
The linear function for the first sensor element is expressed by Formula 4 as described above: x = m R 1 + x 1
Figure DE102022122599B3_0007

Analog lässt sich eine lineare Funktion für das zweite Sensorelement aufstellen, die durch die Formel 4* ausgedrückt wird: x = m R 2 + x 2

Figure DE102022122599B3_0008
Analogously, a linear function can be set up for the second sensor element, which is expressed by the formula 4*: x = m R 2 + x 2
Figure DE102022122599B3_0008

Hierbei bezeichnet x weiterhin die Position des Ziels, x2 bezeichnet die Position des zweiten Sensorelements, R2 bezeichnet den Wert der retan-Funktion für die Messung mit dem zweiten Sensorelement - also R2 = retan(Bx2,Bz2+) - und m bezeichnet dieselbe Steigung wie in Formel 4 für das erste Sensorelement.Here, x further denotes the position of the target, x 2 denotes the position of the second sensor element, R 2 denotes the value of the retan function for the measurement with the second sensor element - i.e. R 2 = retan(B x2 ,B z2+ ) - and m denotes the same slope as in Formula 4 for the first sensor element.

Durch Subtraktion der beiden Gleichungen 4 und 4* erhält man die folgende Gleichung: 0 = m ( R 1 R 2 ) + ( x 1 x 2 ) < = > m = ( x 2 x 1 ) / ( R 1 R 2 )

Figure DE102022122599B3_0009
By subtracting the two equations 4 and 4* you get the following equation: 0 = m ( R 1 R 2 ) + ( x 1 x 2 ) < = > m = ( x 2 x 1 ) / ( R 1 R 2 )
Figure DE102022122599B3_0009

Somit lässt sich bereits mit zwei Sensorelementen eine Selbstkalibrierung durchführen, mit der ein Wert für die Steigung ermittelt wird. Aufgrund der Linearität werden nur die gemessenen Werte für die beiden retan-Funktionen R1 und R2 und der Abstand x2 - x1 der beiden Sensorelemente, der durch den Aufbau des Positionssensors bekannt ist, zur Kalibrierung verwendet. Das Ziel muss zur Selbstkalibrierung nur einen kurzen Weg innerhalb des Erfassungsbereichs des Sensors zurücklegen oder kann sogar stillstehen.This means that a self-calibration can be carried out using just two sensor elements to determine a value for the gradient. Due to the linearity, only the measured values for the two retan functions R 1 and R 2 and the distance x 2 - x 1 of the two sensor elements, which is known from the structure of the position sensor, are used for calibration. To self-calibrate, the target only needs to travel a short distance within the sensor's detection range or can even stand still.

Generell kann der lineare magnetische Positionssensor eine Mehrzahl von Sensorelementen aufweisen und das erfindungsgemäße Verfahren kann auf die Mehrzahl von Sensorelementen ausgeweitet werden.In general, the linear magnetic position sensor can have a plurality of sensor elements and the method according to the invention can be extended to the plurality of sensor elements.

In der Praxis können bei mehreren Sensorelementen Abweichungen in der idealen Struktur des linearen magnetischen Positionssensors und/oder der Orientierung des Magnetfelds bezüglich der Sensorelemente auftreten. Diese rühren beispielsweise von Fehlausrichtungen, Versätzen und/oder Mess-/Auswertungsfehlern der Sensorelemente her. Infolgedessen kann die Charakteristik der retan-Funktion von der linearen Abhängigkeit der Position abweichen. Als Resultat hängt die bei der Selbstkalibrierung berechnete Differenz der Werte der retan-Funktion von der gegenwärtigen Position des Ziels ab. Vor allem, wenn das Ziel sich in weiter Entfernung von den Sensorelementen befindet und dadurch das Magnetfeld des Ziels vergleichbar mit beispielsweise einem Hintergrundmagnetismus oder einem Versatz wird, oder wenn kleine Ausrichtungsfehler von der idealen Achse der Sensorelemente oder der radialen Orientierung zu Fehlern in der Linearität führen, können irrelevante Werte auftreten, sowohl für die retan-Funktion als auch für die daraus berechnete relative Position. Als weiteres Resultat können die mehreren Sensorelemente mehrdeutige Ergebnisse für die Position des Ziels liefern.In practice, with multiple sensor elements, deviations in the ideal structure of the linear magnetic position sensor and/or the orientation of the magnetic field with respect to the sensor elements can occur. These arise, for example, from misalignments, offsets and/or measurement/evaluation errors of the sensor elements. As a result, the characteristic of the retan function may deviate from the linear dependence of the position. As a result, the difference in retan function values calculated during self-calibration depends on the current position of the target. Especially when the target is located at a great distance from the sensor elements and this makes the target's magnetic field comparable to, for example, background magnetism or an offset, or when small alignment errors from the ideal axis of the sensor elements or the radial orientation lead to errors in linearity , irrelevant values may occur, both for the retan function and for the relative position calculated from it. As a further result, the multiple sensor elements may provide ambiguous results for the location of the target.

Bei drei oder mehr Sensorelementen kann daher vorgesehen sein, bei der Selbstkalibrierung zwei berechnete Steigungen der linearen Funktionen für die zumindest drei Sensorelemente paarweise - also für jeweils zwei der Sensorelemente - miteinander zu fusionieren, um eine generelle Steigung zu ermitteln. Vorzugsweise kann zur Fusion der Steigungen ein gewichtetes arithmetisches Mittel der paarweise berechneten Steigungen berechnet werden. Die Gewichtungen können arithmetisch aus Werten ermittelt werden, die für das Signal-Rausch-Verhältnis oder für das Signal-Offset-Verhältnis relevant sind, beispielsweise der Betrag der Magnetfeldvektoren, die von den paarweise mitwirkenden Sensorelementen gemessen werden. Dabei können auch Werte für die Steigung, die in unzuverlässigen Messsituationen erhalten wurden, beispielsweise, wenn sich das Ziel am Rande der Erfassungsbereiche der Sensorelemente befindet, bei der Fusion unterdrückt oder ausgeschlossen werden.In the case of three or more sensor elements, it can therefore be provided that, during self-calibration, two calculated slopes of the linear functions for the at least three sensor elements are merged with one another in pairs - i.e. for two of the sensor elements each - in order to determine a general slope. Preferably, a weighted arithmetic mean can be used to fuse the slopes slopes calculated in pairs can be calculated. The weightings can be determined arithmetically from values that are relevant for the signal-to-noise ratio or for the signal-offset ratio, for example the magnitude of the magnetic field vectors that are measured by the sensor elements working in pairs. Values for the slope that were obtained in unreliable measurement situations, for example when the target is on the edge of the detection ranges of the sensor elements, can also be suppressed or excluded during fusion.

Alternativ oder zusätzlich kann vorgesehen sein, die berechneten Werte der Steigung für die mehreren Sensorelemente miteinander zu vergleichen. Bei dem Vergleich können widersprüchliche Werte, die nicht zu den anderen Werten passen, erkannt und ausgeschlossen werden. Zudem kann für die jeweilige Anwendung ein Bereich - auch in Abhängigkeit von den berechneten Steigungswerten - vorgegeben werden und geprüft werden, ob die Werte innerhalb dieses Bereichs liegen. Werte außerhalb dieses Bereichs können dann ausgeschlossen werden.Alternatively or additionally, provision can be made to compare the calculated values of the slope for the plurality of sensor elements with one another. During the comparison, contradictory values that do not fit with the other values can be identified and excluded. In addition, a range can be specified for the respective application - also depending on the calculated gradient values - and it can be checked whether the values lie within this range. Values outside this range can then be excluded.

Es kann auch ein Lernprozess durchgeführt werden, bei dem die Positionen des Ziels variiert werden und mehrere Werte der Steigung der linearen Funktion für unterschiedliche Positionen des Ziels berechnet werden. Schließlich werden die berechneten Werte gemittelt und der gemittelte Steigungswert für die später durchgeführte Erfassung der Position des Ziels verwendet.A learning process can also be performed in which the positions of the target are varied and multiple values of the slope of the linear function are calculated for different positions of the target. Finally, the calculated values are averaged and the averaged slope value is used for the later detection of the position of the target.

Ist ein solcher Lernprozess vorgesehen, wird optional die berechnete Steigung aktualisiert. Nachdem im Lernprozess initial ein Steigungswert ermittelt wurde, können die bei der Erfassung der Position des Ziels gemessenen Werte ebenso entsprechend der oben beschriebenen Selbstkalibrierung verwendet werden, um den Steigungswert zu aktualisieren.If such a learning process is planned, the calculated gradient is optionally updated. After a slope value has initially been determined in the learning process, the values measured when detecting the position of the target can also be used according to the self-calibration described above to update the slope value.

Die Erfindung betrifft zudem einen linearen magnetischen Positionssensor, der zumindest zwei Sensorelemente umfasst. Die Sensorelemente sind eingerichtet, den Magnetfeldvektor des Ziels zu messen. Erfindungsgemäß ist der lineare magnetische Positionssensor eingerichtet, das vorstehende Verfahren auszuführen. Hierfür kann der lineare magnetische Positionssensor ein dafür eingerichtetes Rechengerät aufweisen oder mit einem dafür eingerichteten Rechengerät verbunden werden. Es wird auf vorstehende Beschreibung und Vorteile verwiesen.The invention also relates to a linear magnetic position sensor which comprises at least two sensor elements. The sensor elements are set up to measure the magnetic field vector of the target. According to the invention, the linear magnetic position sensor is set up to carry out the above method. For this purpose, the linear magnetic position sensor can have a computing device set up for this purpose or can be connected to a computing device set up for this purpose. Reference is made to the above description and advantages.

Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.

  • 1 zeigt ein Ortdiagramm von zwei Sensorelementen eines erfindungsgemäßen linearen magnetischen Positionssensors und eines zu messenden Ziels.
  • 2 zeigt Diagramme der Komponenten des magnetischen Felds (a), des Vektorwinkels des Magnetfeldvektors (b) und der retan-Funktion (c) bezüglich der Position des Ziels, jeweils für vier unterschiedliche Orientierungen des magnetischen Dipols des Ziels.
  • 3 zeigt ein Diagramm der retan-Funktion bezüglich der Position für die zwei Sensorelemente des erfindungsgemäßen linearen magnetischen Positionssensors bei der Selbstkalibrierung.
  • 4 und 5 zeigen jeweils Diagramme der Komponenten des magnetischen Felds (a), des Vektorwinkels des Magnetfeldvektors (b) und der retan-Funktion (c) und einer mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erfassten Position sowie eines Fehlers (d) bezüglich der Position des Ziels für zwei unterschiedliche Anwendungsfälle.
Exemplary embodiments of the invention are shown in the drawings and explained in more detail in the following description.
  • 1 shows a location diagram of two sensor elements of a linear magnetic position sensor according to the invention and a target to be measured.
  • 2 shows diagrams of the components of the magnetic field (a), the vector angle of the magnetic field vector (b) and the retan function (c) with respect to the position of the target, each for four different orientations of the target magnetic dipole.
  • 3 shows a diagram of the retan function with respect to the position for the two sensor elements of the linear magnetic position sensor according to the invention during self-calibration.
  • 4 and 5 each show diagrams of the components of the magnetic field (a), the vector angle of the magnetic field vector (b) and the retan function (c) and a position detected using the method according to the invention as well as an error (d) with respect to the position of the target for two different applications .

Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention

In 1 ist ein Ortsdiagramm in Form eines kartesischen Koordinatensystems mit zwei Achsen x und z dargestellt. Es sind zwei Sensorelemente E1, E2 eines erfindungsgemäßen linearen magnetischen Positionssensors gezeigt. Der Ursprung des Koordinatensystems wurde in das zweite Sensorelement E2, welches an der Position x2 angeordnet ist, gelegt. Das erste Sensorelement E1 ist ebenfalls auf der x-Achse angeordnet, sodass die beiden Sensorelemente E1 und E2 auf einer gemeinsamen Achse liegen, und in einem Abstand S zum zweiten Sensorelement E2 an der Position x1 angeordnet. Der Positionssensor kann weitere hier nicht dargestellte Sensorelemente aufweisen, die ebenfalls auf der x-Achse beispielsweise im selben Abstand S zueinander angeordnet sind. Ebenso sind weitere Komponenten des Positionssensors, beispielsweise ein Rechengerät, auf dem das erfindungsgemäße Verfahren abläuft, nicht gezeigt. Die Sensorelemente E1, E2 weisen eine sensitive Achse in Richtung der x-Achse und eine sensitive Achse in Richtung der z-Achse auf.In 1 A location diagram is shown in the form of a Cartesian coordinate system with two axes x and z. Two sensor elements E 1 , E 2 of a linear magnetic position sensor according to the invention are shown. The origin of the coordinate system was placed in the second sensor element E 2 , which is arranged at position x 2 . The first sensor element E 1 is also arranged on the x-axis, so that the two sensor elements E 1 and E 2 lie on a common axis, and are arranged at a distance S from the second sensor element E 2 at the position x 1 . The position sensor can have further sensor elements, not shown here, which are also arranged on the x-axis, for example at the same distance S from one another. Likewise, further components of the position sensor, for example a computing device on which the method according to the invention runs, are not shown. The sensor elements E 1 , E 2 have a sensitive axis in the direction of the x-axis and a sensitive axis in the direction of the z-axis.

Des Weiteren ist ein Ziel T, dessen Position erfasst werden soll, gezeigt. Das Ziel T bewegt sich entlang eines Pfads P auf einer Geraden, die parallel zur x-Achse und somit zur Geraden, auf der die Sensorelemente E1, E2 angeordnet sind, verläuft und in Richtung der z-Achse um den Abstand z0 beabstandet ist. Zudem ist der Ortsvektor r des Ziels T gezeigt. Der Ortsvektor r schließt mit der x-Achse einen Winkel α ein. Das Ziel ist in diesem Fall selbst ein Magnet, der als Dipol genähert wird und ein magnetisches Dipolmoment M aufweist. Das magnetische Dipolmoment M zeigt in diesem Beispiel in Richtung des Bewegungspfads P des Ziels T und entgegen der x-Achse. Eine solche Orientierung wird als axiale Anordnung bezeichnet und vorliegend mit dem Buchstaben A gekennzeichnet. In der Praxis wird das Ziel typischerweise so angeordnet, dass die folgenden Orientierungen des magnetische Dipolmoments M verwendet werden. Nachfolgend ist eine Liste der Orientierung des Dipolmoments M im (x,z)-Raum, die vorliegend zur Kennzeichnung verwendeten Buchstaben A, B, C und D und einer später im Detail beschriebenen Größe φ+ gegeben: Axiale Anordnung: A (-M,0) φ+ = 0 B (M,0) φ+ = π Radiale Anordnung: C (0,-M) φ+ = π/2 D (0,M) φ+ = 3π/2 Furthermore, a target T whose position is to be recorded is shown. The target T moves along a path P on a straight line that is parallel to the x-axis and thus to the straight line on which the Sen sor elements E 1 , E 2 are arranged, runs and is spaced apart in the direction of the z-axis by the distance z 0 . The location vector r of the target T is also shown. The location vector r forms an angle α with the x-axis. In this case, the target itself is a magnet, which is approximated as a dipole and has a magnetic dipole moment M. In this example, the magnetic dipole moment M points in the direction of the movement path P of the target T and against the x-axis. Such an orientation is referred to as an axial arrangement and is marked here with the letter A. In practice, the target is typically arranged to use the following orientations of the magnetic dipole moment M. Below is a list of the orientation of the dipole moment M in (x,z) space, the letters A, B, C and D used here for identification and a quantity φ + described in detail later: Axial arrangement: A (-M,0) φ + = 0 b (M,0) φ + = π Radial arrangement: C (0,-M) φ + = π/2 D (0,M) φ + = 3π/2

Für die in 1 gezeigte Situation, bei der sich das Ziel T in der vom Ortsvektor r repräsentierten Position befindet, ist der von dem zweiten Sensorelement E2 gemessene Magnetfeldvektor B wie folgt: B _ = μ 0 4 π ( 3 ( M _ r _ ) r _ r 5 M _ r 3 )

Figure DE102022122599B3_0010
For those in 1 In the situation shown, in which the target T is in the position represented by the location vector r, the magnetic field vector B measured by the second sensor element E 2 is as follows: b _ = μ 0 4 π ( 3 ( M _ r _ ) r _ r 5 M _ r 3 )
Figure DE102022122599B3_0010

Mit den folgenden Substitutionen: M _ = μ _ | M _ | = μ _ M

Figure DE102022122599B3_0011
r _ = ρ _ | r _ | = ρ _ r
Figure DE102022122599B3_0012
b _ = 3 ( μ _ ρ _ ) ρ _ μ _
Figure DE102022122599B3_0013
kann der Magnetfeldvektor B in folgender Form geschrieben werden: B _ = b _ μ 0 M 4 π r 3
Figure DE102022122599B3_0014
b ist ein Vektor, der in dieselbe Richtung wie der Magnetfeldvektor B zeigt, aber nicht notwendigerweise ein Einheitsvektor.With the following substitutions: M _ = μ _ | M _ | = μ _ M
Figure DE102022122599B3_0011
r _ = ρ _ | r _ | = ρ _ r
Figure DE102022122599B3_0012
b _ = 3 ( μ _ ρ _ ) ρ _ μ _
Figure DE102022122599B3_0013
The magnetic field vector B can be written in the following form: b _ = b _ μ 0 M 4 π r 3
Figure DE102022122599B3_0014
b is a vector pointing in the same direction as the magnetic field vector B, but not necessarily a unit vector.

Für den Fall der axialen Anordnung A, kann der Vektor bA wie folgt beschrieben werden: b _ A = 3 ( ρ x ρ _ ) ( 1,0 ) = 3 ( ρ x 2 ,   ρ x ρ z ) + ( 1,0 )

Figure DE102022122599B3_0015
For the case of the axial arrangement A, the vector b A can be described as follows: b _ A = 3 ( ρ x ρ _ ) ( 1.0 ) = 3 ( ρ x 2 , ρ x ρ e.g ) + ( 1.0 )
Figure DE102022122599B3_0015

Unter Verwendung von ρ x = cos ( α )  und  ρ z = sin ( α )

Figure DE102022122599B3_0016
erhält man die Vektorkomponenten von bA als b x A = 3 2 cos ( 2 α ) 1 2 b z A = 3 2 sin ( 2 α )
Figure DE102022122599B3_0017
Under the use of ρ x = cos ( α ) and ρ e.g = sin ( α )
Figure DE102022122599B3_0016
one obtains the vector components of b A as b x A = 3 2 cos ( 2 α ) 1 2 b e.g A = 3 2 sin ( 2 α )
Figure DE102022122599B3_0017

Da die beiden Vektoren B und b in dieselbe Richtung zeigen, weisen sie denselben Vektorwinkel αB auf. Dieser Vektorwinkel αB ist näherungsweise - wenn der Term -1/2 in Formel 3 vernachlässigt wird - das Doppelte des Ortsvektor-Winkels α. Der Vektorwinkel αB dieser Vektoren kann über die Formel 2 berechnet werden: α B = arctan2 ( b x A , b z A )

Figure DE102022122599B3_0018
Since the two vectors B and b point in the same direction, they have the same vector angle α B. This vector angle α B is approximately - if the term -1/2 in formula 3 is neglected - twice the position vector angle α. The vector angle α B of these vectors can be calculated using Formula 2: α b = arctan2 ( b x A , b e.g A )
Figure DE102022122599B3_0018

Die vorstehende Berechnung kann auch für die anderen Fälle B, C, D mit unterschiedlicher Orientierung durchgeführt werden.The above calculation can also be carried out for the other cases B, C, D with different orientation.

In 2 sind jeweils für die Fälle A, B, C, D unterschiedlicher Orientierung des magnetischen Dipolmoments M in 2 a ein Diagramm der Komponenten des Magnetfeldvektors in x-Richtung Bx und in z-Richtung Bz sowie des Absolutwerts des Magnetfeldvektors |B| über der Position x des Ziels T, in 2b ein Diagramm des Vektorwinkels αB über der Position x des Ziels T und in 2c ein Diagramm der retan-Funktion retan, über der Position x des Ziels T. Zur Erfassung wurde das zweite Sensorelement E2 im Ursprung verwendet. Die nachfolgenden Erläuterungen lassen sich aber auch auf das erste Sensorelement E1 und auf jedes weitere Sensorelement des Positionssensors übertragen.In 2 are each for the cases A, B, C, D with different orientation of the magnetic dipole moment M in 2 a a diagram of the components of the magnetic field vector in the x direction B x and in the z direction B z as well as the absolute value of the magnetic field vector |B| over the position x of the target T, in 2 B a plot of the vector angle α B versus the position x of the target T and in 2c a diagram of the retan function retan, over the position x of the target T. The second sensor element E 2 at the origin was used for detection. However, the following explanations can also be applied to the first sensor element E 1 and to each additional sensor element of the position sensor.

Der Vektorwinkels αB wurde mittels Formel 2 aus den Komponenten des Magnetfeldvektors in x-Richtung Bx und in z-Richtung Bz berechnet.The vector angle α B was calculated using formula 2 from the components of the magnetic field vector in the x direction B x and in the z direction B z .

Im Diagramm 2a und 2b ist die horizontale Skalierung der Magnetfeldkomponenten Bx, Bz, |B| und des Vektorwinkels αB abhängig von dem Abstand z0 zwischen dem Zentrum des Ziels T und der Geraden, auf dem die Sensorelemente E1, E2 angeordnet sind. Die vertikale Skalierung der Magnetfeldkomponenten Bx, Bz, |B| ist abhängig sowohl von dem genannten Abstand z0 als auch von der Stärke des Magnetfelds - also dem Betrag des magnetischen Dipolmoments |M|.In diagrams 2a and 2b the horizontal scaling of the magnetic field components is B x , B z , |B| and the vector angle α B depending on the distance z 0 between the center of the target T and the straight line on which the sensor elements E 1 , E 2 are arranged. The vertical scaling of the magnetic field components B x , B z , |B| is dependent on both the stated distance z 0 and the Strength of the magnetic field - i.e. the magnitude of the magnetic dipole moment |M|.

Der Winkel α des Ortvektors r kann näherungsweise - wenn man den additiven Term -1/2 in Formel 3 außer Acht lässt - durch folgende Formel 13 ausgedrückt werden: α 1 2 arctan2 ( b x A , b z A ) = 1 2 arctan2 ( B x A , B z A )

Figure DE102022122599B3_0019
The angle α of the position vector r can be approximately expressed - if one ignores the additive term -1/2 in formula 3 - by the following formula 13: α 1 2 arctan2 ( b x A , b e.g A ) = 1 2 arctan2 ( b x A , b e.g A )
Figure DE102022122599B3_0019

Der Tangens des Ortsvektor-Winkels α multipliziert mit dem Abstand z0 gibt die tatsächliche Position des Ziels T an. Da der Wert des Abstands z0 nicht bekannt ist, wird nur die Berechnung des Tangens des Ortsvektor-Winkels α durchgeführt, wobei der Ortsvektor-Winkels α näherungsweise die Hälfte des Vektorwinkels αB des Magnetfeldvektors B ist. Dies wird durch die „retan“-Funktion erreicht.The tangent of the location vector angle α multiplied by the distance z 0 gives the actual position of the target T. Since the value of the distance z 0 is not known, only the calculation of the tangent of the location vector angle α is carried out, where the location vector angle α is approximately half of the vector angle α B of the magnetic field vector B. This is achieved by the “retan” function.

Die retan-Funktion in 2c wurde mittels der eingangs beschriebenen Formel 1 aus den Komponenten des Magnetfeldvektors in x-Richtung Bx und in z-Richtung Bz und der von der Orientierung des magnetischen Dipolmoments M abhängigen Größe φ+ berechnet: retan ( B x , B z , φ + ) = tan  ( 1 2 ( arctan2 ( B x , B z ) + φ + ) )

Figure DE102022122599B3_0020
The retan function in 2c was calculated using the formula 1 described at the beginning from the components of the magnetic field vector in the x direction B x and in the z direction B z and the quantity φ + which depends on the orientation of the magnetic dipole moment M: retan ( b x , b e.g , φ + ) = tan ( 1 2 ( arctan2 ( b x , b e.g ) + φ + ) )
Figure DE102022122599B3_0020

Im Diagramm von 2c ist die horizontale Skalierung ebenso von dem Abstand z0 zwischen dem Zentrum des Ziels T und der Geraden, auf dem die Sensorelemente E1, E2 angeordnet sind, abhängig.In the diagram of 2c The horizontal scaling also depends on the distance z 0 between the center of the target T and the straight line on which the sensor elements E 1 , E 2 are arranged.

Für den Fall A, bei dem das magnetische Dipolmoment M entgegen der x-Achse zeigt, durchläuft der Graph des Vektorwinkels αB den Ursprung des Diagramms in 2b. Der Größe φ+ wird daher zu 0 gewählt, sodass die retan-Funktion nicht verschoben wird. Für die Fälle B, C und D, bei denen das magnetische Dipolmoments M eine andere Orientierung aufweist, führt dies dazu, dass die Graphen des Vektorwinkels αB nicht mehr im Ursprung des Diagramms in 2b zentriert sind, sondern vertikal versetzt sind. Dieser vertikale Versatz wird in der Formel 1 durch die Größe φ+ berücksichtigt. Die Orientierung des magnetische Dipolmoments M und somit der Größe φ+ wird hier als bekannt für die jeweilige Anwendung angenommen.For case A, in which the magnetic dipole moment M points against the x-axis, the graph of the vector angle α B passes through the origin of the diagram in 2 B . The size φ + is therefore chosen to be 0 so that the retan function is not shifted. For cases B, C and D, in which the magnetic dipole moment M has a different orientation, this leads to the graphs of the vector angle α B no longer being at the origin of the diagram in 2 B are centered, but are vertically offset. This vertical offset is taken into account in Formula 1 by the quantity φ + . The orientation of the magnetic dipole moment M and thus the size φ + is assumed here to be known for the respective application.

Da die arctan2-Funktion Werte im Bereich von (-π,π] annehmen kann, werden die Graphen des Vektorwinkels αB zusätzlich mit gepunkteten Linien dargestellt und weisen Unstetigkeiten auf. Diese Unstetigkeiten können gegebenenfalls durch Addition von 2π aufgelöst werden. Aufgrund der periodischen Natur der Tangens-Funktion führt dies nach Division durch 2 zum gleichen Ergebnis.Since the arctan2 function can assume values in the range of (-π,π], the graphs of the vector angle α B are additionally shown with dotted lines and show discontinuities. These discontinuities can, if necessary, be resolved by adding 2π. Due to the periodic nature The tangent function leads to the same result after division by 2.

Es ist ersichtlich, dass der die retan-Funktion retan in 2c für alle Fälle A, B, C, D hochgradig linear bezüglich der Position x ist, selbst bei großem Abstand zum Nahpunkt des Sensorelements im Ursprung. Für die Fälle A und B ist die Nichtlinearität kleiner als 0,005 auf der vertikalen Skala und für die Fälle C und D ist die Nichtlinearität kleiner als 0,007 auf der vertikalen Skala. Der Fehler für die Linearität ist deterministisch und kann durch rückwirkende Korrekturen oder durch Anwendung einer geeigneten Funktion, die bereits speziell für diese nichtlinearen Fehler vorkompensiert und insbesondere für die axialen Fall und den radialen Fall unterschiedlich ist, verringert werden. Die Nichtlinearität kann aber auch akzeptiert werden, da ebenso andere Quellen für den Fehler existieren, z. B. der nicht-ideale, von einem Dipol abweichende Charakter des Magnetfelds, ungenaue radiale oder axiale Ausrichtung, ein unbekanntes parasitäres Magnetfeld im Hintergrund oder ein Versatz am Nullpunkt einer der magnetfeldsensitiven Achsen der Sensorelemente. Man kann die Nichtlinearität auch akzeptieren, um die Einfachheit der Berechnung beizubehalten, insbesondere bei Vorhandensein eines CORDIC-Kerns (Coordinate Rotation Digital Computer) in einem MicrocontrollerIt can be seen that the retan function retan in 2c for all cases A, B, C, D is highly linear with respect to the position x, even at a large distance from the near point of the sensor element at the origin. For cases A and B, the nonlinearity is less than 0.005 on the vertical scale and for cases C and D, the nonlinearity is less than 0.007 on the vertical scale. The error for linearity is deterministic and can be reduced by retroactive corrections or by applying an appropriate function that is already specifically precompensated for these nonlinear errors and is in particular different for the axial case and the radial case. However, the non-linearity can also be accepted since other sources of the error also exist, e.g. B. the non-ideal character of the magnetic field, which deviates from a dipole, inaccurate radial or axial alignment, an unknown parasitic magnetic field in the background or an offset at the zero point of one of the magnetic field-sensitive axes of the sensor elements. One can also accept nonlinearity to maintain the simplicity of calculation, especially in the presence of a CORDIC (Coordinate Rotation Digital Computer) core in a microcontroller

Die Graphen der retan-Funktion retan sind in den Fällen A und B - also in axialer Anordnung - identisch. Ebenso sind die Graphen der retan-Funktion retan in den Fällen C und D - also in radialer Anordnung - identisch. Ferner ist die Steigung der retan-Funktion in den Fällen A und B bei axialer Anordnung stets halb so groß wie die Steigung in den Fällen C und D bei radialer Anordnung.The graphs of the retan function retan are identical in cases A and B - i.e. in an axial arrangement. Likewise, the graphs of the retan function retan are identical in cases C and D - i.e. in a radial arrangement. Furthermore, the slope of the retan function in cases A and B with an axial arrangement is always half as large as the slope in cases C and D with a radial arrangement.

Die beiden Sensorelemente E1 und E2 weisen aufgrund der in 1 beschriebenen Anordnung im Wesentlichen die gleiche Charakteristik bezüglich der retan-Funktion auf und unterscheiden sich im Wesentlichen durch ihre Position x1 bzw. x2. Generell reicht zur Erfassung der Position x des Ziels T bereits ein Sensorelement E1, E2 aus. Um die Position x des Ziels T zu bestimmen, wird für die retan-Funktionen jeweils eine lineare Funktion gemäß Formel 4 bzw. Formel 4* gebildet, wobei R1 und R2 die Werte der jeweiligen retan-Funktionen an der Position x des Ziels T darstellen, und daraus die longitudinale Position x des Ziels T relativ zu der Position x1 bzw. x2 des Sensorelements Sensorelement E1 bzw. E2 berechnet. x = m R 1 + x 1

Figure DE102022122599B3_0021
x = m R 2 + x 2
Figure DE102022122599B3_0022
The two sensor elements E 1 and E 2 point due to the in 1 The arrangement described essentially has the same characteristics with regard to the retan function and differs essentially in its position x 1 or x 2 . In general, one sensor element E 1 , E 2 is sufficient to detect the position x of the target T. In order to determine the position x of the target T, a linear function is formed for the retan functions according to Formula 4 or Formula 4*, where R 1 and R 2 are the values of the respective retan functions at the position x of the target T represent, and from this the longitudinal position x of the target T relative to the position x 1 or x 2 of the sensor element sensor element E 1 or E 2 is calculated. x = m R 1 + x 1
Figure DE102022122599B3_0021
x = m R 2 + x 2
Figure DE102022122599B3_0022

Die Steigung m der linearen Funktion für die retan-Funktion hängt wie vorstehend beschrieben vom Abstand z0 zwischen dem Zentrum des Ziels T und der Geraden, auf der die Sensorelemente E1, E2 angeordnet sind, ab. Dieser Abstand z0 ist allerdings im Allgemeinen nicht bekannt. Es wird daher eine Kalibrierung des Positionssensors durchgeführt. The slope m of the linear function for the retan function depends, as described above, on the distance z 0 between the center of the target T and the straight line on which the sensor elements E 1 , E 2 are arranged. However, this distance z 0 is generally not known. The position sensor is therefore calibrated.

Der Positionssensor führt eine Selbstkalibrierung, wie nachfolgend anhand der 3 beschrieben wird, durch. In 3 ist ein Diagramm der retan-Funktion retan über der Position x des Ziels T dargestellt. Das Ziel nimmt hier die willkürliche tatsächliche Position xT ein. Die zwei Sensorelemente E1 und E2 sind wie in 1 bereits beschrieben im Abstand S zueinander angeordnet, wobei das zweite Sensorelement E2 im Ursprung des Koordinatensystems an der Position x2 angeordnet ist und das erste Sensorelement an der Position x1 angeordnet ist. Es sind zudem die retan-Funktionen retan(Bx1, Bz1, φ+) für das erste Sensorelement E1 und die retan-Funktionen retan(Bx2, Bz2, φ+) für das zweite Sensorelement E2, die wie oben beschrieben berechnet wurden, dargestellt. Da die beiden Sensorelemente E1 und E2 aufgrund der Anordnung im Wesentlichen die gleiche Charakteristik bezüglich der retan-Funktion aufweisen, verlaufen die beiden retan-Funktionen retan(Bx1, Bz1, φ+), retan(Bx2, Bz2, φ+) parallel zueinander und weisen dieselbe Steigung m auf. An der tatsächlichen Position xT des Ziels T wird für jede retan-Funktionen retan(Bx1, Bz1, φ+), retan(Bx2, Bz2, φ+) ein Wert R1, R2 erhalten. Gemäß Formel 5 kann aus den beiden Werten R1, R2 für die retan-Funktionen und dem Abstand S der beiden Sensorelemente E1, E2 die Steigung m ermittelt werden, welche dann für die linearen Funktionen gemäß Formel 4 und 4* verwendet wird. m = ( x 2 x 1 ) / ( R 1 R 2 ) = S / ( R 1 R 2 )

Figure DE102022122599B3_0023
The position sensor performs a self-calibration as described below 3 is described by. In 3 a diagram of the retan function retan is shown over the position x of the target T. The target here occupies the arbitrary actual position x T. The two sensor elements E 1 and E 2 are as in 1 already described, arranged at a distance S from one another, the second sensor element E 2 being arranged at the origin of the coordinate system at the position x 2 and the first sensor element being arranged at the position x 1 . There are also the retan functions retan(B x1 , B z1 , φ + ) for the first sensor element E 1 and the retan functions retan(B x2 , B z2 , φ + ) for the second sensor element E 2 , which are as above were calculated as described. Since the two sensor elements E 1 and E 2 have essentially the same characteristics with regard to the retan function due to the arrangement, the two retan functions run retan(B x1 , B z1 , φ + ), retan(B x2 , B z2 , φ + ) parallel to each other and have the same gradient m. At the actual position x T of the target T, a value R 1 , R 2 is obtained for each retan function retan(B x1 , B z1 , φ + ), retan(B x2 , B z2 , φ + ). According to formula 5, the slope m can be determined from the two values R 1 , R 2 for the retan functions and the distance S between the two sensor elements E 1 , E 2 , which is then used for the linear functions according to formula 4 and 4* . m = ( x 2 x 1 ) / ( R 1 R 2 ) = S / ( R 1 R 2 )
Figure DE102022122599B3_0023

4 und 5 zeigen zwei Anwendungsbeispiele, bei denen der lineare magnetische Positionssensor an zwei verschiedene pneumatische Zylinder mit radial orientierten Zylindermagneten angeordnet wurde. Der Positionssensor umfasst drei kollinear angeordnete Sensorelemente, die jeweils im Abstand S von 9,03 mm angeordnet sind. In 4a und 5a ist jeweils ein Diagramm der Komponenten des Magnetfeldvektors in x-Richtung Bx und in z-Richtung Bz sowie des Absolutwerts des Magnetfeldvektors |B|, die durch die drei Sensorelemente gemessen wurden, über der Position x des Ziels T dargestellt, in 4b und 5b ist jeweils ein Diagramm des Vektorwinkels αB über der Position x des Ziels T für die drei Sensorelemente dargestellt, in 4c und 5c ist jeweils ein Diagramm der retan-Funktionen retan über der Position x des Ziels T für die drei Sensorelemente dargestellt und in 4d und 5d ist jeweils ein Diagramm der durch das Verfahren erfassten Position xe und der tatsächlichen Position x sowie ein Fehler F dargestellt. Die erfasste Position xe ist hierbei von einem der Sensorelemente aus gesehen. 4 and 5 show two application examples in which the linear magnetic position sensor was arranged on two different pneumatic cylinders with radially oriented cylinder magnets. The position sensor comprises three collinearly arranged sensor elements, each arranged at a distance S of 9.03 mm. In 4a and 5a is a diagram of the components of the magnetic field vector in the x direction B x and in the z direction B z as well as the absolute value of the magnetic field vector |B|, which were measured by the three sensor elements, shown over the position x of the target T, in 4b and 5b a diagram of the vector angle α B is shown over the position x of the target T for the three sensor elements, in 4c and 5c a diagram of the retan functions retan is shown over the position x of the target T for the three sensor elements and in 4d and 5d A diagram of the position x e recorded by the method and the actual position x as well as an error F is shown. The detected position x e is seen from one of the sensor elements.

Für die Messung der der Komponenten des Magnetfeldvektors Bx, Bz, |B| und die Berechnung des Vektorwinkels αB sowie die Berechnung der retan-Funktion retan wird auf vorstehende Beschreibung verwiesen. Für die retan-Funktion wurde die Steigung m jeweils bei einer Position xT des Ziels T bei 34 mm eingelernt. Dabei wurde jedes Sensorelement je ein Steigungswert ermittelt und die Steigungswerte nach dem vom jeweiligen mitwirkenden Sensorelement gemessenen Betrag des Magnetfeldvektors gewichtet. Im Beispiel aus 4 beträgt die Steigung m -1,40 und im Beispiel aus 5 beträgt die Steigung m -2,51. Für Bestimmung der erfassten Position xe wurden die Messungen der einzelnen Sensorelemente ebenfalls gewichtet. Dabei wurde für die Gewichtung der um 1000 LSB reduzierte Betrags des Magnetfeldvektors, was einem Faktor von ca. 10% bis 15% des maximalen absoluten Werts des digitalisierten Magnetfeldvektors entspricht, verwendet. Die Reduzierung um 1000 LSB stellt ein ausreichendes Signal-Rausch-Verhältnis bzw. Signal-Hintergrund-Verhältnis für eine verlässliche Auswertung sicher und unterdrückt zudem anormale Winkelwerte, die bei großem Abstand zwischen dem Ziel und dem betroffenen Sensorelement auftreten. Die Gewichtung wurde zu 0 gesetzt, wenn der um 1000 LSB reduzierte Betrags des Magnetfeldvektors negativ ist.For measuring the components of the magnetic field vector B x , B z , |B| and the calculation of the vector angle α B as well as the calculation of the retan function retan is referred to the description above. For the retan function, the gradient m was taught at a position x T of the target T at 34 mm. Each sensor element was determined to have a slope value and the slope values were weighted according to the amount of the magnetic field vector measured by the respective sensor element involved. In the example 4 the gradient m is -1.40 and in the example 5 the gradient is m -2.51. To determine the recorded position x e, the measurements of the individual sensor elements were also weighted. The amount of the magnetic field vector reduced by 1000 LSB, which corresponds to a factor of approximately 10% to 15% of the maximum absolute value of the digitized magnetic field vector, was used for the weighting. The reduction of 1000 LSB ensures a sufficient signal-to-noise ratio or signal-to-background ratio for reliable evaluation and also suppresses abnormal angle values that occur when there is a large distance between the target and the affected sensor element. The weighting was set to 0 if the magnitude of the magnetic field vector reduced by 1000 LSB is negative.

Es ist ersichtlich, dass trotz Fehler durch den Versatz bezüglich des Nullpunkts der Sensorelemente, dem nichtidealen Charakter der Magnetfeldstruktur, wie z. B. einer kleinskalierten Rotation des Magneten im Beispiel aus 5 und Ähnlichem, der Vergleich zwischen der durch das Verfahren erfassten Position xe und der tatsächlichen Position x linear ist, zumindest in einem Bereich, in dem die Sensorelemente angeordnet sind. Durch den großen linearen Bereich können Sensoren mit langer Reichweite in einem kleinen Gehäuse hergestellt werden. Da der Erfassungsbereich über das Gehäuse hinausgeht, können noch größere Erfassungsbereiche erreicht werden, indem mehrere Positionssensoren miteinander verbunden werden, entweder physisch, durch internen Datenaustausch zwischen den Sensorelementen oder einfach durch Fusion der simultan gemessenen Sensorsignale der Positionssensoren. Zudem kann die Anzahl der Sensorelemente pro Längeneinheit reduziert werden, wodurch die Kosten für den Positionssensor reduziert werden können.It can be seen that despite errors due to the offset with respect to the zero point of the sensor elements, the non-ideal character of the magnetic field structure, such as. B. a small-scale rotation of the magnet in the example 5 and the like, the comparison between the position x e detected by the method and the actual position x is linear, at least in a region in which the sensor elements are arranged. The large linear range allows long-range sensors to be manufactured in a small package. Since the detection range extends beyond the housing, even larger detection ranges can be achieved by connecting multiple position sensors together, either physically, through internal data exchange between the sensor elements, or simply by fusing the position sensors' simultaneously measured sensor signals. In addition, the number of sensor elements per unit length can be reduced, whereby the costs for the position sensor can be reduced.

Claims (10)

Verfahren zur Erfassung einer Position (x) eines Ziels (T) mittels eines linearen magnetischen Positionssensors mit zumindest zwei Sensorelementen (E1, E2), die eingerichtet sind, einen Magnetfeldvektor (B) des Ziels (T) zu messen, gekennzeichnet durch folgende Schritte: - Messen des Magnetfeldvektors (B) des Ziels (T) durch zumindest ein Sensorelement (E1, E2); - Berechnen von einem Wert (R1, R2) einer Tangens-Funktion retan des halben Vektorwinkels αB aus dem Magnetfeldvektor (B); - Ermitteln einer Position (xe) des Ziels (T) mittels einer linearen Funktion aus der Tangens-Funktion retan des halben Vektorwinkels αB und der Position (x1, x2) des zumindest einen Sensorelements (E1, E2), wobei die Tangens-Funktion retan gemäß der folgenden Formel berechnet wird: retan ( B x , B z , φ + ) = tan ( 1 2 ( arctan2 ( B x , B z ) + φ + ) ) ,
Figure DE102022122599B3_0024
wobei Bx die axiale Komponente und Bz die radiale Komponente des Magnetfeldvektors bezeichnet und φ+ eine optionale Größe ist, welche die Orientierung des magnetischen Dipols des Ziels angibt, und der Vektorwinkel αB gemäß der folgenden Formel berechnet wird: α B = arctan2 ( b x A , b z A ) ,
Figure DE102022122599B3_0025
wobei Folgendes gilt: b x A = 3 2 cos ( 2 α ) 1 2  und  b z A = 3 2 sin ( 2 α ) ,
Figure DE102022122599B3_0026
wobei α der Ortsvektor-Winkel ist.
Method for detecting a position (x) of a target (T) using a linear magnetic Position sensor with at least two sensor elements (E 1 , E 2 ), which are set up to measure a magnetic field vector (B) of the target (T), characterized by the following steps: - measuring the magnetic field vector (B) of the target (T) by at least one Sensor element (E 1 , E 2 ); - Calculating a value (R1, R2) of a tangent function retan of half the vector angle α B from the magnetic field vector (B); - Determining a position (x e ) of the target (T) using a linear function from the tangent function retan of half the vector angle α B and the position (x 1 , x 2 ) of the at least one sensor element (E 1 , E 2 ), where the tangent function retan is calculated according to the following formula: retan ( b x , b e.g , φ + ) = tan ( 1 2 ( arctan2 ( b x , b e.g ) + φ + ) ) ,
Figure DE102022122599B3_0024
where B x denotes the axial component and B z the radial component of the magnetic field vector and φ + is an optional quantity indicating the orientation of the target magnetic dipole, and the vector angle α B is calculated according to the following formula: α b = arctan2 ( b x A , b e.g A ) ,
Figure DE102022122599B3_0025
where the following applies: b x A = 3 2 cos ( 2 α ) 1 2 and b e.g A = 3 2 sin ( 2 α ) ,
Figure DE102022122599B3_0026
where α is the position vector angle.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass beim Berechnen der Tangens-Funktion retan des halben Vektorwinkels αB die Orientierung des magnetischen Dipols des Ziels (T) miteinfließt.Procedure according to Claim 1 , characterized in that when calculating the tangent function retan of half the vector angle α B , the orientation of the magnetic dipole of the target (T) is taken into account. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Selbstkalibrierung der zumindest zwei Sensorelemente (E1, E2) mit folgenden Schritten durchgeführt wird: - Messen zweier Magnetfeldvektoren (B) durch zwei Sensorelemente (E1, E2); - Berechnen jeweils der Werte (R1, R2) der Tangens-Funktionen retan des halben Vektorwinkels αB an der Position des Ziels (xT) aus den beiden Magnetfeldvektoren (B); - Berechnen einer Differenz der Werte (R1, R2) der Tangens-Funktionen retan des halben Vektorwinkels αB; - Bilden des Verhältnisses des Abstands (S) zwischen den beiden Sensorelementen (E1, E2) und der Differenz der Werte (R1, R2) der Tangens-Funktionen retan des halben Vektorwinkels αB zur Berechnung der Steigung (m) der linearen Funktion.Procedure according to Claim 1 or 2 , characterized in that a self-calibration of the at least two sensor elements (E 1 , E 2 ) is carried out with the following steps: - measuring two magnetic field vectors (B) by two sensor elements (E 1 , E 2 ); - Calculating the values (R 1 , R 2 ) of the tangent functions retan of half the vector angle α B at the position of the target (x T ) from the two magnetic field vectors (B); - Calculating a difference between the values (R 1 , R 2 ) of the tangent functions retan of half the vector angle α B ; - Forming the ratio of the distance (S) between the two sensor elements (E 1 , E 2 ) and the difference of the values (R 1 , R 2 ) of the tangent functions retan of half the vector angle α B to calculate the slope (m). linear function. Verfahren nach Anspruch 3, wobei der lineare magnetische Positionssensor zumindest drei Sensorelemente (E1, E2) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Selbstkalibrierung zwei berechnete Steigungen (m) der linearen Funktion für die zumindest drei Sensorelemente (E1, E2) paarweise miteinander fusioniert werden.Procedure according to Claim 3 , wherein the linear magnetic position sensor comprises at least three sensor elements (E 1 , E 2 ), characterized in that during self-calibration two calculated slopes (m) of the linear function for the at least three sensor elements (E 1 , E 2 ) are fused together in pairs . Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass zur Fusion der berechneten Steigungen (m) ein gewichtetes arithmetisches Mittel der paarweise berechneten Steigungen (m) berechnet wird.Procedure according to Claim 4 , characterized in that to fuse the calculated slopes (m), a weighted arithmetic mean of the pairwise calculated slopes (m) is calculated. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass Steigungswerte (m), die in unzuverlässigen Messsituationen erhalten wurden, bei der Fusion unterdrückt oder ausgeschlossen werden.Procedure according to Claim 4 or 5 , characterized in that slope values (m) that were obtained in unreliable measurement situations are suppressed or excluded during fusion. Verfahren nach Anspruch 3, wobei der lineare magnetische Positionssensors zumindest drei Sensorelemente (E1, E2) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die berechneten Steigungswerte (m) miteinander verglichen werden und widersprüchliche Steigungswerte (m) oder Steigungswerte (m), die außerhalb eines für die jeweilige Anwendung anzunehmenden Bereichs liegen, ausgeschlossen werden.Procedure according to Claim 3 , wherein the linear magnetic position sensor comprises at least three sensor elements (E 1 , E 2 ), characterized in that the calculated slope values (m) are compared with one another and conflicting slope values (m) or slope values (m) that are outside one for the respective application within the assumed range can be excluded. Verfahren nach Anspruch 3, wobei der lineare magnetische Positionssensors zumindest drei Sensorelemente (E1, E2) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Selbstkalibrierung ein Lernprozess durchgeführt wird, bei dem für unterschiedliche Positionen (x) des Ziels (T) Steigungen (m) der linearen Funktion berechnet werden und die berechneten Steigungswerte (m) gemittelt werden.Procedure according to Claim 3 , wherein the linear magnetic position sensor comprises at least three sensor elements (E 1 , E 2 ), characterized in that during self-calibration a learning process is carried out in which slopes (m) of the linear function are determined for different positions (x) of the target (T). are calculated and the calculated gradient values (m) are averaged. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die berechneten Steigungen (m) nach dem Lernprozess, während der Erfassung der Position (x) des Ziels (T) aktualisiert werden.Procedure according to one of the Claims 7 or 8th , characterized in that the calculated slopes (m) are updated after the learning process, during the detection of the position (x) of the target (T). Linearer magnetischer Positionssensor, umfassend zumindest zwei Sensorelemente (E1, E2), wobei die Sensorelemente (E1, E2) eingerichtet sind, den Magnetfeldvektor (B) des Ziels T zu messen, wobei der lineare magnetische Positionssensor eingerichtet ist, das Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9 auszuführen.Linear magnetic position sensor, comprising at least two sensor elements (E 1 , E 2 ), wherein the sensor elements (E 1 , E 2 ) are set up to measure the magnetic field vector (B) of the target T, the linear magnetic position sensor being set up, the method according to one of the Claims 1 until 9 to carry out.
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