借助磁场传感器阵列基于霍耳效应非接触测量相对位置的位移传感器的制造方法
【专利摘要】本发明涉及用于非接触测量产生磁场的磁场源（102)和磁场传感器（100)相对于彼此的相对位置的位移传感器，其中磁场源（102)和磁场传感器（100)相对于彼此可移动。多个磁场探头(106-1，106-2，106-3，--?106-N)产生多个位置信号，每个磁场探头检测磁场的磁通密度的至少两个空间分量（By,Bz)。控制和计算单元（108)基于所述多个位置信号计算位移传感器的输出信号，并且存储单元（110)存储各个位置信号，控制和计算单元计算磁通密度的大小并且将该大小与预定阈值比较，从而如果所述磁通密度的大小比所述阈值高则为各磁场探头(106-1，106-2，106-3，--?106-N)输出当前计算的位置信号，如果所述磁通密度小于或者等于所述阈值则输出先前存储的位置信号。
【专利说明】借助磁场传感器阵列基于霍耳效应非接触测量相对位置的 位移传感器
【技术领域】
[0001] 本发明涉及用于非接触测量产生磁场的磁场源和磁场传感器相对于彼此的相对 位置的位移传感器。本发明还进一步涉及用于建立所述位置的相应测量方法。
[0002] 借助于根据本发明的方法，具体地直线运动旨在借助于一个或者更多个永磁体和 磁性传感器布置之间的磁互作用基于霍耳效应非接触地检测和评估。
【背景技术】
[0003] 直线运动的测量例如用于控制机床，用在气动装置中，用在自动化技术和机器人 中，以及用在自动部中。运动的无接触检测尤其提供了免于磨损的优点。光学方法和磁性 方法在无接触测量法中是最广泛的。光学方法由于光的小波长确保非常高的精度等级，磁 性方法对于污物和损伤较不敏感，特别是因为磁体和传感器部件能够被完全地封闭在非磁 性的气密性外壳中。
[0004] 各个制造商在市场上推出了其中可移位永磁体的位置借助于二维或三维的霍耳 传感器来建立的位移传感器系统。
[0005] 为在一部位处检测相对直线运动，两个互相垂直的磁场分量被测量，并且评估它 们的商来检测该位置。该方法的优点在于，在其中一场分量呈极值且因此不检测小位移的 区域中，另一场分量更加强烈地对位移起反应，从而在整个测量范围上提供大致同样高的 测量精度水平。
[0006] 此外，这一原理的优点在于，由于用场分量之间的比例数来检测位置，其对于绝对 磁场强度的改变相比较而言不是非常敏感。
[0007] 欧洲专利说明书EP 0979988 B1公开了用于永磁体和电子传感器之间的相对直线 运动的无接触磁探测的不同测量方法。为借助于电子传感器检测相对直线运动，在一位置 处检测两个互相垂直的场分量，该两个场分量的商被计算以检测该位置。
[0008] 在第二种方法变体中，还可以执行已知的测量方法，使得为了借助于电子传感器 检测相对直线运动，在两个位置处检测两个互相垂直的场分量，该两个场分量的商被计算 以检测该位置。
[0009] 公布的欧洲专利申请EP 2159546 A2公开了用于无接触检测在用于检测两个互相 垂直的磁场分量（R，A)的传感器布置和永磁体之间的相对直线运动的测量方法。二维或三 维的霍耳传感器用以代替个体的传感器以检测各个场分量。准线性的位置测量线通过函数 U = y-e+g形成，其中y是场分量的函数关系，而e和g是预定的电压值。具体地，准线性的 位置测量线U = f (y)由霍耳传感器的输出信号根据关系式y = a+b · R/f (c · Rn+d · An)形 成，其中R是径向场分量，A是轴向场分量，U是测量电压，并且a、b、c、d和n是常数因子。
[0010] 公布的欧洲专利申请EP 1243897 Α1涉及一种磁性的位移传感器，其包括相对于 彼此能够沿着预定路径移位的磁场源和磁场传感器。磁场传感器测量磁场源产生的磁场的 两个分量。然后，从测量的分量中得出构成磁场传感器和磁场源的相对位置的位置信号。该 公布中提出的关于位移传感器的说明的特点在于，位置信号的建立包括磁场的两个测量分 量的划分。
[0011] 但是，这些已知的方法具有缺陷，即磁控制场在测定范围的端部处变得非常弱，从 而用以计算所述位置的磁通密度的分量呈现小的值，且因此两个值的信噪比对于计算变得 不利。
[0012] 欧洲专利说明书EP 1071919 B1进一步公开了用于磁性位置建立的传感器布置和 方法，其具有用于非线性传感器范围的校正，其中多个磁场转换器沿着永磁体的位移路径 布置。这些转换器中的每一个供给一维的输出信号，该输出信号随着磁体接近每个转换器、 经过每个转换器以及再次移动离开每个转换器而改变。在这一布置中，在两个磁场转换器 之间的特性线转变范围中发生的非线性旨在以如下方式消除，即两个转换器在评估中被组 合且进一步地固定的预定偏移值被添加到由此计算的输出信号。但是，该已知布置不能使 用借助于多维霍耳传感器的反正切计算的优点，并且另外要求非常明显的处理复杂性以用 于标定。
[0013] 图1示出了这样的布置，其中霍耳传感器100布置在固定位置，例如，布置在壳体 上，以非接触地检测直线运动并且检测可移动的永磁体102的磁场。根据永磁体102在运 动方向上的N/S极化，沿运动方向延伸的磁场由此被称为磁场分量Bz，而横向于此延伸的 分量则称为By。由霍耳传感器100覆盖的在z方向上的整个测量范围由附图标记104指 /_J、1 〇
[0014] 图2示出了根据永磁体102所处的位置z的磁通密度的分量By和Bz的路径。在 本示例中，零位置是永磁体102和传感器100直接彼此相对的位置。
[0015] 能够根据以下等式（1)计算的角度α在本示例中用作测量信号。
[0016]
【权利要求】
1. 用于非接触测量产生磁场的磁场源（102)和磁场传感器（100)相对于彼此的相对位 置的位移传感器，其中所述磁场源（102)和所述磁场传感器（100)相对于彼此可移动， 其中所述磁场传感器（100)包括： 用于产生多个位置信号的多个磁场探头（106-1，106-2, 106-3,... 106-N)，每个磁场探 头构造为使得其检测所述磁场的磁通密度的至少两个空间分量（By，Bz)并且依据所测量 的分量产生所述位置信号， 控制和计算单元（108)，所述控制和计算单元用于基于所述多个位置信号计算所述位 移传感器的输出信号， 存储单元（110)，所述存储单元用于存储个体位置信号，所述控制和计算单元能够被 操作以计算所述磁通密度的大小并且将该大小与预定阈值比较，从而如果所述磁通密度的 大小比所述阈值高则为每个磁场探头（106-1，106-2, 106-3,... 106-N)输出当前计算的位 置，并且如果所述磁通密度小于或者等于所述阈值则输出先前存储的位置信号。
2. 根据权利要求1所述的位移传感器，其中，每一位置信号是基于磁通密度的所述两 个分量（By, Bz)的商来计算的。
3. 根据权利要求1或2所述的位移传感器，其中，关联的存储单元（110)布置在磁场探 头处，或者所述存储单元（110)是所述控制和计算单元（108)的部分。
4. 根据权利要求3所述的位移传感器，其中，每个磁场探头包括二维或三维的霍耳传 感器。
5. 根据前述权利要求中任一项所述的位移传感器，其中，所述磁场源（102)包括至少 一个永磁体。
6. 根据前述权利要求中任一项所述的位移传感器，其中，所述磁场源（102)产生磁场， 该磁场相对于由所述磁场源和所述磁场传感器之间的相对直线运动限定的轴线旋转对称。
7. 用于非接触测量产生磁场的磁场源（102)和磁场传感器（100)相对于彼此的相对位 置的方法， 其中所述磁场源（102)和所述磁场传感器（100)相对于彼此可移动， 其中所述磁场传感器（100)包括用于产生多个位置信号的多个磁场探头 (106-1，106-2, 106-3,... 106-N)，每个磁场探头检测所述磁场的磁通密度的至少两个空间 分量（By，Bz)并且由所测量的分量产生所述位置信号，并且其中所述方法包括以下步骤： 基于磁通密度的所述两个分量的商计算所述多个位置信号， 计算在每个磁场探头的位置处所述磁通密度的大小，并且将所述大小与预定的阈值比 较， 如果所述磁通密度的大小比所述阈值高，则输出当前计算的位置信号， 如果所述磁通密度的大小小于或者等于所述阈值，则输出先前存储的位置信号， 存储用于各磁场探头的输出的位置信号， 基于所述多个位置信号计算所述位移传感器的输出信号。
8. 根据权利要求7所述的方法，其中，所述基于所述多个位置信号计算所述位移传感 器的输出信号的步骤包括： 将所述多个位置信号加在一起，并且将总和除以所述磁场探头 (106-1，106-2, 106-3,... 106-N)的总数。
9. 根据权利要求7或8所述的方法，其中，每个磁场探头 (106-1，106-2, 106-3,... 106-N)包括二维或三维的霍耳传感器（100)。
10. 根据权利要求7至9中任一项所述的方法，其中，所述磁场源包括至少一个永磁体 (102)。
11. 根据权利要求7至10中任一项所述的方法，其中，每个位置信号的计算包括： 根据
建立角度α ; 线性化所述角度α，以为每个磁场探头（106-1，106-2, 106-3,... 106-Ν)产生位移-比 例位置信号。
12. 根据权利要求7至11中任一项所述的方法，其中，所述磁通密度的大小的计算通过 由所述磁场的磁通密度的所述至少两个空间分量（By，Βζ)计算矢量大小来实现。
13. 根据权利要求7至12中任一项所述的方法，其中所述位置信号的存储包括角度
的值的存储和/或所述角度的线性化值的存储。
【文档编号】G01D5/14GK104220844SQ201380019562
【公开日】2014年12月17日 申请日期:2013年4月8日 优先权日:2012年4月11日
【发明者】0.沙夫 申请人:泰科电子Amp有限责任公司