专利名称：确定移动物体位置的装置和方法
技术领域：
本发明涉及一种确定沿运动路径的移动物体的位置的装置和方法。具体地，本发明涉及以高精度确定物体绝对位置的装置和方法，这种装置和方法与观测时物体是静止还是运动的无关，而且与物体沿路径的运动方向也无关。
背景技术：
在商业和工业产品及系统中用来检测物体位置的线性位置传感器是公知技术。所述传感器可以是递增的或绝对的，接触或非接触的，而且具有不同成本和工作特性。
代表现有技术的一些文献如下美国专利US-A-5632916、美国专利US-A-5539993、美国专利US-A-4701615、美国专利US-A-4901073、美国专利US-A-4633224、国际专利申请WO-A-9501510和美国专利US-A-6147342。现有技术的解决方法受到若干缺点的限制，比如需要用增量标尺来确定移动物体的绝对位置、需要有增量标尺和绝对标尺、方向限制、精度低、以及要求物体是运动的以确定其位置。
在美国专利US-A-6147342介绍的位置测量装置中，为了测量圆柱体杆件的绝对位置，需要以化学方式在移动物体的表面形成标记，或者在表面包括某种材料，或者使用激光或其它装置在圆柱体杆件蚀刻标记，或者使标记或杆件具有可检测的特征。所有这些标记方法必须改变物体的表面几何形状，而且在装置生产出来后不能改变其精度和/或工作领域。
发明内容
本发明的目的是要提供一种确定可移动物体的位置的装置和方法，能克服上面所提到的一个或多个问题。
根据本发明，所述目的是通过具有所附权利要求所述特征的装置和方法来实现的。
本发明提出一种确定可移动物体沿运动路径的位置的装置，包括编码磁元件，设有若干个编码段，每个编码段具有唯一的识别码；和传感元件，布置成能够识别对应于所述传感元件布置的所述编码段的代码。
本发明提出一种确定可移动物体沿运动路径的位置的方法，包括以下步骤提供带有若干个编码段的磁元件，每个编码段具有唯一用来识别该编码段的代码；和读取对应于传感元件布置的所述编码段的唯一识别码。
现在将参考附图中的非限制性实例来详细介绍本发明，其中图1是表示本发明工作原理的示意图；图2-6和7a、7b示意性地示出根据本发明的装置的各种应用。
具体实施例方式
图1示意性地示出了根据本发明装置的实施例，用来确定沿运动路径移动的物体的绝对位置。在图1中，移动物体用参考数字10表示。在该图所示实例中，物体10可以沿以双箭头12表示的直线方向移动。
编码磁元件14与移动物体10整体形成。编码磁元件14可以设置移动物体10的表面或者可以结合到其中。
编码磁元件14包括若干个编码段16。每个编码段具有唯一的磁识别码。每个编码段16由若干个磁化基本单元18构成。每个基本单元18的磁化方向在图1中用箭头示意性地表示，其代表了二进制符号1或0。每个编码段16中一组基本单元18的二进制符号构成代表每个编码段16的唯一的二进制代码。每个编码段16的二进制磁代码唯一地与移动物体10上的位置16相关。
编码磁元件14构成编码系统，能够确定移动物体10沿运动路径12的绝对位置。磁化编码段16通过相应的二进制代码加以识别，其中二进制符号1和0在基本单元18中以相对基准方向处于0°或180°的磁化方向表示。例如，磁化基本单元18的主要磁化方向可以平行或反向平行于运动方向12。
磁化基本单元的尺寸是已知和固定的。磁化基本单元18的尺寸影响确定可移动物体10位置时能够达到的精度。基本单元18的尺寸越大，确定位置时所能达到的精度越低。
确定移动物体位置的装置包括支承在固定结构22上的传感元件20，其相对编码磁元件14定位成，可确定磁化基本单元18的磁性取向。传感元件20包括一排传感单元24，每个传感单元24能够感应编码段16中相应磁化基本单元的磁取向。传感元件20的传感单元24感应基本磁单元18的磁场并产生代表磁代码的相应信号。所述信号发送给处理装置26，处理装置比如可由连接到传感元件20的处理器构成，可确定编码段16的二进制代码。
通过处理器26对二进制代码的识别能够唯一地确定可移动物体10相对于传感元件20的位置。所述确定过程可以在移动物体10静止时进行，也可以在移动物体10与传感元件20之间有相对运动时进行。要确定移动物体10的绝对位置，读取一个磁代码就足够了。要确定移动物体10的增量位置时，应在起始位置和最终位置分别读取代码。
传感元件20可以由一排磁阻传感单元24构成。磁阻单元24具有传统的结构和工作方式。传感元件20最好是巨磁阻(GMR)传感器，其中传感单元的数目对应于每个编码段16中二进制单元的数目。巨磁阻传感器通常由至少两个不同材料的薄磁层构成。这些磁层由非导磁间隔物隔开。这种结构的导电性取决于磁层的相对磁化方向。所施加的磁场使其中一个层的磁化强度发生变化，而另一个层的磁化强度在大多数情况下是固定的。因此由各磁化基本单元18产生的磁场使传感元件20中传感单元24的导电性发生变化。由于导电性变化的作用而产生数字信号0或1，该数字信号发送到处理器26，处理器26根据读入传感元件20的数字信号确定移动物体10和静止传感器20之间的相对位置。
编码磁元件14可以由聚合物基体中的铁磁粉构成。根据金属填充物产生的状态，可以将金属/聚合物复合材料合成的技术分为外部方法和现场方法。在外部方法中，有机单体的聚合和金属微粒的形成是分开进行的，然后将两种成分混合以形成金属/聚合物复合材料。在现场方法中，单体在溶解状态下聚合，金属离子(自由或复合离子)在聚合之前加入，接着通过还原剂或通过热处理使金属离子还原。这种方法与外部方法相比较快，但效率较低，因为不能产生无接触散布的相同微粒。微粒的特性与结构(形状、尺寸、成分)严格相关，因此微粒必须是相同的。
制备粉末的适当的方法是使用作为金属母体溶剂和还原剂的液态多元醇。这种方法提供了具有边界明确的形态特征的单分散性金属微粒。这种方法的主要特征是可以在实验条件下控制沉淀速度，从而得到具有明确边界形状的非凝聚金属微粒，其平均尺寸可控制在微米或毫微米的尺寸范围内并具有连续的尺寸分布。
在形成粉末之后，用化学方法来改进微粒的表面是十分重要的。有机物层强烈地化学吸附在金属表面上，在处理复合材料时十分有用，因为它1)减小了微粒的自由表面能，可防止微粒大规模聚集；2)避免了氧化和表面污染影响，可防止微粒磁特性的衰退；
3)在树脂固化之前使得微粒能够散布开；4)提高了得到的复合材料的界面特性。
所采用的材料可以是热塑性聚合物、橡胶、热硬化聚合物。填充材料可以是硬铁磁性材料(比如钴)、铁磁性合金如铝镍钴合金、钕铁硼合金、铁铬钴合金或其它的铁磁性材料。
聚合物中铁磁性微粒的百分比应当使得能够获得非常大的磁特性，而另一方面应当使聚合物能够混合。为了使微粒在聚合物中有适当的取向，在聚合物固化过程中施加外部磁场。
可以使用各种方法获得所要求的磁化强度分布。这些方法可以是分辨率超过一百微米时的传统磁化系统；分辨率大约为一百毫微米时的使用基于多孔氧化铝的磁性分布材料的多步骤方法；MFM磁化技术等。多孔氧化铝的结构可以示意性地描述为氧化铝基体中的孔穴网络。多孔氧化铝可以在高纯度铝层上或在玻璃、石英、硅、钨等基底的铝膜上通过阳极氧化方法得到。
通过改变编码磁元件的结构可以改变装置的灵敏度。可以改变每个编码段16中磁化基本单元18的数目以及与可移动物体运动方向平行的所述编码段的尺寸。相应地也要改变磁阻传感器24的数目。
根据本发明的装置在汽车工业中的某些应用介绍如下。很显然，除了下文所介绍的应用之外，根据本发明的装置还可以在不同的领域中用作无接触位置传感器，比如可以用于致动器、步进马达等。
根据本发明的装置的第一种应用在图2中示出，该图示意性地示出了用来识别座椅占用情况的系统。根据绝对位置传感器30提供的信息，图2中所示的系统可提供有关座椅占用情况以及车辆司机和乘客位置的信息。该系统包括位置传感器的基体，可提供座椅32的整个有效表面上的压力分布。压力传感器30基本上是点状的并能提供对应于某点压力的数字信号。
每个点状压力传感器包括检测绝对位置的传感元件和与座椅衬里整体形成的编码磁元件，其中传感元件的自身位置相对于座椅主体是固定的。给定点的压力是作为编码磁元件相对于传感元件的位移函数来确定的。
座椅的衬里可以由形状记忆材料构成，在车辆乘坐者离开座椅后可以恢复原来的形状。压力分布可以由处理器34进行处理并输出有关人体位置和重量的信息。由处理器34提供的信息可以发送到车辆的各个舒适性和安全系统。
图3示意性地示出了使用根据本发明的装置作为废气再循环阀的位置传感器。参见该附图，参考数字40表示废气再循环阀的致动器。阀杆用数字42表示，包括对着静止传感元件20的编码磁元件14。传感元件20将有关阀门开启程度的信息发送给处理器26。根据这一信息，处理器26计算出最佳的废气再循环流量比，使NOX排放量减到最小。
与图3类似的装置可以用来测量车辆油箱中的燃油液面高度。燃油液面高度传感器由上面设有编码磁元件的浮子构成，能够确定浮子的绝对位置。所述位置是通过与上面介绍的传感器类似的无接触磁性传感器识别的。
图4示意性地示出了使用根据本发明的装置作为磁阻冲击传感器。在图4所示实例中，移动物体10包括加速度敏感块体，其表面设有如上面所介绍的编码磁元件14。磁元件14对着静止传感元件20。块体10连接有使块体10保持在预定位置的弹簧44。当感应到块体10移动时，传感器20检测其运动频率。当感应到块体受减速作用而产生超过预定阈值的惯性力时，传感元件的输出频率超过预定的临界值。因此所示装置能够确定冲击强度以指令安全系统如气囊或安全袋扩张器的介入。
与传统的冲击传感器相比，本发明的优点是感应块体的运动不需要有从其初始位置移动到工作位置的限定时间段。本发明的另一个优点是能够使用二维或三维传感器，其中弹簧和磁性表面沿相互正交的两个或三个方向布置。这种系统使得能够实时监测感应块体的位置，并使气囊控制单元能够计算感应块体的速度及其运动方向。这种信息用来优化安全系统介入的时间和力。
参见图5，根据本发明的装置还可以用作刹车控制传感器。图5中车辆的刹车踏板用参考数字50表示。传感元件20连接到踏板50并可相对于设置在静止位置的编码磁元件14移动。传感元件20将表示司机想要施加的刹车力的信号提供给处理器26。根据这一信号，处理器26可向连接到制动闸54的致动器52发出指令。
根据本发明的装置的另一种应用在图6中示意性地示出。其中根据本发明的装置作为车辆转向角传感器。该传感器控制转向轮子的速率，可按情况需要增大或减小由动力转向装置提供的动力。参见图6，根据本发明的转向角传感器包括可绕其自身纵轴旋转的圆柱形主体60，在其外表面上设有编码磁元件62，编码磁元件62由平行于可旋转主体60轴线的若干编码段64构成。每个编码段64如同上面所作介绍。静止传感器66对着可旋转主体60的外表面。传感器66由若干个磁阻元件68构成，可将所读取的磁代码的信息发送给处理器70。
根据本发明的装置的另一应用在图7a和7b中示意性地示出。
这种应用涉及根据传动轴和凸轮轴的转矩测量的内燃机启动诊断系统。两个或更多个编码磁元件14沿轴杆的圆周布置，使得第一编码元件14的各单元沿平行于上述旋转轴的轴线与第二编码磁元件14的相应单元(对应于相同的二进制代码)对准。每个编码元件14与磁阻传感器20相连以读取对应于各单元的二进制代码来确定其位置。电子单元不断地检查与两个或更多个代码相关的各对应单元的绝对位置以确定任何不同轴度。两个代码的读取和不断比较构成了对轴转矩的间接测量。
权利要求
1.一种确定可移动物体(10)沿运动路径的位置的装置，包括编码磁元件(14)，设有若干个编码段(16)，每个编码段(16)具有唯一的识别码；和传感元件(20)，布置成能够识别对应于所述传感元件(20)布置的所述编码段(16)的代码。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述编码段(16)设有若干个磁化基本单元(18)，能够根据其主要磁化方向提供相应的二进制符号，所述编码段(16)的代码由组成所述编码段的基本单元的二进制符号的组合给定。
3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述传感元件(20)包括若干个传感单元(24)，所述每个传感单元(24)能够感应所述编码段(16)中相应基本单元(18)的磁化方向。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述编码磁元件(14)包括聚合物基体中的铁磁性材料粉末。
5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述编码磁元件(14)是由通过以下技术得到镀层的铁磁性材料构成，电镀、蒸发、经阳极氧化处理得到的多孔基体的简单沉积、电蚀刻、照相平版印刷、电子束平版印刷、激光烧蚀；各单元在得到镀层过程中通过外部磁场进行编码。
6.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述聚合物基体由从热塑性聚合物、橡胶、热硬化聚合物中选择的材料构成。
7.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述铁磁性材料与所述聚合物基体混合。
8.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述聚合物基体是在溶解状态下聚合，金属离子在聚合之前加入，接着通过还原剂或通过热处理使所述金属离子还原。
9.一种确定可移动物体沿运动路径的位置的方法，包括以下步骤提供带有若干个编码段(16)的磁元件(14)，每个编码段(16)具有唯一用来识别该编码段(16)的代码；和读取对应于传感元件(20)布置的所述编码段的唯一识别码。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述传感元件(20)能够感应组成所述编码段(16)的若干个基本磁单元(18)的一系列二进制符号。
全文摘要
一种确定可移动物体(10)沿运动路径的位置的装置，包括编码磁元件(14)，设有若干个编码段(16)，每个编码段(16)具有唯一的识别码；和传感元件(20)，布置成能够识别对应于所述传感元件(20)布置的所述编码段(16)的代码。
文档编号G01D5/14GK1573298SQ20041004566
公开日2005年2月2日 申请日期2004年5月20日 优先权日2003年5月20日
发明者K·兹韦兹迪纳, B·马托拉纳, A·兹韦兹迪纳, D·普利尼, V·兰贝蒂尼, P·佩洛 申请人:C.R.F.阿西安尼顾问公司