借助磁場傳感器陣列基于霍耳效應(yīng)非接觸測量相對(duì)位置的位移傳感器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及用于非接觸測量產(chǎn)生磁場的磁場源（102)和磁場傳感器（100)相對(duì)于彼此的相對(duì)位置的位移傳感器，其中磁場源（102)和磁場傳感器（100)相對(duì)于彼此可移動(dòng)。多個(gè)磁場探頭(106-1，106-2，106-3，--?106-N)產(chǎn)生多個(gè)位置信號(hào)，每個(gè)磁場探頭檢測磁場的磁通密度的至少兩個(gè)空間分量（By,Bz)?？刂坪陀?jì)算單元（108)基于所述多個(gè)位置信號(hào)計(jì)算位移傳感器的輸出信號(hào)，并且存儲(chǔ)單元（110)存儲(chǔ)各個(gè)位置信號(hào)，控制和計(jì)算單元計(jì)算磁通密度的大小并且將該大小與預(yù)定閾值比較，從而如果所述磁通密度的大小比所述閾值高則為各磁場探頭(106-1，106-2，106-3，--?106-N)輸出當(dāng)前計(jì)算的位置信號(hào)，如果所述磁通密度小于或者等于所述閾值則輸出先前存儲(chǔ)的位置信號(hào)。
【專利說明】借助磁場傳感器陣列基于霍耳效應(yīng)非接觸測量相對(duì)位置的 位移傳感器

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及用于非接觸測量產(chǎn)生磁場的磁場源和磁場傳感器相對(duì)于彼此的相對(duì) 位置的位移傳感器。本發(fā)明還進(jìn)一步涉及用于建立所述位置的相應(yīng)測量方法。
[0002] 借助于根據(jù)本發(fā)明的方法，具體地直線運(yùn)動(dòng)旨在借助于一個(gè)或者更多個(gè)永磁體和 磁性傳感器布置之間的磁互作用基于霍耳效應(yīng)非接觸地檢測和評(píng)估。

【背景技術(shù)】
[0003] 直線運(yùn)動(dòng)的測量例如用于控制機(jī)床，用在氣動(dòng)裝置中，用在自動(dòng)化技術(shù)和機(jī)器人 中，以及用在自動(dòng)部中。運(yùn)動(dòng)的無接觸檢測尤其提供了免于磨損的優(yōu)點(diǎn)。光學(xué)方法和磁性 方法在無接觸測量法中是最廣泛的。光學(xué)方法由于光的小波長確保非常高的精度等級(jí)，磁 性方法對(duì)于污物和損傷較不敏感，特別是因?yàn)榇朋w和傳感器部件能夠被完全地封閉在非磁 性的氣密性外殼中。
[0004] 各個(gè)制造商在市場上推出了其中可移位永磁體的位置借助于二維或三維的霍耳 傳感器來建立的位移傳感器系統(tǒng)。
[0005] 為在一部位處檢測相對(duì)直線運(yùn)動(dòng)，兩個(gè)互相垂直的磁場分量被測量，并且評(píng)估它 們的商來檢測該位置。該方法的優(yōu)點(diǎn)在于，在其中一場分量呈極值且因此不檢測小位移的 區(qū)域中，另一場分量更加強(qiáng)烈地對(duì)位移起反應(yīng)，從而在整個(gè)測量范圍上提供大致同樣高的 測量精度水平。
[0006] 此外，這一原理的優(yōu)點(diǎn)在于，由于用場分量之間的比例數(shù)來檢測位置，其對(duì)于絕對(duì) 磁場強(qiáng)度的改變相比較而言不是非常敏感。
[0007] 歐洲專利說明書EP 0979988 B1公開了用于永磁體和電子傳感器之間的相對(duì)直線 運(yùn)動(dòng)的無接觸磁探測的不同測量方法。為借助于電子傳感器檢測相對(duì)直線運(yùn)動(dòng)，在一位置 處檢測兩個(gè)互相垂直的場分量，該兩個(gè)場分量的商被計(jì)算以檢測該位置。
[0008] 在第二種方法變體中，還可以執(zhí)行已知的測量方法，使得為了借助于電子傳感器 檢測相對(duì)直線運(yùn)動(dòng)，在兩個(gè)位置處檢測兩個(gè)互相垂直的場分量，該兩個(gè)場分量的商被計(jì)算 以檢測該位置。
[0009] 公布的歐洲專利申請(qǐng)EP 2159546 A2公開了用于無接觸檢測在用于檢測兩個(gè)互相 垂直的磁場分量（R，A)的傳感器布置和永磁體之間的相對(duì)直線運(yùn)動(dòng)的測量方法。二維或三 維的霍耳傳感器用以代替?zhèn)€體的傳感器以檢測各個(gè)場分量。準(zhǔn)線性的位置測量線通過函數(shù) U = y-e+g形成，其中y是場分量的函數(shù)關(guān)系，而e和g是預(yù)定的電壓值。具體地，準(zhǔn)線性的 位置測量線U = f (y)由霍耳傳感器的輸出信號(hào)根據(jù)關(guān)系式y(tǒng) = a+b · R/f (c · Rn+d · An)形 成，其中R是徑向場分量，A是軸向場分量，U是測量電壓，并且a、b、c、d和n是常數(shù)因子。
[0010] 公布的歐洲專利申請(qǐng)EP 1243897 Α1涉及一種磁性的位移傳感器，其包括相對(duì)于 彼此能夠沿著預(yù)定路徑移位的磁場源和磁場傳感器。磁場傳感器測量磁場源產(chǎn)生的磁場的 兩個(gè)分量。然后，從測量的分量中得出構(gòu)成磁場傳感器和磁場源的相對(duì)位置的位置信號(hào)。該 公布中提出的關(guān)于位移傳感器的說明的特點(diǎn)在于，位置信號(hào)的建立包括磁場的兩個(gè)測量分 量的劃分。
[0011] 但是，這些已知的方法具有缺陷，即磁控制場在測定范圍的端部處變得非常弱，從 而用以計(jì)算所述位置的磁通密度的分量呈現(xiàn)小的值，且因此兩個(gè)值的信噪比對(duì)于計(jì)算變得 不利。
[0012] 歐洲專利說明書EP 1071919 B1進(jìn)一步公開了用于磁性位置建立的傳感器布置和 方法，其具有用于非線性傳感器范圍的校正，其中多個(gè)磁場轉(zhuǎn)換器沿著永磁體的位移路徑 布置。這些轉(zhuǎn)換器中的每一個(gè)供給一維的輸出信號(hào)，該輸出信號(hào)隨著磁體接近每個(gè)轉(zhuǎn)換器、 經(jīng)過每個(gè)轉(zhuǎn)換器以及再次移動(dòng)離開每個(gè)轉(zhuǎn)換器而改變。在這一布置中，在兩個(gè)磁場轉(zhuǎn)換器 之間的特性線轉(zhuǎn)變范圍中發(fā)生的非線性旨在以如下方式消除，即兩個(gè)轉(zhuǎn)換器在評(píng)估中被組 合且進(jìn)一步地固定的預(yù)定偏移值被添加到由此計(jì)算的輸出信號(hào)。但是，該已知布置不能使 用借助于多維霍耳傳感器的反正切計(jì)算的優(yōu)點(diǎn)，并且另外要求非常明顯的處理復(fù)雜性以用 于標(biāo)定。
[0013] 圖1示出了這樣的布置，其中霍耳傳感器100布置在固定位置，例如，布置在殼體 上，以非接觸地檢測直線運(yùn)動(dòng)并且檢測可移動(dòng)的永磁體102的磁場。根據(jù)永磁體102在運(yùn) 動(dòng)方向上的N/S極化，沿運(yùn)動(dòng)方向延伸的磁場由此被稱為磁場分量Bz，而橫向于此延伸的 分量則稱為By。由霍耳傳感器100覆蓋的在z方向上的整個(gè)測量范圍由附圖標(biāo)記104指 /_J、1 〇
[0014] 圖2示出了根據(jù)永磁體102所處的位置z的磁通密度的分量By和Bz的路徑。在 本示例中，零位置是永磁體102和傳感器100直接彼此相對(duì)的位置。
[0015] 能夠根據(jù)以下等式（1)計(jì)算的角度α在本示例中用作測量信號(hào)。
[0016]

【權(quán)利要求】
1. 用于非接觸測量產(chǎn)生磁場的磁場源（102)和磁場傳感器（100)相對(duì)于彼此的相對(duì)位 置的位移傳感器，其中所述磁場源（102)和所述磁場傳感器（100)相對(duì)于彼此可移動(dòng)， 其中所述磁場傳感器（100)包括： 用于產(chǎn)生多個(gè)位置信號(hào)的多個(gè)磁場探頭（106-1，106-2, 106-3,... 106-N)，每個(gè)磁場探 頭構(gòu)造為使得其檢測所述磁場的磁通密度的至少兩個(gè)空間分量（By，Bz)并且依據(jù)所測量 的分量產(chǎn)生所述位置信號(hào)， 控制和計(jì)算單元（108)，所述控制和計(jì)算單元用于基于所述多個(gè)位置信號(hào)計(jì)算所述位 移傳感器的輸出信號(hào)， 存儲(chǔ)單元（110)，所述存儲(chǔ)單元用于存儲(chǔ)個(gè)體位置信號(hào)，所述控制和計(jì)算單元能夠被 操作以計(jì)算所述磁通密度的大小并且將該大小與預(yù)定閾值比較，從而如果所述磁通密度的 大小比所述閾值高則為每個(gè)磁場探頭（106-1，106-2, 106-3,... 106-N)輸出當(dāng)前計(jì)算的位 置，并且如果所述磁通密度小于或者等于所述閾值則輸出先前存儲(chǔ)的位置信號(hào)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的位移傳感器，其中，每一位置信號(hào)是基于磁通密度的所述兩 個(gè)分量（By, Bz)的商來計(jì)算的。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的位移傳感器，其中，關(guān)聯(lián)的存儲(chǔ)單元（110)布置在磁場探 頭處，或者所述存儲(chǔ)單元（110)是所述控制和計(jì)算單元（108)的部分。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的位移傳感器，其中，每個(gè)磁場探頭包括二維或三維的霍耳傳 感器。
5. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的位移傳感器，其中，所述磁場源（102)包括至少 一個(gè)永磁體。
6. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的位移傳感器，其中，所述磁場源（102)產(chǎn)生磁場， 該磁場相對(duì)于由所述磁場源和所述磁場傳感器之間的相對(duì)直線運(yùn)動(dòng)限定的軸線旋轉(zhuǎn)對(duì)稱。
7. 用于非接觸測量產(chǎn)生磁場的磁場源（102)和磁場傳感器（100)相對(duì)于彼此的相對(duì)位 置的方法， 其中所述磁場源（102)和所述磁場傳感器（100)相對(duì)于彼此可移動(dòng)， 其中所述磁場傳感器（100)包括用于產(chǎn)生多個(gè)位置信號(hào)的多個(gè)磁場探頭 (106-1，106-2, 106-3,... 106-N)，每個(gè)磁場探頭檢測所述磁場的磁通密度的至少兩個(gè)空間 分量（By，Bz)并且由所測量的分量產(chǎn)生所述位置信號(hào)，并且其中所述方法包括以下步驟： 基于磁通密度的所述兩個(gè)分量的商計(jì)算所述多個(gè)位置信號(hào)， 計(jì)算在每個(gè)磁場探頭的位置處所述磁通密度的大小，并且將所述大小與預(yù)定的閾值比 較， 如果所述磁通密度的大小比所述閾值高，則輸出當(dāng)前計(jì)算的位置信號(hào)， 如果所述磁通密度的大小小于或者等于所述閾值，則輸出先前存儲(chǔ)的位置信號(hào)， 存儲(chǔ)用于各磁場探頭的輸出的位置信號(hào)， 基于所述多個(gè)位置信號(hào)計(jì)算所述位移傳感器的輸出信號(hào)。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其中，所述基于所述多個(gè)位置信號(hào)計(jì)算所述位移傳感 器的輸出信號(hào)的步驟包括： 將所述多個(gè)位置信號(hào)加在一起，并且將總和除以所述磁場探頭 (106-1，106-2, 106-3,... 106-N)的總數(shù)。
9. 根據(jù)權(quán)利要求7或8所述的方法，其中，每個(gè)磁場探頭 (106-1，106-2, 106-3,... 106-N)包括二維或三維的霍耳傳感器（100)。
10. 根據(jù)權(quán)利要求7至9中任一項(xiàng)所述的方法，其中，所述磁場源包括至少一個(gè)永磁體 (102)。
11. 根據(jù)權(quán)利要求7至10中任一項(xiàng)所述的方法，其中，每個(gè)位置信號(hào)的計(jì)算包括： 根據(jù)
建立角度α ; 線性化所述角度α，以為每個(gè)磁場探頭（106-1，106-2, 106-3,... 106-Ν)產(chǎn)生位移-比 例位置信號(hào)。
12. 根據(jù)權(quán)利要求7至11中任一項(xiàng)所述的方法，其中，所述磁通密度的大小的計(jì)算通過 由所述磁場的磁通密度的所述至少兩個(gè)空間分量（By，Βζ)計(jì)算矢量大小來實(shí)現(xiàn)。
13. 根據(jù)權(quán)利要求7至12中任一項(xiàng)所述的方法，其中所述位置信號(hào)的存儲(chǔ)包括角度
的值的存儲(chǔ)和/或所述角度的線性化值的存儲(chǔ)。
【文檔編號(hào)】G01D5/14GK104220844SQ201380019562
【公開日】2014年12月17日 申請(qǐng)日期:2013年4月8日 優(yōu)先權(quán)日:2012年4月11日
【發(fā)明者】0.沙夫 申請(qǐng)人:泰科電子Amp有限責(zé)任公司