专利名称：用于绝对确定线性位置或通过角度表示的旋转位置的装置和方法
技术领域：
本发明涉及一种在自动化技术或精密机械中例如用于在机械制造中自动确定位
置、长度或角度的磁长度或角度测量系统。这种"绝对"的系统与该系统部件的运动状态无 关地、尤其是也在静止状态下提供相应的参数。
背景技术：
这样的绝对磁长度或角度测量系统是已知的。首先在此要提到在公开文献 DE19754524中展示的测量装置。在该文献中采用敷设在磁材料上的螺纹作为比例尺，其中 螺距随不同的绕组而改变，尤其是螺距沿着测量方向x单调增加。至少两个在垂直于测量 方向的方向上有一定间距的磁场传感器在x值相同的情况下存在于与比例尺相对的测量 头中。借助这些磁场传感器识别相应的螺距，从而可以将这些螺距与绝对位置相关联。它 的缺点是，该比例尺的材料必须是软磁性的。干扰磁场对技术上可采用的磁原料进行磁化， 这可能导致明显的测量误差。此外在螺距可变时也总是需要这些螺距具有非常小的值。但 在这种情况下，可检测到的磁场变化在传感器和比例尺之间的距离不是最小的情况下特别 小。此外还要针对每个传感器费事地校准辅助磁铁。 在根据DE19910636的装置(图12，权利要求16和17)中，这后一个缺点不存在 了，因为在这种装置中使用圆柱形的硬磁比例尺，其中通过充磁产生具有可变螺距的磁螺 纹。通过两个在测量方向上有一定间距的磁阻角度传感器，可以确定在两个传感器的位置 之间的场方向的角度差。利用各向异性的磁阻传感器，将这些差值与这些位置绝对地对应， 只要这些差值保持在180°以下，对于霍尔传感器或GMR传感器则直到360。。由此通过在 两个传感器之间只能在测量距离末端提供大于始端的螺距，限制了绝对测量的总长度。通 过精确分析两个传感器之一的角度值来实现高分辨率。为此带来的其它缺点是，制造磁螺 纹尺是很费事的，尤其是在螺距很小的情况下，但是小螺纹又是以高分辨率确定长度所必 需的。必须避免在比例尺的所有部分中扭转比例尺，因为该扭转直接转换为高分辨率的测 量误差。 根据W02006/035055的装置不再具有该最后一个缺点。在此提出一种圆柱形比例 尺，该比例尺包含在测量方向上的极化交替的磁性片段，这些磁性片段在测量方向上的长 度是不同的，由此比例尺的扭转对测量结果没有什么作用。根据W02006/035055的发明不 仅涉及圆柱形比例尺，还涉及所有具有不同长度、极性交替的片段的比例尺横截面。借助两 个在测量方向上有一定间距的传感器，这些传感器获取磁场方向相对于测量方向的角度， 推导出两个位置之间的相位差，该相位差与两个传感器之一的位置成比例。为了提高位置 结论的分辨率，首先由该相位差确定该比例尺有多少片段位于传感器之一的对面，并且从 场方向的角度的结果中说明传感器相对于起始段被移动了多远。在此使用的磁场传感器分 别由两个位于相对于测量方向的相同位置上并提供与场角有关的信号的传感器元件组成。 为了该分析，假设每个片段内的角度随着位置线性增加，或者换句话说，传感器提供涉及相
4应片段长度的、与场角的正弦和余弦成比例的值。但是，真正的变化由于两个原因与这种简 化的假设有所不同。 一是片段的磁场包含随着离比例尺的距离而减小但在大小上通过片段 长度确定的谐波分量。第二是在磁阻传感器中产生附加的谐波分量，而且作用在传感器上 的场强越小，该附加的谐波分量就越强。但是，传感器距离的场强随着片段长度而发生剧烈 变化，从而沿着测量方向也会引起始终变化的谐波分量。因此限制了测量精度，使得所获得 的信号与特定的片段的对应关系仅能用于有限数量的片段，而且还会影响片段长度内的长 度分辨率。 在DE10010042提出了用于汽车制造中的线性磁测量系统。该文献给出了针对比 例尺的大量不同的配置。但在所述文献中，绝对测量的问题未在任何地方提到，不能从所公 开的所有事实中看出。为此也不能从该文献中得到关于如何构建大测量长度和高分辨率的 绝对测量系统的启示。
发明内容
本发明的任务在于提供用于绝对磁长度和角度测量系统的装置和方法，这些装置 和方法在结构简单的同时实现了更高的分辨率、更小的测量误差和更大的测量长度。
该任务是通过权利要求1中给出的装置和在权利要求17中描述的方法解决的。其 它从属权利要求包含有利的实施方式。 根据权利要求l，用于在测量方向上绝对确定决定长度或角度的装置的比例尺由 磁片段组构成，至少一个组中的磁片段的长度相互一致，而不同组中的磁片段的长度互不 相同。磁片段组在唯一的轨迹、也就是在测量方向上前后排列。由此以优选方式基本上排 除了如在绝对测量装置的公知多轨迹磁比例尺中存在的磁场变化的引起测量误差的相互 干扰。 通过使用由磁片段组构成磁比例尺的结构，这些磁片段在组内具有相同长度而在 不同的组之间具有不同长度，使得能够利用绝对角度或长度位置确定的优点，该优点以不 同的片段长度为前提，并且在此基本上保持了以恒定的片段长度工作的增量测量装置的高 分辨率、高精度和大测量长度的已知优点。 绝对位置确定的特征不单单在于可以立即用唯一一次测量与运动状态无关地确 定比例尺和传感器之间的位置值，而且还在于所获得的位置值固定与比例尺结构结合，并 且仅能在制造比例尺时校准该比例尺。磁比例尺具有这样的特殊性，其虽然无误差地保持 预定的片段长度分布，但在比例尺材料磁化时导致在比例尺开端和末尾附近总是在远离末 端的片段上出现与正常的场方向分布之间极大的不同。这至少分别对两个片段是有效的。 根据本发明，现在在两个比例尺末端设置相同长度片段的组。在此有间距的传感器不提供 相位差的变化，从而表明测量区域被超过。优选的是，可以通过使用超出该测量区域的显示 用系统本身来检查在运动实际上应当被跟踪的部分上对比例尺的校准。 在具有长度可变的磁片段的公知比例尺中，存在其它两个明显限制位置测量精度 的特殊性。这些特殊性在于磁场强度随着片段长度的增加而增加，以及磁场的一个分量的 过零点以及相位值分别朝着更短的片段推移，从而该更短的片段随着传感器和比例尺表面 之间的距离增加而越来越小。根据本发明，通过比例尺的磁片段在测量方向上的长度越小 而该磁片段的厚度越大，可以极大地减小上述偏差。这可以通过以下方式实现形成比例尺的磁层具有取决于位置的厚度，或者优选的依据片段长度来选择每个片段中的材料被磁化 到的最大深度，其中可被磁化的材料的厚度保持为恒定的值。根据本发明，还可以用非磁层 覆盖比例尺的表面，该非磁层的厚度依据位置被选择为，片段的长度在相应的位置越长，该 非磁层的厚度越大。由此离传感器的距离随着片段长度的增加而上升，这会导致场强下降。 但是在此对片段长度的校正与非磁层的厚度匹配地进行，从而该场分量的过零点的移动得 到补偿。 根据本发明的优选实施方式，在磁比例尺中每两个相邻的磁片段组成一个组，而 且这两个磁片段具有相同的长度。这一方面具有以下优点即相位值的过零点位置与传感 器和比例尺表面之间的距离无关地保留在两个相同长度的片段的分隔线上，另一方面在片 段的长度变化相同的情况下实现两倍大的比例尺长度。在此可以通过加大两个用于确定相 位差的传感器的距离，保持每测量长度单位的相位梯度以及由此保持在确定第一传感器对 面的片段时的精度与在公知比例尺具有长度单调变化的片段情况下相同。
作为测量元件可以采用对所述装置优选的磁阻传感器。既可以使用各向异性的磁 阻传感器，也可以使用GMR传感器，这些传感器分别实施为用于确定磁场的方向角的测量 元件。要考虑的是，可以唯一地获得特定的场角作为测量结果的测量区域对于各向异性的 磁阻传感器限于180。，而对于GMR传感器该测量区域是360。。磁阻传感器分别包含两个 传感器元件，这些传感器元件优选具有由带状磁阻构成的测量桥形式。这两个测量桥围绕 传感器的相同x坐标对称设置，并且相对地旋转等于唯一的一个测量区域的四分之一的角 度，或者这两个测量桥在比例尺的测量方向上相隔一定距离，该距离通过在测量方向上的 前进而等于由于比例尺引起的、等于给定值的场旋转。该距离因此对于各向异性的磁阻传 感器等于片段长度的四分之一，对于GMR传感器等于片段长度的一半。有利的是，如果在比 例尺中只有少量的片段具有相同长度，以及如果这些片段的长度相互极其不同，则采用具 有旋转测量桥的传感器。对于具有很多相同长度片段的比例尺以及在片段长度的变化很小 的情况下，如果测量桥的磁阻带的分布被选择为，使得比例尺的磁场分布的谐波分量被从 桥信号中滤除(例如DE102005009923)，则具有错位的测量桥的传感器会提供有意义的优 点。利用这样的测量装置也可以在绝对测量中实现增量测量系统的高分辨率和高精度。
为了确定相位差，然后根据该相位差可以推导出特定片段的位置以及从而推导出 所查找的绝对位置，需要两个分别具有两个传感器元件的传感器。可以毫无问题地识别其 位置的片段的数量受到相位差的测量误差的限制。根据本发明，这样导致的限制通过以下 方式扩展到明显更大的值，即在共用的传感器支架上采用第三相同类型的传感器，该传感 器与第一传感器之间的距离至少是第一传感器和第二传感器之间距离的两倍。第一和第二 传感器之间的距离这样测量，使得利用该距离确定的相位差在传感器支架在整个比例尺长 度上运动时不会超过传感器的单值区域。由此原理上总是可以与比例尺的特定片段相对 应，但是这种对应关系可能由于测量误差而出错，使得只能确定片段的一个周围区域。第一 和第三传感器之间的相位差由于传感器支架运动时的距离增大而剧烈上升，从而实现了该 相位差与具有明显更小误差的片段之间的对应。但由于该相位差超过传感器的单值边界， 因此为了获得特定的片段需要两个差。通过与公知的装置相比加入另一个传感器，从而可 以显著提高比例尺的片段数量。这可以用于提高比例尺长度或用于提高分辨率和测量精 度。
6
用于采用圆形比例尺(磁极轮)测量角度的装置可以基于本发明有利地实现。在 此，优选采用磁极轮，其中磁片段相对于一个平面成镜面对称地设置，转轴就位于该平面 中。这样的磁极轮例如可以只具有两组分别具有相同长度的片段。在配置5个具有180。 的单值区域的传感器，这些传感器的结构以优选方式应当适用于滤掉谐波的情况下，磁极 轮的角度值可以唯一地通过完全的旋转并以对应于增量测量的分辨率和精度获得。同样的 结果可以在使用3个具有360°的单值区域的传感器的情况下获得。 类似的特性还可以利用另一个镜像对称的、具有n个片段的磁极轮来实现，在该 磁极轮中片段长度以下列方式变化，即场方向的角度P在围绕磁极轮进行a =0至360° 的完全旋转的情况下通过关系式|3 (a) = a "l+n/2)+A'sin(a)给定(A二常数)。在 此需要两个相同的传感器对，每个传感器对分别具有两个有一定间距的传感器，这两个传 感器错开特定的角度而设置在磁极轮的圆周上，该特定的角度优选是90。。传感器数量与 传感器的单值区域无关。在这种配置中，通过传感器对获得两个相位差，这些相位差通过正 弦或余弦函数与磁极轮的旋转角度相关联。因此，旋转角的获得与通过识别一个象限和通 过反正切插值来获得片段区域内的位置类似。在此描述的配置的一个特殊优点在于，这里 相邻的片段在它们的长度方面只具有很小的差异。由此一个场分量的过零点位置的推移随 着传感器和比例尺表面之间的距离而可以忽略，由此片段的有效作用长度的变化也可以忽 略。在磁极轮圆周上的片段长度单调增加的情况下，恰好是最长的片段和最短的片段相邻 设置，以及在此推移误差最大，并且确定整个装置的测量误差。 使用权利要求中描述的装置来绝对确定线性位置或旋转位置的方法在于，在分析 单元中根据多个传感器信号计算出与相应的位置唯一对应的输出信号。在最简单的情况下 使用两个传感器中的每个传感器元件的信号，这两个传感器分别由两个传感器元件组成并 且在比例尺中相互间具有特定的距离，以便在两个传感器位置处根据已知方法确定场方向 的角度，例如通过反正切插值。通过形成差值，由此形成相位差。该相位差直接与所寻求的 位置相对应。这样获得的位置值具有有限的精度。该位置值可通过以下方式改进，即首先 根据该相位差确定比例尺的第几个片段与两个传感器之一相对。然后根据由该传感器获得 的场方向的角度，在基于片段长度上的角度线性增加的情况下确定该传感器与该片段在该 测量中的起始点相距多远。这两个信号分量给出了位置的更精确的结果。根据本发明，测 量精度的进一步改进通过以下方式实现，即对于两个或更多个传感器获得与传感器相对的 相应片段，并通过考虑在该传感器的位置所测得的场方向的角度获得两个或更多个传感器 的位置值。然后通过在考虑传感器距离的情况下对位置结果求平均来产生位置的改进的最 终值。 根据本发明，为了在具有所示特征的比例尺上进行绝对长度测量，不仅使用具有 两个传感器元件桥的传感器，这些传感器元件桥相对于彼此旋转它们单值区域的四分之一 的角度，而且还使用传感器元件桥在测量方向上相对错开设置的传感器。如果该错开的位 移在具有18(T的单值区域的传感器中(例如各向异性的磁阻传感器)等于片段长度的四 分之一，或者在具有360。的单值区域的传感器中(例如GMR传感器)等于片段长度的一 半，则在获得场方向的角度时使用反正切插值就不会有问题，因为该片段的场在该位移下 旋转单值区域的四分之一。在片段长度可变的情况下，原则上不会产生这种一致性。正如 已经证明的，即使如此也可以首先使用简单的反正切插值。根据利用该临时结果形成的相位差，获得所寻求的片段数目的近似值，由此获得实际片段长度的近似值。然后利用该值重 复插值以确定场方向的角度，由此产生更好的近似。该方法迭代地产生越来越精确的结果。 实际上，在大多数情况下两个迭代步骤就足够了。有利的是，如果在传感器中磁阻层磁阻 的分布被配置为使得该分布造成对谐波的抑制，则使用传感器元件桥具有线性位移的传感 器。该分布虽然可以最佳地只是针对完全特定的片段长度而确定的，但是该分布也可以在 与该片段长度有偏差时仍然部分地起作用。从而可以在确定位置时实现更高的测量精度。 特别有利的是针对以下情况，即比例尺具有多个相同长度的片段或具有长度略有不同的片 段。
下面用实施例详细地解释本发明。下面可以看到附图
图1示出根据本发明具有两个传感器的绝对长度测量系统，
图2示出具有不同片段的比例尺的相位变化，
图3a示出具有不同片段的比例尺的磁场变化，
图3b示出用于场校正的磁材料厚度的可能变化， 图4a示出根据本发明具有线性的相位差变化和具有3个传感器的绝对长度测量 系统， 图4b示出根据图4a的装置的不同相位差变化，
图4c示出根据图4a的线性测量系统的周期长度，
图5a示出根据本发明具有两组片段的绝对角度测量系统，
图5b示出根据图5a的系统的不同传感器的相位差，
图5c示出根据图5a具有GMR传感器的相位差， 图6a示出根据本发明具有对称设置的不同长度的片段对的绝对角度测量系统，
图6b示出根据图6a的系统针对正弦形相位差的片段长度分布，
图6c示出根据图6a的系统的相位差与旋转角的函数关系。
具体实施例方式
在图1中示意性示出根据本发明的绝对长度测量系统以及该系统的校准功能。磁 比例尺l由多个永磁片段2组成，这些片段通过符号N(北极)和S(南极)区分开来。通 过这些符号表示出直接相邻的片段2在相反的方向上被磁化。垂直于所示平面磁化的比例 尺在其表面上示出给定的极。但是对于在此要描述的实施例来说，假定片段N具有显示向 右的磁化方向，片段S具有显示向左的磁化方向。比例尺的片段2组合成组14。第一组14 从左边开始包括前面3个片段2，这些片段分别具有在测量方向x上相同的长度。在中间区 域的第二组14包含4个片段2，这些片段在测量方向上延伸到不同的长度。在比例尺1右 端的第三组14由5个片段2组成，这些片段的长度相互一致。在比例尺1上方具有可在测 量方向x上自由移动的传感器支架3，在该传感器支架3上设置两个相距特定距离的传感器 4. 1和4.2。在所考察的实施例中，该传感器是各向异性的磁阻传感器。每个传感器4. 1、 4. 2由两个传感器元件组成。传感器元件是惠斯顿桥，这些桥分别由4个通过各向异性的磁 阻层带形成的磁阻构成，这些磁阻的阻值取决于发生作用的磁场，在此是比例尺1的磁场的方向。在该磁场旋转180。的情况下，磁阻变化经历了一个完整的周期。由此具有该角度 的桥的输出信号也是周期性的。在比例尺l的磁场的方向角线性上升时，桥的输出信号变 化在传感器支架3于测量方向x上运动时正弦形地进行。从而在传感器4. 1、4. 2的各两个 传感器元件在传感器支架3上相对旋转45°的情况下，在各两个桥信号之间出现周期长度 的四分之一的相移。由此一个桥提供与sin(2' *xM)成正比的信号，另一个桥提供与 cos(2* *x/A)成正比的信号，其中A作为片段2的长度。通过反正切插值，可以根据 这两个信号确定在传感器位置处的场方向的角度，该角度在单值区域中也称为相位。传感 器4. 1、4. 2的位置在图1中在测量方向x上没有延伸。所示出的虚线是传感器4. 1、4. 2的 各两个惠斯顿桥的对称线，这两个传感器设置在虚线的环境中。 在图1的下部的图表中示出在未于图中示出的分析单元中确定的相位差CP2-Cp"
该相位差在传感器支架3于测量方向x上沿着比例尺1移动时产生。在位于中部的区域中，
该区域具有随着x增加而下降的片段长度，相位差cp2-qh随着x的增加而增加。在此，相位
差Cp2-(pl的值唯一地与传感器4. 1所在的x值相对应。在比例尺1的两端，设置片段组14， 这些片段具有相互一致的长度。在此，该相位差在传感器支架3移动时分别保持恒定值。根 据该值可以识别出，该系统的测量区域是允许向上还是向下。测量区域的开始和结束被精 确的确定，因为在此第一传感器4. 1的相位具有过零点。这可以用于相对于本体的位置校 正测量系统的部分，校正它们相对于彼此的位置表示真正的测量任务。
对于比例尺1的边界片段的区域，在该图表中不存在相位差tP2-Cpl。其原因可以从 图2和图3中看出。图2示出比例尺的前面5个片段2上的场8的相位与其理想变化9的 比较，该理想变化的前提是在片段长度上的角度线性增加180° (对应于弧度Ji)。毫无疑 问的是，对边界片段的两个要求没有得到满足。在图3a中示出由比例尺产生的、针对比例 尺1的多个片段2的场强H, lO和Hy 11，该比例尺l延伸超过25mm。在此示出，在从比例 尺1的边缘开始的第二片段上方主要存在比离边缘更远的片段2上方小得多的磁场强度。 该较小的场强在磁阻传感器4. 1、4.2中产生容易出现错误的角度值。由此清楚地表明，磁 比例尺各自的至少两个边缘片段不适合于绝对的位置确定。在比例尺1的机械末端上无法 对应当获得位置的本体进行校准。但是该校准可以用根据图1的装置执行。
图2示出比例尺1的相位角的变化，其中每个极对的两个片段2都具有相同长度。 通过该显示类型，可以看见在每个片段末端上都有180。 (Ji)的相位跃变。该相位跃变在 此用于表明片段边界的有效位置。在相同长度的片段2之间，实际的和有效的边界基本上 一致。在不相同的片段2之间可以识别出偏差。该偏差随着传感器4. 1、4.2与比例尺1的 距离增加而上升。为了减小该偏差，并且为了实现磁场分量在整个比例尺长度上基本上相 同的幅度，根据本发明依据片段的长度来设置比例尺2的被磁化的永磁层的厚度。图3a示 出在永磁层10、11的厚度不变时以及匹配的厚度12、13时场分量H,和Hy的变化的比较。 所匹配的厚度的变化从图3b中得出。图3a示出在该校正之后在接近边缘的片段2内仍然 存在场幅度的下降。 本发明的另一个实施例在图4a中示意性示出。磁比例尺l沿着测量方向x 7延 伸，该比例尺由组14构成，该组14分别包括两个相同长度的片段2。在组14中的片段2的 长度随着在测量方向7上的前进而减小。在该比例尺1上方设置可在测量方向7上运动的 传感器支架3，该传感器支架承载3个传感器4. 1 ;4. 2 ;4. 3，这些传感器适用于获得在相应
9位置的场方向的角度。在相应传感器位置绘制在传感器支架3上的虚线是每两个实现为惠 斯顿桥的磁阻传感器元件的对称线。两个传感器4. 1、4.2之间的距离被选择为使得在两个 传感器4. 1、4.2之间测得的相位差不会超过这些传感器的单值区域。对于各向异性的磁阻 传感器来说，该相位差等于180。。从图4b可以看出，相位差(p2-(Pl随着测量坐标x，7的值 前进而严格线性增加。这在组14的长度例如具有图4c所给出的值时就是这种情况。组14
的长度在此分别与磁场变化的周期长度一致，该磁场通过s-N对形成。根据相位差cp2-qh可
以唯一地推断出第一传感器4. 1的位置。为了改善位置确定的分辨率和精度，可以采用相 位差Cp3-9l。由于传感器4. 3和传感器4. 1之间的距离被选择为传感器4. 2和4. 1之间距 离的3倍，因此该相位差(P3-9l也是相位差92-cpi的3倍。传感器的单值区域从而被超出， 并在所选择的例子中在整个比例尺长度上产生针对相位差93-qh的3个周期。传感器4. 1
的位置位于哪个周期内的对应关系由图4a中未示出的分析电路基于相位差q)2-qh的值得
出。提高分辨率和精度的另一种方式在于，根据相位差(p3-9l不是立即推导出位置，而是在 根据该值获得哪个片段2位于传感器4. 1对面之后才根据借助传感器4. 1获得的相位来确 定该位置。利用这种三阶段方法，与两阶段方法相比在比例尺l的长度相同的情况下可靠 识别与传感器4. 1相对的片段2，同时需要不同组14之间更小的长度变化，或者在长度变化 相同的情况下可以使用明显更长的比例尺1。 测量精度的进一步提高通过以下方式实现，即在分析单元中针对所有3个传感器 4. 1、4. 2、4. 3识别与它们分别相对的片段2，根据由相应的传感器4. 1、4. 2、4. 3获得的磁场 的相位值以高分辨率确定相对于所识别的各片段2的起始点的位置，并且在考虑所识别的 片段2的位移的情况下获得第一传感器4. 1的位置作为平均值。 上面讨论的边缘片段的问题在这里选择的例子中当然也是重要的。但是出于概略 描述的原因在此没有再次涉及。 图5a示意性示出根据本发明的绝对角度测量系统的例子。圆形比例尺1 (也称为 磁极轮)在所示出的上半部中包含由相同长度的磁片段2组成的第一组，在下半部中包含 由具有另一长度的相同长度片段2组成的第二组。这两个组关于对称轴6对称，该对称轴穿 过旋转轴，并且与磁极轮l固定关联。应当测量用5表示的角度a。为此在传感器支架3 上的磁极轮1的圆周上设置彼此错开特定角度的传感器4. 1至4. 5。在此所采用的磁阻传 感器与上面的实施例中一样都由两个惠斯顿桥组成。但是，这两个桥在此通过以下方式提 供由它们展示的场相位的位移，即这些桥在传感器支架3上相对于彼此有位移地设置。该 位移在各向异性的磁阻传感器的情况下等于两个现有片段长度之一的四分之一，在GMR传 感器的情况下等于片段长度的一半。此外，形成这些桥的磁阻层带在传感器支架3上这样 分布，即导致消除或至少减弱这些磁阻层带的信号中的谐波影响。 在图5b中分别示出在磁极轮1旋转360°时传感器4. 2和4. 1之间的相位差 (S2-S》以及传感器4.3和4. l之间的相位差(S3-S》的函数变化。根据所示出的结果，可以 在未示出的分析单元中唯一地确定哪个象限位于第一传感器4. 1对面。此外，可以根据相 位差的值获得角度5的值。在此特别有利的是，根据角度5的临时值推导出哪个片段2在 第一传感器4. 1或第三传感器4. 3对面。如果例如传感器4. 1无谐波地用于更大的片段长 度，传感器4. 3无谐波地用于更短的片段长度，则所有片段2的相位在选择各自合适的传感 器4. 1、4. 3时都可以高分辨率和高精度地测得，由此也可以获得具有这些特性的角度值。
遗憾的是，在角度确定时在36(T的整个区域中存在4个点(0° ，90° ，180° ， 270° )，在这4个点处所有相位差都消失了。为了消除这4个点状的测量不确定性，例如可 以采用另外两个传感器4. 4和4. 5。如果形成相位差S厂S工和S「S^则在下面的表格中出现
的对应关系有效0。 0090° > 00180° >0> 0270° 0> 0 因此该绝对测量需要使用总共5个各向异性的磁阻传感器。尽管开销很大，但是 所给出的配置在考虑到在测量系统中必须克服利用各向异性的磁阻传感器实现唯一的磁 铁旋转360°的困难时被认为是有利的。 但是，在此有利的是采用具有360°单值区域的GMR传感器。对于GMR传感器4. 3 和4. l之间的相位差，给出图5c所示的图表。相位差S3-S工在360。的整个测量区域内都 唯一地对应于该角度，只是点O。和180°例外。在此，为了产生该唯一性只需要一个额外 的传感器4. 4。如果该传感器在磁极轮的圆周上相对于传感器4. 1具有两个较短片段长度 的位移，则相位差SfS工在角度为0。时等于O，在角度为180°时大于O。在此，和上面描述 的一样同样具有使用补偿谐波的传感器时的优点。 图6a示意性示出另一个绝对角度传感器的结构。磁极轮(比例尺)1的第一半圆 在角度5增大的方向上由长度逐步增大的磁片段构成。第二半圆中的磁片段关于通过磁 极轮中点的对称轴6对称。由相同长度的片段2构成的组14在此并非通过相邻设置的片 段2而是通过对称设置的片段2形成。在磁极轮的圆周上设置两个由传感器对15构成的、 错开90°的支架。在这些支架上分别具有两个传感器4. 1、4. 2，和4. 3、4. 4，传感器之间的 距离分别相等。例如采用分别具有两个旋转45。的惠斯顿桥的各向异性磁阻传感器。片 段2的长度被选择为使得磁场的方向13在角度5围绕包含n个极的磁极轮1从a = 0到 360°的完全旋转中通过关系式|3 (a) = a (l+n/2)+A sin ( a )来给定。在此，A是常 数。利用该关系式获得的片段长度的例子在图6b中示出。该片段长度在此通过北极或南 极的延伸以网格给出。图6c中的图示出在角度5的一次完全旋转中相位差S厂S工和S4-S3 的变化，这些相位差分别根据传感器对4. 1和4. 2以及4. 3和4. 4的测量值在分析单元中 获得。得到两个以90。相互错位的正弦形曲线。由此借助反正切插值可以在分析单元中唯 一地识别旋转角度5。正如在上面的实施例中提到的，该角度也可以用于识别与传感器4. 1 相对的片段2，并且在考虑用传感器4. l测得的磁场相位角的情况下达到更高的分辨率和 精度。为了保证经过反正切插值的相位差值的唯一性得到保持，在设计片段2的尺寸时，在 注意传感器距离的同时对于常数A只允许导致相位差低于180。的值。在使用GMR传感器 的情况下，该值可以提高到360。。该装置中的其它优点不能通过GMR传感器给出。
根据图6a的片段分布相对于在整个磁极轮圆周上具有单调增加的片段长度的装 置的一个重要优点在于，根据图6a的相邻片段2的长度只有极少的区别。由此可以通过所 提议的装置在最大程度上避免会导致有效加长较长片段2以及縮短相邻的较短片段2的场 分布。在该具有单调增加的片段长度的装置中，最短的片段和最长的片段直接相邻。在此，有效的片段长度变化大到使得该变化会将最短片段縮短一个明显的数量，由此在角度测量中获得高测量精度。 本发明特征的使用可以导致具有很多其它优点的、对角度和位置进行绝对测量的装置以及方法，这些装置和方法就对应于本发明。特别接近的是角度测量系统，该系统由在此描述的长度测量和长度测量系统的例子组成，这些例子可以根据角度测量的例子直接推
导出来。附图标记列表1比例尺2磁片段3传感器支架4. 1至4. 5传感器5角度a6对称轴7测量坐标x8从场获得的相位9理想的相位变化10在恒定厚度时的4分ll在恒定厚度时的Hy分12在可变厚度时的H,分13在可变厚度时的Hy分14片段组15传感器对的支架
1权利要求
一种用于绝对确定两个可相对移动或旋转的本体的线性位置或通过角度表示的旋转位置的装置，其中第一本体具有比例尺，该比例尺具有多个在测量方向上极性交替的磁片段，第二本体具有至少两个有间距的磁场灵敏的传感器，以及该装置具有分析单元，其特征在于，比例尺(1)由具有至少两个磁片段的组(14)构成，至少一个组(14)中的磁片段(2)在测量方向(7)上的长度相互一致，而不同组(14)的磁片段(2)的长度互不相同。
2. 根据权利要求l所述的装置，其特征在于，所述比例尺(1)的磁片段(2)在测量方向 (7)上的长度越小，该磁片段(2)的厚度就越大。
3. 根据权利要求2所述的装置，其特征在于，磁片段(2)的长度在比例尺(1)的特定位 置处越长，可磁化材料层在该特定位置处的厚度越大。
4. 根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述比例尺(1)的可磁化材料层在整个测 量长度上的厚度是恒定的，但是层厚度的磁化分量变化。
5. 根据权利要求l所述的装置，其特征在于，所述比例尺(1)的表面被非磁层覆盖，该 非磁层的厚度与位置相关地被选择为所述片段(2)在相应位置处的长度越大，该非磁层 的厚度越大。
6. 根据权利要求l所述的装置，其特征在于，具有相同长度的磁片段(2)的组(14)分 别由两个直接相邻的、磁化方向逆向设置的片段(2)。
7. 根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述磁场灵敏的传感器(4. 1至4. 5)是磁阻传感器。
8. 根据权利要求7所述的装置，其特征在于，各向异性的磁阻传感器分别由两个实现 为测量桥的传感器元件组成。
9. 根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述测量桥相对地旋转45。。
10. 根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述测量桥相隔一定距离，该距离等于 一个组(14)的片段(2)的长度的四分之一。
11. 根据权利要求io所述的装置，其特征在于，构成测量桥的磁阻层带的设置适合于减小桥信号中的谐波分量。
12. 根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述测量桥相隔一定的距离，该距离大致等于平均片段长度的四分之一 。
13. 根据权利要求1所述的装置，其特征在于，设置两个有间距的传感器(4. 1 ;4. 2)。
14. 根据权利要求1所述的装置，其特征在于，第一传感器和第二传感器(4. 1 ;4. 2)相 互间隔第一距离，该距离小到相位差在整个比例尺(1)被超出时唯一对应于测量坐标值， 第三传感器(4.3)与第一传感器(4. 1)的距离至少等于第一距离的两倍。
15. 根据权利要求l所述的装置，其特征在于，为测量角度而设置的比例尺(磁极轮) (1)相对于具有旋转轴的平面镜像对称。
16. 根据权利要求15所述的装置，其特征在于，磁片段(2)的角度扩展被选择为使得磁 场的方向P在围绕包含n个极的比例尺(磁极轮)(1)进行a =0至360°的完全旋转的 情况下通过关系式P (a) = a (l+n/2)+A* sin(a)给定(A =常数)，以及两个传感器 对分别由第一传感器(4. 1)和与之间隔的第二传感器(4. 2)组成，这两个传感器对错开特 定的角度。
17. —种根据权利要求1至16中任一项所述绝对确定两个可相对移动或旋转的本体的线性位置或通过角度表示的旋转位置的方法，其特征在于，在分析单元中根据多个传感器 信号计算出与该线性位置或旋转位置唯一对应的输出信号。
18. 根据权利要求17所述的方法，其特征在于，所述输出信号由第一信号分量和第二 信号分量来确定，第一信号分量表明第几个片段(2)与传感器(4. 1至4. 5)之一相对，第二 信号分量包含根据该传感器(4. 1至4. 5)的信号获得的结论，即该传感器(4. 1至4. 5)与 相应片段(2)的起始点相距多远。
19. 根据权利要求18所述的方法，其特征在于，针对多于一个传感器(4. 1至4. 5)确定 所述第一信号分量和第二信号分量，并在考虑传感器距离的情况下对位置结果进行平均。
20. 根据权利要求18所述的方法，其特征在于，根据权利要求9的第一传感器(4. 1)和 与其间隔的第二传感器(4.2)的两个信号通过反正切插值在分析单元中分别获得场方向 在相应的传感器(4. 1 ;4. 2)位置处的角度，并且通过形成差值来形成所述输出信号的第一 信号分量。
21. 根据权利要求18所述的方法，其特征在于，根据权利要求9的第一传感器(4. 1)和 与其间隔的第二传感器(4.2)的两个信号通过反正切插值在分析单元中分别获得场方向 在相应的传感器位置处的角度，并且通过形成差值来形成所述输出信号的临时第一信号分 量，根据该临时第一信号分量获得与第一传感器(4. 1)相对的片段(2)的长度，并且根据该 长度和两个传感器(4. 1 ;4.2)的间距计算传感器元件的场方向之间的相位差，利用该相位 差在第二步骤中重新活得第一信号分量。
22. 根据权利要求21所述的方法，其特征在于，执行进一步的迭代步骤。
23. 根据权利要求18所述的采用根据权利要求14所述装置的方法，其特征在于，首先 根据每个传感器(4. 1 ;4. 2 ;4. 3)的两个信号确定场方向在相应传感器位置处的角度，并且 根据第一传感器和第二传感器(4. 1 ;4. 2)的角度差确定第二传感器和第三传感器(4. 2 ; 4.3)的角度差的哪个阶段对应于该值，并且根据该阶段的相位值确定哪个片段(2)与第一 传感器(4. 1)相对。
24. 根据权利要求18所述的采用根据权利要求16所述装置的方法，其特征在于，根据 两个传感器对(4. 1和4. 2 ;4. 3和4. 4)的信号获得两个具有360°的周期性信号，这些信号 相互间发生相移，并且这些信号被分析从而使得获得在360°的范围内唯一的角度测量值。
25. 根据权利要求24所述的方法，其特征在于，所述相移等于90。。
全文摘要
描述了一种具有比例尺的绝对测量系统，由至少两个磁片段构成的组组成，其中至少一个组中的磁片段在测量方向上的长度相互一致，而不同组的磁片段的长度互不相同。对于在单线比例尺上具有多于两个传感器的设置来说，提出多级的相位差方法，这些方法在测量长度很大的同时导致高分辨率和测量精度，并且例如可用各向异性的磁阻传感器实现360°的唯一角度测量区域。本发明的主旨在图6a中得到最好体现。
文档编号G01D5/12GK101743456SQ200880012770
公开日2010年6月16日 申请日期2008年2月21日 优先权日2007年2月21日
发明者A·巴托斯, A·迈森贝格, F·德特曼 申请人:米斯德国有限公司