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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine magnetische Kalibrierungsvorrichtung,
insbesondere zum Kalibrieren von Hall-Sensoren in drei Dimensionen.
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Ein
Kalibrierungs- und Messsystem für
eine mehrachsige Vorrichtung wird in
EP 0 756 179 A2 offenbart, die einen Speicher
zum Speichern einer Menge von Testmesswerten, die aus der mehrachsigen
Vorrichtung in einem im Wesentlichen homogenen Feld ermittelt wird,
und einen Kalibrierungstransformationsgenerator zum Generieren aus
der Menge von Testmesswerten zum Kalibrieren der mehrachsigen Vorrichtung
aufweist, wobei die Menge von Testmesswerten auf einer mehrdimensionalen
Oberfläche
liegt.
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US 4.767.988 offenbart die
Bestimmung der Orientierung einer sich bewegenden Plattform in Bezug auf
ein Magnetfeld durch Drehen eines Dreikomponentenvektormagnetometers,
das auf der Plattform montiert ist, um mindestens zwei Achsen in
dem Magnetfeld. Änderungen
der Signale aus dem Magnetometer werden überwacht, und die Richtung
des Magnetfelds bezüglich
der Plattform wird aus den Signaländerungen berechnet. Es ist
nicht erforderlich, die Gleichstromvormagnetisierung jedes Magnetometerkanals
oder die Komponente des Hintergrundmagnetfelds entlang jeder Achse
des Magnetometers zu kennen.
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Ein
Verfahren, das Korrekturfaktoren zum Bestimmen eines magnetischen
Gradienten verwendet, ist aus
US
5.990.679 bekannt.
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Ein
Kalibrator, der einen Magnetazimutdetektor von Fahrzeugen kalibrieren
kann, wird in
US 4.338.810 offenbart.
Der Kalibrator umfasst einen Testdetektor zum Bereitstellen eines
Testsignals, das die magnetische Orientierung des Testdetektors
in Bezug auf das vorherrschende Magnetfeld der Erde erkennen lässt.
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US 4.622.644 offenbart ein
magnetisches Positions- und Orientierungsmesssystem, das drei Meter zueinander
orthogonale Hall-Effekt-Elemente verwendet.
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Es
ist üblich,
Hall-Sensoren zu verwenden, um die Stärke eines Magnetfelds, das
in medizinischen, physikalischen oder technischen Anordnungen oder
Systemen vorliegt, zu bestimmen. Zum Beispiel offenbart
EP 0 947 846 A2 einen
dreidimensionalen (3D) Magnetfeldsensor zum Messen der drei Komponenten
eines Magnetfeldes, das einen Hall-Sensor und eine elektronische Schaltung
aufweist. Der Hall-Sensor umfasst eine aktive Fläche eines ersten Leitfähigkeitstyps
in Verbindung mit Spannungs- und Stromkontakten. Vier Spannungskontakte
liegen vor, die wiederum mit Eingangsklemmen der elektronischen
Schaltung verbunden sind. Mittels Summierung beziehungsweise Subtraktion
von ausgewählten
elektrischen Potenzialen der Spannungskontakte leitet die elektronische
Schaltung drei Signale ab, die proportional zu den drei Komponenten des
Magnetfelds sind. Außerdem
hat der Magnetfeldsensor den Vorteil, dass er aufgrund der Tatsache,
dass die gemeinsame aktive Fläche
eine Größe von typischerweise
nur 100 μm·100 μm bis zu
300 μm·300 μm hat, alle
drei Komponenten des Magnetfelds bei einem gemeinsamen Volumen oder
Punkt misst. Da der Hall-Sensor jedoch eine hohe Querempfindlichkeit
zwischen den Komponenten des Magnetfelds aufweist, wird eine zuverlässige, genaue
Kalibrierung benötigt,
insbesondere wenn man an einer hohen Auflösung selbst in hochmagnetischen
Feldern interessiert ist.
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Eine
herkömmliche
zweiachsige Kalibrierungsvorrichtung mit einem Rotator würde hochgenaue
Stellungs- oder Winkelgeber erforderlich machen, um eine hohe Auflösung zu
erzielen. Abgesehen von ihren unzweckmäßigen Größen sind Geber dieser Art sehr
teuer. Außerdem
muss der Rotator der Kalibrierungsvorrichtung so ausgelegt sein,
dass er ein Spiel von weniger als 10–4 rad
aufweist, was dazu führt,
dass die Produktionskosten steigen. Es ist deshalb das Ziel der
vorliegenden Erfindung, eine magnetische Kalibrierungsvorrichtung
bereitzustellen, welche die Nachteile des Standes der Technik überwindet.
Insbesondere ist es das Ziel der vorliegenden Erfindung, eine einfache
Kalibrierungsvorrichtung zum Kalibrieren eines Magnetfeldsensors
bereitzustellen, die in der Lage ist, einen Magnetfeldsensor mit
einer hohen Genauigkeit, d.h. einer hohen Auflösung, zu kalibrieren. Ein weiteres
Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung einer Kalibrierungsvorrichtung,
die alle drei Komponenten eines Magnetfelds unabhängig von
ihrer Orientierung in Bezug auf das Magnetfeld misst.
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Dieses
Ziel wird durch eine magnetische Kalibrierungsvorrichtung erreicht,
die Montagemittel, die so ausgelegt sind, dass sie mindestens eine
Magnetsensorkarte, die abnehmbar befestigt ist, und mindestens einen
Magnetsensor, insbesondere in Form eines Hall-Sensors umfasst, der
zu kalibrieren und mit einer ersten analogen elektronischen Schaltung
mit mindestens einer Stromquelle sowie mindestens einem ersten Analog-Digital-Wandler zu verbinden
ist, und mindestens eine Spulenkarte, die abnehmbar befestigt ist
und drei Spulen umfasst, die im Wesentlichen orthogonal zueinander
angeordnet sind und mit einer zweiten analogen elektronischen Schaltung
mit mindestens einem zweiten Analog-Digital-Wandler verbunden sind; mindestens ein
Verbindungsmittel, insbesondere in Form eines Kabels oder einer
drahtlosen Verbindung, zum Anlegen von mindestens einer Versorgungsspannung
VS an die erste beziehungsweise die zweite
analoge elektronische Schaltung und zum Führen von digitalen Signalen
aus dem ersten beziehungsweise zweiten Analog-Digital-Wandler zu
mindestens einer Verarbeitungseinheit; einen Magnet zum Erzeugen
eines im Wesentlichen homogenen und konstanten Kalibrierungsmagnetfelds;
und einen Rotator zum Drehen der Karten in dem Kalibrierungsmagnetfeld
um zwei im Wesentlichen orthogonale Achsen umfasst.
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In
einer Ausführungsform
der Erfindung umfasst der Rotator zwei Kegelräder wie etwa Zahnräder oder Rollenräder, zwei
im Wesentlichen konzentrisch angeordnete Wellen und mindestens eine
Antriebseinheit für die
Wellen, insbesondere in Form einer Schrittmotorsteuereinheit, die
mit zwei Motoren verbunden ist und/oder den Wellen über Schneckenräder verbunden
ist.
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Es
wird bevorzugt, dass die mindestens eine Antriebseinheit außerhalb
des Kalibrierungsmagnetfelds angeordnet ist.
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Gemäß der Erfindung
können
die Drehgeschwindigkeit und -richtung der zwei Wellen durch die
mindestens eine Antriebseinheit gesteuert werden, um den vollen
Bereich von Polar- und Azimutwinkeln der Einheitskugel durch eine
kontinuierliche Bewegung, vorzugsweise einschließlich einer zeitumgekehrten
Drehung zum Kompensieren von Induktionseffekten in dem mindestens
einen Sensor zu erfassen.
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Außerdem wird
in einer Ausführungsform
der Erfindung die magnetische Kalibrierungsvorrichtung mindestens
teilweise durch schwingungsdämpfendes
und nicht leitendes Material gebildet, weist vorzugsweise mindestens
eine der Wellen schweres, nicht leitendes Material auf und/oder
ist in Gleitlagern angeordnet.
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Mit
der Erfindung wird beabsichtigt, dass sich die Anzahl der Drehungen
der inneren Welle von der Anzahl der Drehungen der äußeren Welle
um eine Drehung innerhalb eines Kalibrierungszyklus unterscheidet, wobei
das Kabel vorzugsweise nur einmal innerhalb eines Kalibrierungszyklus
gedreht wird.
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Es
wird bevorzugt, dass die mindestens eine Verarbeitungseinheit außerhalb
des Kalibrierungsmagnetfelds und ortsfest angeordnet ist.
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In
noch einem weiteren Aspekt der Erfindung sind mehrere Magnetsensorkarten
und/oder mindestens eine Magnetsensorkarte und die Spulenkarte aneinander,
vorzugsweise mit geringem Zwischenraum, stapelbar angeordnet.
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In
einer Ausführungsform
sind mindestens ein Passstift, eine Schraube, ein Bolzen, eine Klemme und/oder
Schelle vorgesehen, um mindestens eine Magnetsensorkarte und/oder
Spulenkarte genau und reproduzierbar zu positionieren.
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Gemäß der Erfindung
kann der Raum, der durch die drei Spulen auf der Spulenkarte belegt
wird, bis zu ungefähr
10 × 10 × 10 mm3 für
Magnetfelder in dem Bereich von ungefähr 0,1 bis 2,0 Tesla betragen.
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In
noch einer weiteren Ausführungsform
der Erfindung sind die Spulen aus 20 μm Draht in die Form von Zylindern
mit einem Durchmesser und einer Höhe von jeweils bis zu ungefähr 5 mm
für Magnetfelder
in dem Bereich von ungefähr
0,1 bis 2,0 Tesla gewickelt und/oder werden jeweils von einer geerdeten
elektrostatischen Abschirmung umgeben.
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In
einem weiteren Aspekt der Erfindung trägt eine Magnetsensorkarte einen
dreidimensionalen oder einen zweidimensionalen und einen eindimensionalen
oder drei eindimensionale Hall-Sensor(en).
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Mit
der Erfindung wird vorgesehen, dass die erste analoge elektronische
Schaltung mindestens ein Tiefpassfilter, einen Multiplexer und/oder
Delta-Sigma-Modulator aufweist. Mit der Erfindung wird auch vorgesehen,
dass die zweite analoge elektronische Schaltung mindestens ein Tiefpassfilter,
einen Multiplexer und/oder Delta-Sigma-Modulator aufweist. Es wird
bevorzugt, dass die erste und/oder zweite elektronische Schaltung,
insbesondere das mindestens eine Tiefpassfilter, im Bereich des
Drehungsmittelpunkts der Karten angeordnet ist.
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Eine
weitere Ausführungsform
ist dadurch gekennzeichnet, dass die Verarbeitungseinheit Mittel
zum Integrieren der digitalen Spulensignale, um die Komponenten
des Kalibrierungsmagnetfelds in Winkelkoordinaten in Bezug auf die
Spulen zu ermitteln; Mittel zum Zerlegen der digitalen Magnetsensorausgangsspannungen
in sphärische
Harmonische auf der Grundlage der ermittelten Winkelkoordinaten;
und Mittel zum Speichern der ermittelten Koeffizienten der sphärischen
Harmonischen als Funktion des Kalibrierungsmagnetfelds, um eine
Kalibrierungstabelle zu erhalten, umfasst.
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In
einer Ausführungsform
der Erfindung gibt es optional mindestens ein Magnetometer, insbesondere mindestens
ein NMR-Magnetometer und/oder einen festen Hall-Sensor, das/die
innerhalb des Kalibrierungsmagnetfelds angeordnet und mit der Verarbeitungseinheit
verbunden ist/sind, um der Verarbeitungseinheit den Absolutwert
des Kalibrierungsmagnetfelds bereitzustellen.
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Die
Verarbeitungseinheit umfasst vorzugsweise Mittel zum Durchführen einer
Transformation der ermittelten Winkelkoordinaten zum Ausrichten
des Bezugsrahmens auf die Symmetrieachsen des mindestens einen Magnetsensors.
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Außerdem ist
eine Ausführungsform
der Erfindung durch mindestens einen Temperaturmessfühler gekennzeichnet,
der von einem Thermistor oder dem Hall-Sensor aufgewiesen wird und
der mit der Verarbeitungseinheit verbunden ist, um die Temperatur
innerhalb des Kalibrierungsmagnetfelds, insbesondere des Hall-Sensors,
an die Verarbeitungseinheit zu liefern.
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Mit
der Erfindung wird bevorzugt, dass die Verarbeitungseinheit Mittel
zum Ermitteln der Temperatur des Hall-Sensors durch Zerlegen der
Hall-Eingangsspannungen, die von der Größe und der Richtung des Kalibrierungsmagnetfelds
und der Temperatur abhängig
sind, in sphärische
Harmonische auf der Grundlage der Zerlegung der Hall-Ausgangsspannungen
umfasst.
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In
noch einer weiteren Ausführungsform
der Erfindung wird ein wärmeisolierendes
Gehäuse,
in dem die Montagemittel mit den Magnetsensor- und Spulenkarten
untergebracht sind, vorgesehen, wobei das wärmeisolierende Gehäuse vorzugsweise
mit einer Regelschaltung zum Regeln der Temperatur innerhalb des Gehäuses, die
insbesondere durch den Temperaturmessfühler gemessen wird, verbunden
ist.
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In
einem weiteren Aspekt der Erfindung umfasst die Regelschaltung,
die vorzugsweise von der Verarbeitungseinheit aufgewiesen wird,
ein Peltier-Element zum Kühlen
und/oder Heizen, mindestens einen Lüfter, der vorzugsweise durch
einen Motor außerhalb
des Kalibrierungsmagnetfelds angetrieben wird, und eine Regeleinheit.
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Mit
der Erfindung wird auch vorgesehen, dass die Stromquelle des Hall-Sensors
entweder eine konstante Stromquelle oder eine genaue Spannungsquelle
ist, mit einem Innenwiderstand, der im Wesentlichen gleich dem Eingangswiderstand
des Hall-Sensors ist. In einer Ausführungsform der Erfindung werden
optional mindestens zwei Magnetsensorkarten durch die Montagemittel
gehalten, wobei eine Karte mindestens einen kalibrierten Hall-Sensor
trägt und
jede übrige
Karte mindestens einen Hall-Sensor trägt, der durch Vergleich mit
dem mindestens einen kalibrierten Hall-Sensor zu kalibrieren ist.
Schließlich
weist in einer Ausführungsform
der Erfindung ein Mikroprozessor und/oder Personalcomputer die Verarbeitungseinheit
auf.
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Dementsprechend
wird mit der Erfindung eine magnetische Kalibrierungsvorrichtung
bereitgestellt, die sich kontinuierlich um zwei orthogonale Achsen
drei im wesentlichen orthogonale Spulen und zum Beispiel einen dreidimensionalen
Hall-Sensor, der in einem konstanten, homogenen Magnetfeld zu kalibrieren
ist, dreht. Der volle Bereich von Polar- und Azimutwinkeln wird durch eine jeweilige
Drehung erfasst. Die zu drehenden Teile der Vorrichtung sind kompakt
hergestellt, um zwischen Polschuhe eines speziellen Magneten zu
passen. Das Magnetfeld muss mindestens über den Raum, der durch die
Spulen und die Hall-Sensoren während
der Drehung erfasst wird, konstant und homogen sein. Ein solches
Magnetfeld ist in einem speziellen Magnet mit optimierten Spulen-
und Polabmessungen oder am Mittelpunkt eines großen Magnets anzutreffen. Je
größer der
homogene Bereich des Magnets, desto mehr Hall-Sensoren können gleichzeitig
kalibriert werden.
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Die
zu kalibrierenden Hall-Sensoren werden auf der magnetischen Kalibrierungsvorrichtung
der Erfindung mittels Passstiften, Schrauben oder Klammern genau
angebracht. Die Orientierung der Spulen und der Hall-Sensoren ist
aus den integrierten Spulenspannungen ableitbar.
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Mit
der Vorrichtung der Erfindung ist eine Kalibrierung von Hall-Sensoren
im Vergleich zu mindestens einem der kalibrierten Hall-Sensoren
möglich,
wobei die Kalibrierungszeit minimiert wird.
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Ein
spezieller Rotator wird in der magnetischen Kalibrierungsvorrichtung
der Erfindung für
eine ruhige Drehung verwendet, die erforderlich ist, um Orientierungsfehler
zu vermeiden. Jede abrupte Bewegung eines Rotators würde einen
Spitzenwert in den Spulenspannungen und einen vergrößerten Fehler
in deren Integration, die erforderlich ist, um die Komponenten des
Kalibrierungsmagnetfelds zu ermitteln, verursachen. Der Rotator
wird durch zwei konzentrische Achsen angetrieben, die äußere treibt
einen Flansch an, der Montagemittel für Spulenkarten und Hall-Sensorkarten
trägt.
Die Montagemittel werden über
zwei Kegelzahnräder durch
beide konzentrische Achsen angetrieben. Die Kegelzahnräder können durch
Kegelrollenräder
ohne Zähne
ersetzt werden. Die Bewegung wird in diesem Fall ruhiger, aber aufgrund
von Schlupf ist die Positionierung weniger genau. Durch Wählen der
richtigen Drehgeschwindigkeit und -richtung der Achsen wird der
volle Bereich von Polar- und
Azimutwinkeln durch eine kontinuierliche Bewegung erfasst. Die Geschwindigkeit
ist durch das Schwingungsniveau beschränkt. Die inneren Achsen sollten
eine Drehung mehr oder eine Drehung weniger als die Anzahl von Drehungen
der äußeren Achsen
machen, um an derselben Stelle zu enden, von der gestartet wurde.
Das bedeutet, dass Kabel selbst nach einer Kalibrierung von vielen
Drehungen der Achsen nur eine effektive Drehung machen. Die Durchführung einer
Kalibrierung mit zeitumgekehrter Drehung kann die Induktionswirkung
in der Hall-Schaltung bestimmen.
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Schweres,
nicht leitendes Material wird verwendet, um Schwingungen zu verringern
und Wirbelströme zu
vermeiden. Mechanische Dämpfung
wird durch Verwendung von Silikonfett in Gleitlagern der Wellen
und Räder
erreicht.
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Die
Montagemittel sind durch zwei Zentrierschrauben mit Handgriff am
Flansch auf der äußeren Achse befestigt.
Das erleichtert das Entfernen der Montagemittel vom Rest der Vorrichtung,
um die zu kalibrierenden Hall-Sensorkarten außerhalb des Magnets zu wechseln.
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Die
magnetische Kalibrierungsvorrichtung der Erfindung befindet sich
in einem wärmeisolierenden Gehäuse, dessen
Temperatur durch ein Peltier-Element und eine Regeleinheit geregelt
wird. Die Regeleinheit umfasst einen Thermistor, der nahe an den
sich drehenden Montagemitteln angeordnet ist. Der äußere Teil des
Peltier-Elements wird durch einen Lüfter außerhalb des Magnetfelds belüftet. Im
Inneren des Isolationsgehäuses
bewegt ein Ventilator die Luft, um eine gleichmäßige Temperatur zu erhalten.
Die Ventilatoren werden durch Motoren außerhalb des Magnetfelds angetrieben.
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Die
Elektronik einer magnetischen Kalibrierungsvorrichtung der Erfindung
umfasst für
jede Spule ein Tiefpassfilter und einen Analog-Digital-Wandler,
zum Beispiel einen Delta-Sigma-Modulator.
Die Ausgangsspannungen des zu kalibrierenden Hall-Sensors werden
durch einen Delta-Sigma-Modulator ebenfalls in digitale Signale
gewandelt. Das Durchlassband des Tiefpassfilters und die Sampleraten
des Delta-Sigma-Modulators werden optimiert, um das elektronische
und mechanische Rauschen des Systems zu verringern, insbesondere
um akzeptable Integrationsfehler zu erzielen. Alle feldempfindlichen
Komponenten auf den Spulenkarten und Hall-Sensorkarten sind so nah
als möglich
am Drehmittelpunkt der Karten angeordnet. Alle Leitungen werden
kurz und mit kleiner Schleifenoberfläche gegen parasitäre Induktion
gehalten.
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Die
Analog-Digital-Wandler brauchen eine Bezugsspannungsquelle. Da es
schwierig ist, eine Bezugsspannungsquelle, die völlig feldunempfindlich ist,
zu konstruieren, wird sie nicht auf der sich drehenden Plattform
sondern ortsfest und so nah als möglich am Analog-Digital-Wandler, verbunden
durch ein eng verdrilltes Doppelkabel, das in einer flexiblen Kabelführung untergebracht
ist, angeordnet. Diese flexible Kabelführung enthält auch verdrillte Doppelleitungen
von Versorgungsspannungen und digitalen Signalen der Analog-Digital-Wandler.
Die digitalen Leitungen der Spulenkarten und Hall-Sensorkarten können gemeinsam
genutzt werden. Die Versorgungsspannungsleitungen können durch
ein System von Kollektoren ersetzt werden, und die digitalen Leitungen
können
durch drahtlose Verbindungen ersetzt werden. In diesem Fall kann
auf ein flexibles Kabel verzicht werden und Schwingungen werden
weiter verringert.
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Die
Spulen werden als Zylinder mit typischen Durchmessern und Höhen von
5 mm, gefüllt
mit Drahtwicklungen mit möglichst
kleinen Durchmessern (0,02 mm) für
Magnetfelder von ungefähr
0,1 bis 2,0 Tesla gebildet. Sie sind von geerdeten elektrostatischen
Abschirmungen umgeben.
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Die
Stabilität
des Magnetfelds wird durch ein festes NMR-Magnetometer so nah als
möglich
am Magnetmittelpunkt und durch mehrere feste Hall-Sensoren überwacht.
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Die
Hall-Sensorkarte wird mit einem kleinen Hall-Strom versorgt, auf
diese Weise gibt sie wenig Wärme
ab und folgt der Umgebungstemperatur. Für den Hall-Sensor wird kein
Thermostat benötigt,
während
ein Temperatursensor in seiner Nähe
das Kalibrieren bei festen Temperaturen ermöglicht. Alternativ wird die
Temperatur des Hall-Sensors durch Messen seiner Eingangsspannung
als Funktion sowohl des Magnetfelds als auch der Temperatur bestimmt.
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Als
Stromquelle für
den Hall-Sensor kann eine genaue Spannungsquelle mit einem Innenwiderstand, der
im Wesentlichen gleich dem Eingangswiderstand des Hall-Sensors ist,
verwendet werden. In diesem Fall würde sich die in dem Hall-Sensor
erzeugte Wärme
infolge der Innenwiderstandsänderungen
des Hall-Sensors als Funktion des Magnetfelds wesentlich weniger ändern, was
zu einer stabileren Temperatur führt.
Bei einer stabileren Temperatur wird ein zusätzlicher Thermistor nicht benötigt, insbesondere
wenn die Hall-Ausgangs-
und Eingangsspannungen verarbeitet werden, um Informationen über die
Magnetfeld- und Temperaturwerte zu erhalten.
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Es
wird keine absolute Bezugsspannung für den gesamten Sensor-Analog-Digital-Wandler
verwendet, da die Analog-Digital-Wandler-Bezugsspannung und der
Hall-Strom linear von der Versorgungsspannung abhängig gemacht
werden. Kleine Versorgungsspannungsänderungen beeinflussen daher
nicht die Empfindlichkeit des Hall-Sensors. Eine Schaltung zur Steuerung
der Analog-Digital-Wandler-Empfindlichkeit ist vorgesehen.
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Ein
dreidimensionaler Hall-Sensor kann aus drei eindimensionalen Sensoren,
einem zweidimensionalen Sensor plus eindimensionalen Sensor oder
einem dreidimensionalen Sensor gebaut werden.
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Die
verschiedenen Spulenkarten und Hall-Sensorkarten sind über eine
serielle Datenleitung adressierbar, wobei viele serielle Datenleitungen
auf denselben Bus gelegt werden.
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Ein
Algorithmus wird durch die magnetische Kalibrierungsvorrichtung
der Erfindung verwendet, der auf einer Zerlegung von Hall-Spannungen
als Funktion von Azimut- und Polarwinkeln in sphärische Harmonische basiert.
Infolge der Orthogonalität
der sphärischen
Harmonischen ist diese Zerlegung eindeutig. Nach der Zerlegung wird
eine Transformation durchgeführt,
um den Bezugsrahmen der sphärischen
Harmonischen auf die Symmetrieachsen der Hall-Sensoren auszurichten,
wodurch das Vergleichen verschiedener Hall-Sensoren erleichtert
wird. Die maximale Ordnung sphärischer
Harmonischer, die man extrahieren kann, ist ungefähr gleich der
Anzahl von Drehungen der Hauptachsen des Rotators.
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Durch
Interpolation in einer Tabelle von Koeffizienten sphärischer
Harmonischer, die bei verschiedenen Werten des Magnetfelds und der
Temperatur gemessen wurden, ist es möglich, die Komponenten eines Magnetfelds
mit hoher Genauigkeit aus drei gemessenen Hall-Spannungen und der
Temperatur zu rekonstruieren. Auch die Hall-Eingangsspannung kann
als Funktion von Magnetfeld und Temperatur zerlegt werden, um das
Magnetfeld und die Temperatur zu rekonstruieren, wobei ein separater
Temperatursensor wegfällt.
Der Vorteil eines dreidimensionalen Ein-Chip-Hall-Sensors besteht
in diesem Fall darin, dass es nur eine Hall-Eingangsspannung gibt.
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Die
Erfindung zusammen mit weiteren Zielen und Vorteilen wird am besten
durch das Beispiel mit Bezugnahme auf die folgende Beschreibung
einer Ausführungsform,
die zusammen mit den dazugehörigen schematischen
Zeichnungen genommen wurde, verständlich, wobei
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1 eine
Querschnittansicht einer magnetischen Kalibrierungsvorrichtung gemäß der Erfindung
ist;
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2 eine
perspektivische Seitenansicht der magnetischen Kalibrierungsvorrichtung
von 1 ist;
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3 ein
Blockdiagramm der elektronischen Schaltung auf einer Hall-Sensorkarte
ist, die in der magnetischen Kalibrierungsvorrichtung von 1 und 2 verwendet
wird;
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4 eine
Seitenansicht einer beispielhaften Erfassung der Einheitskugel während der
Kalibrierung für
4 Drehungen der äußeren Achse
ist;
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5 eine
Draufsicht der Erfassung von 4 ist; und
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6 eine
perspektivische Ansicht der Erfassung von 4 ist.
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In 1 und 2 wird
eine magnetische Kalibrierungsvorrichtung 1 der Erfindung
veranschaulicht, die einen Rotator 2 aufweist, der aus
einer Tragplatte 3 gebildet wird, die mit Befestigungsschrauben 4 an
einem Flansch 5 angebracht ist. Dieser Flansch 5 ist
an einer äußeren Welle 6 befestigt,
die durch ein erstes Schneckenrad 7 angetrieben wird. Eine
innere Welle 8, die konzentrisch innerhalb der äußeren Welle 6 liegt, wird
durch ein zweites Schneckenrad 9 angetrieben. Das zweite
und das erste Schneckenrad 7, 9 werden wiederum
durch zwei Motoren (nicht gezeigt) angetrieben. Die gesamte Wellenbaugruppe
wird durch Gleitlager 10 und 11 getragen, die
die äußere Welle 6 beziehungsweise
die innere Welle 8 tragen. Die Gleitlager 11 für die äußere Welle 6 sind
in zwei Haltern 12 eingekapselt.
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An
dem zur Tragplatte 3 zeigenden Ende der inneren Welle 8 ist
ein erstes Kegelrad 13 angeordnet, das mit einem zweiten
Kegelrad 14, das senkrecht zum Rad 13 ist, ineinander
greift. Das zweite Kegelrad 14 ist so befestigt, dass es
sich in der Tragplatte 3 mit einer daran angeschraubten
Montageplatte 15 dreht. Zum Dämpfen von mechanischen Schwingungen
sind das zweite Kegelrad 14 sowie die Gleitlager 10, 11 mit
Silikonfett versehen. Um das Austreten von Fett zu verhindern, sind
das zweite Kegelrad 14 und die Montageplatte 15 mit
O-Ringen 16 gegenüber
der Tragplatte 3 abgedichtet. Die Kegelräder 13, 14 können entweder
Kegelzahnräder
oder Kegelrollenräder,
die keine Zähne
haben, sein. Der Hauptunterschied besteht darin, dass das Kegelrollenrad
eine etwas ruhigere Bewegung des Rotators bietet, während die
Positionierung wegen des Schlupfes weniger genau ist. Auf dem zweiten
Kegelrad 14 ist eine Spulenkarte 17 montiert,
wobei die Spulenkarte 17 im Wesentlichen alle, insbesondere
analoge Elektronik, einschließlich
drei orthogonaler Spulen 18, trägt. Drei Löcher 19 sind über die
Spulenkarte 17 verteilt, um Schrauben oder Passstifte (nicht
gezeigt) zum Tragen oder besser genauen Positionieren der Karte,
wie in 1 oder 2 gezeigt, aufzunehmen. Eine oder
mehr Hall-Sensorkarten sind auf dieselbe Weise montiert. Die Spulenkarte 17 ist
zusammen mit der/den Hall-Sensorkarte(n)
um zwei orthogonale Achsen über
die konzentrischen Wellebaugruppe 6 bis 9 und
die Kegelräder 13, 14 drehbar,
um den vollen Bereich von Polar- und Azimutwinkeln, wie in den 4 bis 6 gezeigt,
zu erfassen.
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Eine
Hall-Sensorkarte 17a, wie in 3 gezeigt,
umfasst eine elektronische Schaltung, an die eine Versorgungsspannung
VS angelegt ist. Durch die Unterstützung von
Spannungsteilern in Form von Widerständen 24 bis 27 wird
eine Bezugsspannung VRef. für den Analog-Digital-Wandler 20a und
eine Regelspannung VReg einer Stromquelle 22 für einen
Hall-Sensor 23 erzielt. Das stellt sicher, dass die Bezugsspannung
VRef und der Hall-Strom IHall beide
linear von der Versorgungsspannung VS abhängig gemacht
werden. Kleine Änderungen
der Versorgungsspannung VS beeinflussen
daher nicht die Empfindlichkeit des Hall-Sensors 23. Der Hall-Sensor 23 ist
mit dem Tiefpassfilter und dem Analog-Digital-Wandler 20a verbunden.
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Die
gesamte Kalibrierungsvorrichtung 1 ist aus schwerem/n,
nicht leitendem/n Material(ien) hergestellt, um sowohl Schwingungen
als auch Wirbelströme
während
der Bewegung zu verringern oder zu unterbinden. Zum Beispiel ist
die Wellenbaugruppe 6 bis 9 aus Bakelit hergestellt
und die Kegelräder 13, 14 sind aus
einem Acetal-Homopolymer mit dem Namen Delrin hergestellt. Geeignet
sind auch andere Phenolharze oder Polyacetale oder Kunststoffe im
Allgemeinen, die die vorstehend genannten, gewünschten charakteristischen
Merkmale aufweisen.
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Zu
Kalibrierungszwecken wird die Vorrichtung 1 in einem konstanten
und homogenen Feld zwischen den Polen eines Magnets (nicht gezeigt)
angeordnet. Die zwei Motore, die die Schneckenräder 7, 9 antreiben, sind
an einer entfernten Stelle außerhalb
jedes Magnetfelds von relevanter Stärke platziert. Durch das Antreiben
der äußeren Welle 6 in
einer bestimmten Richtung mittels eines speziellen Motors, angegeben
zum Beispiel in 2 durch den Pfeil A, drehen
sich der Flansch 5 und folglich die Spulenkarte 17 und
die Hall-Sensorkarte 17a in
derselben Weise. Eine Drehung der inneren Welle 8 über den
zweiten Motor, angegeben in 2 durch
den Pfeil B, bringt die Spulenkarte 17 und die Hall-Sensorkarte 17a dazu,
sich in eine durch den Pfeil C in 2 gezeigte
Richtung zu drehen. Insbesondere wird die Erfassung der Einheitskugel
in den 3 bis 5 für die Kalibrierungsvorrichtung 1 gezeigt,
d.h. für
die Spulen 18 auf der Spulenkarte 17 mit vier
Drehungen der äußeren Achsen
und drei Drehungen der inneren Achsen. Die Radien in den 4 bis 6 werden
auf den Wert von 1 normalisiert.
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Da
die Kalibrierungsvorrichtung 1 sehr empfindlich auf Temperaturänderungen
ist, wird der Rotator 2 außerdem im Inneren eines wärmeisolierenden
Gehäuses
(nicht gezeigt) platziert, in dem die Temperatur durch einen Thermistor,
ein Peltier-Element und eine Regeleinheit (nicht gezeigt) geregelt
wird, um Temperaturgradienten zu verringern. Der Thermistor wird
in der Nähe
der sich drehenden Spulenkarte 17 platziert. Der äußere Teil
des Peltier-Elements wird durch einen Lüfter außerhalb des Felds des Magnets über einen Schlauch
(nicht gezeigt) belüftet.
Außerdem
ist ein Ventilator, der die eingeschlossene Luft bewegt, eingebaut, um
ein gleichmäßiges Temperaturfeld
in dem Isolationsgehäuse
herzustellen, so dass eine Temperaturstabilität von ungefähr +/–0,02 K erreicht wird.
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In
der veranschaulichten Ausführungsform
sind die drei zylindrischen Spulen 18 auf der sich drehenden
Spulenkarte 17 mit einer Orientierung, die im Wesentlichen
orthogonal zueinander ist, angeordnet. Jede Spule 18 hat
eine Höhe
von ungefähr
5 mm und einen Durchmesser von 5 mm und ist aus Draht, der eine Dicke
von ungefähr
0,02 mm hat, gewickelt. Die kleine Größe der Spulen 18 gestattet
den Betrieb in einem Magnetfeld, das konstant und homogen sein muss,
in einem endlichen Volumen mit einer Größe von mindestens 10 × 10 × 10 mm3.
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Jede
während
der Drehung in einem Magnetfeld in den Spulen 18 induzierte
Spannung wird einem separaten Tiefpassfilter und Analog-Digital-Wandler 20 zugeführt, wobei
der Analog-Digital-Wandler 20 in
der Form eines 24 Bit-Δ-Σ-Modulators
(Delta-Sigma-Modulator) 4. Ordnung vorliegt. Der Δ-Σ-Modulator
wandelt sein Eingangssignal in einen Strom von Bits mit einer hohen
Taktrate oder besser Ausgabewortrate, während das Tiefpassfilter Frequenzen,
die höher
als ½ der
Ausgabewortrate sind, sperrt.
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Besondere
Aufmerksamkeit wurde der Elektronik geschenkt. Beim Positionieren
der feldempfindlichen Komponenten, wie etwa Spulen, zu kalibrierende
Hall-Sensoren und ihre Stromkreise, werden sie so nah als möglich am
Drehmittelpunkt der Karten 17, 17a angeordnet.
Leitungen werden kurz gehalten, verdrillt, und die Schleifenoberfläche wird
gegen parasitäre
Induktion klein gehalten. Eine flexible Kabelführung 21 enthält alle verdrillten
Doppelleitungen der Versorgungsspannungen und der digitalen Signale
von den Analog-Digital-Wandlern. Die digitalen Leitungen können durch
die Hall-Sensorkarte 17a und die Spulenkarte 17 gemeinsam
genutzt werden. Weiterhin können
die Versorgungsspannungsleitungen durch ein System von Kollektoren ersetzt
werden, die digitalen Leitungen können durch eine drahtlose Verbindung,
z.B. Infrarot, ersetzt werden. In diesem Fall kann auf das flexible
Kabel verzichtet werden, wodurch Schwingungen verringert werden.
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Die
Induktionswirkung in der Hall-Schaltung kann bestimmt werden, indem
eine Kalibrierung mit umgekehrter Drehung wie zum Beispiel im Vergleich
zu der in den 3 bis 5 gezeigten
Drehung durchgeführt
wird.
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Die
Stabilität
des Magnetfelds während
der Kalibrierung kann zum Beispiel durch ein festes NMR-Magnetometer
(nicht gezeigt) so nah als möglich
am Magnetmittelpunkt und durch mehrere feste Hall-Sensoren (nicht
gezeigt) überwacht
werden.
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Im
nachfolgenden wird die Kalibrierung eines dreidimensionalen Hall-Sensors
innerhalb eines Kalibrierungsmagnetfelds beschrieben:
Während der
Kalibrierung drehen sich die Karten 17, 17a kontinuierlich,
um Integrationsfehler zu minimieren, um die zwei orthogonalen Achsen,
die durch die Wellen 6, 8 angetrieben werden,
so dass der volle Bereich der Polar- und Azimutwinkel erfasst wird.
Auf
der Spulenkarte 17 werden die Spulenspannungen gefiltert
und die analogen gefilterten Signale werden in digitale Signale
gewandelt. Die gesampelten digitalen Signale werden aus der Spulenkarte 17 zu
einer entfernten Verarbeitungseinheit (nicht gezeigt) geleitet,
die insbesondere von einem Mikroprozessor aufgewiesen wird. Innerhalb
des Mikroprozessors, insbesondere offline, werden die gefilterten
Spulensignale rekonstruiert und integriert, um die Komponenten des
Kalibrierungsmagnetfelds in Winkelkoordinaten in Bezug auf die Spulen
zu ermitteln, während
der Absolutwert des Kalibrierungsmagnetfelds aus zum Beispiel einem
NMR-Magnetometer
kommt.
Auf der Hall-Sensorkarte werden die Hall-Eingangsspannungen
sowie die Hall-Ausgangsspannungen
gefiltert und in digitale Signale gewandelt. Die digitalen Signale
werden aus dem Hall-Sensorkarte zu der entfernten Verarbeitungseinheit
oder besser dem Mikroprozessor weitergeleitet.
Innerhalb des
Mikroprozessors werden auf der Grundlage der aus den Spulenspannungen
ermittelten Winkelkoordinaten die digitalen Hall-Spannungssignale
in sphärische
Harmonische zerlegt.
Mit Kalibrierungen, die bei verschiedenen
Absolutwerten des magnetischen Kalibrierungsfelds und der Temperatur
durchgeführt
werden, können
Tabellen der Koeffizienten von sphärischen Harmonischen für jeden Hall-Sensor
für jeden
Feldwert und Temperaturwert gespeichert werden, um eine Kalibrierungstabelle
zu erhalten. Eine solche Kalibrierungstabelle kann später verwendet
werden, um die Komponenten eines Magnetfelds mit dem kalibrierten
Hall-Sensor auf der Grundlage von gemessenen Hall-Spannungen zu
ermitteln.
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Die
magnetische Kalibrierungsvorrichtung der Erfindung in Kombination
mit einem mathematischen Algorithmus zur Durchführung der vorstehend beschriebenen
Schritte gestattet eine Kalibrierung von ein- oder mehrdimensionalen
Hall-Sonden mit hoher Genauigkeit. Die vorliegende Erfindung gestattet
die Kalibrierung eines 3D-Hall-Sensors, der auch aus drei 1D-Hall-Sensoren
oder einem 2D- plus einem 1D-HallSensor zusammengesetzt werden kann.
Außerdem
kann die Kalibrierungsvorrichtung der Erfindung auch verwendet werden,
um Magnetsensoren im Vergleich zu einem bereits kalibrierten 3D-Hall-Sensor zu kalibrieren,
wobei die Anforderung für
eine kontinuierlichen Bewegung unzutreffend ist und eine kürzere Kalibrierungszeit,
infolge der Tatsache, dass schnelle Bewegung, d.h. Drehung, von
einem Punkt zu einem anderen möglich
ist, resultiert.
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Als
Beispiel soll angeführt
werden, dass die vorliegende Erfindung verwendet werden kann, um
die magnetische Feldstärke
in Synchroton-Lichtquellen oder HF-Leistungsversorgungen, wie etwa
Strahlmagneten oder Wigglern, oder auf dem Gebiet der medizinischen
Physik, wie etwa NMR-Systemen oder Bestrahlungseinrichtungen, zu
bestimmen.
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