專(zhuān)利名稱：對(duì)外場(chǎng)不敏感的角或線性磁位置傳感器的制作方法
對(duì)外場(chǎng)不敏感的角或線性磁位置傳感器本發(fā)明涉及用于可達(dá)360°或更大的角度和可達(dá)幾百毫米的位移的磁旋轉(zhuǎn)和線性 位置傳感器領(lǐng)域，更特別地，涉及用于測(cè)量機(jī)動(dòng)車(chē)轉(zhuǎn)向柱的角位置的位置傳感器的領(lǐng)域，但 不限于該應(yīng)用?；诖艌?chǎng)檢測(cè)角度或位移的非接觸式傳感器有很多優(yōu)點(diǎn)1.與移動(dòng)部分無(wú)機(jī)械接觸，因而無(wú)磨損，2.對(duì)污垢不敏感，3.造價(jià)低，4.壽命長(zhǎng)?，F(xiàn)有技術(shù)中已知描述一種旋轉(zhuǎn)傳感器(

圖1和2)的專(zhuān)利EP1083406，該旋轉(zhuǎn)傳感 器具有環(huán)形磁體和測(cè)量該磁體所生成的磁場(chǎng)的徑向分量的兩個(gè)磁敏部件，并通過(guò)積分產(chǎn)生 用以在解碼后在360度范圍內(nèi)檢測(cè)位置的兩個(gè)正弦信號(hào)。這種方案的缺陷在于其對(duì)外場(chǎng)的影響很敏感。事實(shí)上，在探頭所在平面內(nèi)的任何 外場(chǎng)都將引起相當(dāng)大的非線性誤差?，F(xiàn)有技術(shù)中已知本申請(qǐng)人的描述一種位置傳感器(圖3和4)的專(zhuān)利W007057563， 該位置傳感器允許使用在徑向磁化的環(huán)狀或盤(pán)狀磁體的旋轉(zhuǎn)軸外基本上在唯一一點(diǎn)測(cè)量 到的磁場(chǎng)的兩個(gè)分量(徑向和切向或者軸向和切向)，以獲知其角位置，即使該角度并不與 磁場(chǎng)的角度一致。磁體所生成的磁場(chǎng)的徑向分量和軸向分量為兩個(gè)同相的正弦信號(hào)，而切 向分量是與磁場(chǎng)的其它兩個(gè)分量有90度的相位差的正弦(見(jiàn)圖4)。因此可以使用相差為 90度的一對(duì)磁場(chǎng)分量(徑向和切向或者軸向和切向)來(lái)對(duì)磁體的角度進(jìn)行解碼?；谶@兩 個(gè)分量(這兩個(gè)分量的幅值一般說(shuō)來(lái)是不同的)對(duì)磁體的角位置進(jìn)行的解碼需要將所用的 這兩個(gè)分量歸一化，以能夠計(jì)算反正切，從而推導(dǎo)出角度。現(xiàn)有技術(shù)中還已知本申請(qǐng)人的描 述一種旋轉(zhuǎn)和線性位置傳感器的PCT專(zhuān)利W027099238，該旋轉(zhuǎn)和線性位置傳感器使用與前 述360°傳感器一樣的原理。其使用在磁化方向沿著位移連續(xù)變化的條狀或蹄狀磁體所生 成的磁場(chǎng)的的基本上在同一點(diǎn)測(cè)量到的兩個(gè)分量(法向和切向或者軸向和切向)。這兩種方案的缺陷在于對(duì)所有的外場(chǎng)的影響都很敏感?？梢詫?duì)這樣的傳感器進(jìn)行 屏蔽，但這要增加附件，從而使造價(jià)提高且傳感器的尺寸增大。此外，在兩個(gè)分量間施加增 益可能產(chǎn)生問(wèn)題(由溫度導(dǎo)致的探頭噪聲)，并且徑向磁化(在360°傳感器的情況下)并 非易事且可能引起諧波誤差。事實(shí)上，360°傳感器的性能(輸出信號(hào)的線性)直接取決于 徑向磁化的好壞。用簡(jiǎn)單的通電線圈就可方便地獲得將環(huán)形磁體徑向磁化所必需的圖5示 出的磁化場(chǎng)?？諝夂鸵呕牟牧祥g磁導(dǎo)率的差異造成了場(chǎng)線彎曲，其曲率遵循兩種介質(zhì) 間邊界處的如下偏折關(guān)系
tan(ai) _ μΓ τ~；7 ~
tan(a2) μ,2 如圖4所示，這種彎曲表現(xiàn)為材料的非徑向磁化從而表現(xiàn)為所測(cè)量的兩個(gè)分量的 失真。這兩個(gè)信號(hào)并非是相位差為90°的兩個(gè)完美正弦，這在解碼時(shí)表現(xiàn)為很大的非線性， 這在示出基于磁場(chǎng)的兩個(gè)分量解碼的信號(hào)的同一圖6上可看出。
本發(fā)明提出通過(guò)允許使用在優(yōu)選地空間上錯(cuò)開(kāi)1/4周期的兩個(gè)點(diǎn)測(cè)量到的磁場(chǎng) 的兩對(duì)分量(法向和切向)的組合來(lái)解決上述問(wèn)題。旋轉(zhuǎn)傳感器的周期為磁體的總角度。線性傳感器的周期為其長(zhǎng)度。兩個(gè)分量是在同一點(diǎn)測(cè)量得的(物理上，如果測(cè)量磁場(chǎng)的兩個(gè)分量的諸點(diǎn)間的實(shí) 際距離小于5mm，則認(rèn)為測(cè)量是在同一點(diǎn)進(jìn)行的)，而另兩個(gè)分量是在空間上大約錯(cuò)開(kāi)1/4 周期(例如對(duì)于360°傳感器錯(cuò)開(kāi)90° )處的另一點(diǎn)測(cè)量得的。因此，下述方案能夠減小 外場(chǎng)的影響、補(bǔ)償部分由磁化引起的諧波誤差且在分量間不再施加增益。設(shè)Bn 1為點(diǎn)1處的法向分量Btl為點(diǎn)1處的切向分量Bn2為點(diǎn)2處的法向分量Bt2為點(diǎn)2處的切向分量設(shè)τ ΤΑ (Θ)為旋轉(zhuǎn)角，考慮到由徑向磁化引起的三次諧波的誤差(主要誤
差)，有
Bnl = hi*cos (TETA) + h3*cos(3T^TA)
Btl = h/i*sin(TETA) + h'3*sin( 3TETA)假設(shè)點(diǎn)1和點(diǎn)2空間上錯(cuò)開(kāi)90°，則有
Bn2 = hi*cos(TETA+2/PI) + h3*cos (3(Τ ΤΑ+2/PI))
=一 hi*sin<T^TA)+ h3*sin(3TETA)
Bt2 = h'i*sin (TETA+2/PI) + h'3*sin(3(TETA+2/PI))
=h'i*cos(T^TA) 一 h^^osiSTETA)本發(fā)明提出用下面的方法將分量?jī)蓛山M合Bn = Bnl+Bt2Bt = Btl-Bn2于是有
Bn = hi *cos (TETA) + h3*sin(3T^TA) + h'i*cos (TETA) 一
h,3*oos(3T^TA)=(hi+ h'i)*cos (TETA) + (h3 - h'3) *COS(3TETA)
v^ν~' -0
=(hi + h'i)*COS (TETA)
L-‘
Bt = hi* s in (TETA) 一 h3*sin( 3Τ ΤΑ) + h'i*sin (TETA) +
h'3*sin(3T^TA)
=(hi+ h'i)*sin(T^TA) + (h'3- h3)*sin(3T^TA)
-0
=(hi+h'i)*sin (TETA)因此，所得的相位差為90°且近似為完美正弦的兩個(gè)信號(hào)的幅度相同。事實(shí)上，非 完美法向的分量(由于三次諧波其為三角形)與非完美切向的分量(由于三次諧波其為矩 形)的組合允許完全消除或至少極大地減少諧波的缺陷，從而獲得兩個(gè)準(zhǔn)正弦分量。此外，如果(參見(jiàn)圖13和14)沿χ軸和y軸有外磁場(chǎng)(Bx-ext和Byext)，則分量 的兩兩組合允許消除外場(chǎng)的影響。因此，關(guān)于圖13的磁體的位置1，有Bnl = Bn_max_By_extBtl = -Bx_extBn2 = _Bx_extBt2 = Bt_max+By_ext最終給出Bn = Bnl+Bt2 = Bn_max+Bt_maxBt = Btl-Bn2 = 0關(guān)于圖13的磁體的位置2，現(xiàn)有Bnl = 0_By_extBtl = -Bt_max-BextBn2 = Bn_max_BextBt2 = By_ext由此給出Bn = Bnl+Bt2 = 0Bt = Btl-Bn2 = -Bn_max-Bt_max所獲得的兩個(gè)信號(hào)正好幅度相同，并且消除了外場(chǎng)的影響。根據(jù)用于在法向分量和切線分量的三次諧波不相等(h’ 3-h3 Φ 0)的情況下改善
6旋轉(zhuǎn)傳感器的配置準(zhǔn)確度的一種優(yōu)選實(shí)施方式。該實(shí)施方式完全采用以上描述，從而集中 了上述的所有優(yōu)點(diǎn)。其還提供如下優(yōu)點(diǎn)通過(guò)使用在空間上分別錯(cuò)開(kāi)1/4周期(前述方案)、優(yōu)選地如 圖25所示錯(cuò)開(kāi)1/8周期(對(duì)于360°傳感器錯(cuò)開(kāi)45° )的2 * 2個(gè)點(diǎn)測(cè)量到的磁場(chǎng)的4 * 2個(gè)分量(法向和切向的)的巧妙組合，整體上補(bǔ)償了由于與磁體的幾何形狀有關(guān)的磁 化的缺陷導(dǎo)致的三次諧波的缺陷，以獲得2個(gè)完美正弦的分量。設(shè)Bnla為點(diǎn)Ia處的法向分量Bnlb為點(diǎn)Ib處的法向分量Btla為點(diǎn)Ia處的切向分量Btlb為點(diǎn)Ib處的切向分量Bn2a為點(diǎn)2a處的法向分量Bn2b為點(diǎn)2b處的法向分量Bt2a為點(diǎn)2a處的切向分量Bt2b為點(diǎn)2b處的切向分量本方案提出將比前述組合預(yù)先錯(cuò)開(kāi)1/8周期的2對(duì)點(diǎn)(a和b)的法向分量和切向 分量?jī)蓛山M合，該方案允許通過(guò)以下方法消除諧波的殘余(h3_h’ 3)Bnl = Bnla+BnlbBtl = Btla+BtlbBn2 = Bn2a+Bn2bBt2 = Bt2a+Bt2b
too ] STiTA ( θ )為旋轉(zhuǎn)角，與前述求解過(guò)程一樣，考慮到由徑向磁化引起的三次諧 波的誤差(主要誤差)，用h3-h’ 3 = 0可得
Bn - {hi + h'i)*cos(T^TA)
Bt = (hi+h ) * sin (TETA)所有有關(guān)外場(chǎng)的考慮保持不變。在進(jìn)行除法和反正切的計(jì)算之前，數(shù)字信號(hào)的處理電路將分量組合(這允許得到 兩個(gè)幅度基本相同的正弦)并執(zhí)行多種補(bǔ)償(偏移、正交性、探頭參數(shù)隨溫度的變化)。所 獲得的角度可用于集成電路的輸出，例如以與該角度成正比的電壓的形式。在其中磁場(chǎng)隨傳感器的行程連續(xù)轉(zhuǎn)向的如圖20和21示出的線性配置中，同樣可 以將磁場(chǎng)的分量?jī)蓛山M合，以消除外場(chǎng)。設(shè)Bn 1為點(diǎn)1處的法向分量Btl為點(diǎn)1處的徑向分量Bn2為點(diǎn)2處的法向分量Bt2為點(diǎn)2處的徑向分量
7,silM-dA^PI》)* cos(2xL/Fl +dL/PI>
V__JBnl-Bn2 = -Ah1 * sin (2xL/PI+dL/PI)Btl-Bt2 = Ah' ! -k cos (2xL/PI+dL/PI)因此，所獲得的相位差為90°且完美正弦的兩個(gè)信號(hào)的幅度不同。分量的這種兩 兩組合允許消除任何均勻外場(chǎng)，不管場(chǎng)的方向如何。所獲得的兩個(gè)信號(hào)的幅度取決于1和2這兩點(diǎn)之間的距離。當(dāng)這兩點(diǎn)相距半周期 時(shí)(d = L/2)幅度為最大值；當(dāng)d = 0或L時(shí)幅度為零。因此傾向于1和2這兩點(diǎn)錯(cuò)開(kāi)約 1/4周期，這被證實(shí)是在獲得的信號(hào)的幅度和傳感器的尺寸之間良好的折衷。在進(jìn)行除法和反正切的計(jì)算之前，數(shù)字信號(hào)的處理電路將分量組合并執(zhí)行多種補(bǔ) 償(偏移、正交性、探頭參數(shù)隨溫度的變化)、將信號(hào)歸一化。所獲得的輸出信號(hào)可用于集成X為傳感器的行程，L是傳感器的總行程，d為點(diǎn)1和點(diǎn)2 Z間的距咼(0 < d < L)則有Bnl = Ii1 * cos (2xL/PI)-By_extBtl = h'丄 * sin(2xL/PI)+Bx_extBn2 = Ii1 * cos (2xL/PI+2dL/PI) -By_extBt2 = h' ! -k sin(2xL/PI+2dL/PI)+Bx_ext即
Bnl-Br^ = Ii1* (cos (2xL/PI)-cos (2xL/PI+2dL/PI)) Btl-Bt2 = h' (sin(2xL/PI)-sin(2xL/PI+2dL/PI))

Bnl-Bn2= hi*(cos 2xL/PI - cos (2xL/PI +2dL/PX)) =-2hi*sin(2xL/PI -frdL/PI) *sin(-d/L*PI)
(-2*lii*sia(-d/l,*PI))* 3in(2xL/PI +dL/Pi)
V __；
常量-A.hj
Btl~Bt2 h'i*(sin{2xL/PI) 一 sin (2xL/PI +2dL/PI))
=2*h'i*cos(2xL/PI +dL/PI)*sin()
8電路的輸出，例如以與傳感器的線性沖程成正比的電壓的形式。參見(jiàn)下列不同附圖可以更好的理解本發(fā)明·圖1示出現(xiàn)有技術(shù)的一種旋轉(zhuǎn)傳感器的視圖，該旋轉(zhuǎn)傳感器使用在空間上錯(cuò)開(kāi) 90°的兩點(diǎn)測(cè)得的磁感應(yīng)強(qiáng)度的兩個(gè)法向分量，·圖2示出現(xiàn)有技術(shù)的一種方案中的磁感應(yīng)強(qiáng)度的兩個(gè)法量分量，·圖3示出現(xiàn)有技術(shù)的一種旋轉(zhuǎn)傳感器的視圖，該旋轉(zhuǎn)傳感器使用磁感應(yīng)強(qiáng)度的 法向分量和切向法量，·圖4示出現(xiàn)有技術(shù)的一種方案的同一點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度的法向分量和切向分量， 圖5示出當(dāng)對(duì)相對(duì)磁導(dǎo)率(μ r)等于1. 2的材料進(jìn)行磁化時(shí)磁體內(nèi)部的場(chǎng)線， 圖6示出在“徑向”磁化的各向同性的圓環(huán)形磁體上測(cè)得的磁感應(yīng)強(qiáng)度的法向分 量和切向分量以及信號(hào)的非線性，·圖7示出具有兩個(gè)雙向探頭31和32的本發(fā)明的全視圖， 圖8示出具有兩個(gè)雙向探頭31和32的本發(fā)明的三維(3D)視圖，·圖9僅示出探頭31的磁感應(yīng)強(qiáng)度的法向分量和切線分量， 圖10示出由探頭31在“徑向”磁化的各向同性的圓環(huán)形磁體上測(cè)得的信號(hào)的非 線性， 圖11示出基于由探頭31和32測(cè)得的磁感應(yīng)強(qiáng)度的法向分量和切向分量的兩兩 組合而獲得的兩個(gè)正弦信號(hào)，·圖12示出基于圖11的信號(hào)而獲得的非線性，·圖13示出當(dāng)有外磁場(chǎng)時(shí)磁體的兩個(gè)角位置，·圖14示出本發(fā)明的視圖以及產(chǎn)生外磁場(chǎng)的勵(lì)磁線圈，·圖15示出在如圖14限定的外場(chǎng)的影響下探頭31和32的兩個(gè)法向分量和切向
分量， 圖16示出在外場(chǎng)影響下由探頭31在“徑向”磁化的各向同性的圓環(huán)形磁體上測(cè) 得的信號(hào)的非線性， 圖17示出在外場(chǎng)影響下由探頭32在“徑向”磁化的各向同性的圓環(huán)形磁體上測(cè) 得的信號(hào)的非線性， 圖18示出由探頭31和32測(cè)得的法向分量和切向分量的兩兩組合而獲得的信號(hào) 的非線性，·圖19示出被應(yīng)用于具有兩個(gè)雙向探頭31和32的線性傳感器的本發(fā)明的全視 圖，·圖20示出具有兩個(gè)雙向探頭31和32的本發(fā)明的側(cè)視圖， 圖21示出在有外場(chǎng)時(shí)具有兩個(gè)雙向探頭31和32的本發(fā)明的側(cè)視圖，·圖22示出被應(yīng)用于具有兩個(gè)雙向探頭31和32的小角度旋轉(zhuǎn)傳感器的本發(fā)明的 全視圖，·圖23示出空間上錯(cuò)開(kāi)1/4個(gè)周期的探頭31和32的法向分量和切向分量，·圖24示出由于前述四個(gè)信號(hào)的兩兩組合而得到的兩個(gè)正弦信號(hào)以及最終獲得 的輸出信號(hào)，·圖25示出具有與另兩個(gè)雙向探頭31b和32b配合的兩個(gè)雙向探頭31a和32a的
9本發(fā)明的全視圖，·圖26示出本發(fā)明的模擬信號(hào)的非線性及其借助于另兩個(gè)雙向探頭31b和32b、 基于提出的優(yōu)化方案的可能的改進(jìn)。圖1和圖2示出對(duì)外場(chǎng)敏感的現(xiàn)有技術(shù)的一種方案。圖中有基本上徑向磁化的環(huán) 形永磁體(1)；該磁體在空間任意一點(diǎn)產(chǎn)生的磁場(chǎng)的法向分量由兩個(gè)空間上錯(cuò)開(kāi)90°的磁 敏部件21和22測(cè)量，然后處理其信號(hào)以解碼角度和以將這兩個(gè)信號(hào)歸一化，以便輸出與磁 體的角位置成正比的電信號(hào)。圖3和4中示出對(duì)外場(chǎng)敏感且具有徑向磁化的缺陷的現(xiàn)有技術(shù)的另一方案。該方 案包括基本上徑向磁化的環(huán)形永磁體(1)，該磁體在空間任意一點(diǎn)產(chǎn)生的磁場(chǎng)的法向或軸 向分量和切向分量由位于同一點(diǎn)的兩個(gè)磁敏部件測(cè)量，然后處理部件對(duì)其信號(hào)進(jìn)行處理， 該處理部件實(shí)現(xiàn)解碼和這兩個(gè)信號(hào)的歸一化，以便輸出與磁體的角位置成正比的電信號(hào)。圖5示出相對(duì)磁導(dǎo)率等于1. 2的環(huán)形磁體在磁化時(shí)外部和內(nèi)部的場(chǎng)線。場(chǎng)線在穿 過(guò)磁體時(shí)發(fā)生變形，這種變形是由于磁體(在本情況下yr = 1.2)與空氣(μι· = 1)間相 對(duì)磁導(dǎo)率的差異而導(dǎo)致的。場(chǎng)線的這種偏移意味著磁體徑向磁化得不好。圖6示出由于徑向磁化得不好而導(dǎo)致的非完美正弦的法向分量和切向分量以及 基于這些信號(hào)而獲得的非線性。圖7和8示出本發(fā)明的視圖。該方案包括基本上徑向磁化的環(huán)形永磁體(1)，該磁 體在空間任意一點(diǎn)產(chǎn)生的磁場(chǎng)的法向或軸向分量和切向分量由4個(gè)磁敏部件測(cè)量。其中有 兩個(gè)磁敏部件位于一個(gè)點(diǎn)和優(yōu)選地集成在同一盒(31)內(nèi)；而另兩個(gè)磁敏部件也位于同一 點(diǎn)和優(yōu)選地集成在與盒(31)空間上錯(cuò)開(kāi)90°的同一盒(32)內(nèi)。然后將這四個(gè)信號(hào)兩兩組 合以消除外場(chǎng)的影響和由于徑向磁化而導(dǎo)致的誤差，以便輸出與磁體的角位置完全成正比 的電信號(hào)。信號(hào)的處理電路可集成在盒(31)或(32)內(nèi)，或者為了多余度的問(wèn)題而集成在 這兩個(gè)盒內(nèi)，亦可在這兩個(gè)盒(31)和(32)的外部實(shí)現(xiàn)。圖9和10示出對(duì)徑向磁體在某一點(diǎn)產(chǎn)生的法向分量和切向分量的測(cè)量和僅使用 一個(gè)探頭(31)而獲得的誤差。圖11示出由集成在盒(31)和(32)內(nèi)的4個(gè)磁敏部件所測(cè)得的4個(gè)信號(hào)的兩兩 組合。通過(guò)將(31)測(cè)得的法向分量與(32)測(cè)得的切向分量相加和通過(guò)從(31)測(cè)得的切 向分量中減去(32)測(cè)得的法向分量而得到兩個(gè)幅度相同的完美正弦信號(hào)。圖12示出基于圖11的兩個(gè)正弦信號(hào)解碼的輸出角度以及由此而獲得的非線性。 通過(guò)組合4個(gè)分量而獲得的誤差因此允許消除由于徑向磁化而導(dǎo)致的誤差。圖13和14表示在有外磁場(chǎng)情況下的本發(fā)明。圖13示出在均勻外場(chǎng)Bext影響下 的磁體(1)的兩個(gè)不同位置。在此情況中，外場(chǎng)為水平方向并干擾探頭(31)的切向分量和 探頭(32)的法向分量。圖14示出具有產(chǎn)生干狀磁場(chǎng)的線圈(4)的本發(fā)明的視圖。產(chǎn)生外 部干擾場(chǎng)的源可以正好是位于線圈處的磁體。圖15示出在有如前述的兩圖中所示的外場(chǎng)時(shí)由探頭(31)和(32)的磁敏部件測(cè) 得的兩個(gè)法向分量和兩個(gè)切向分量。可以看出，探頭(32)的法向分量和探頭(31)的切向 分量確實(shí)受到了影響。圖16和17分別示出盒(31)和盒(32)的輸出信號(hào)以及在前述圖中限定的外場(chǎng)影 響下這兩個(gè)信號(hào)的非線性。因此可以注意到，由于外場(chǎng)改變了盒(31)的切向分量因此盒
10(31)的輸出信號(hào)是非線性的，而由于線圈產(chǎn)生的外場(chǎng)引起的盒(32)的法向分量的改變，盒
(32)的輸出信號(hào)也是非線性的。圖18示出本發(fā)明獲得的結(jié)果。圖中示出由(31)和(32)測(cè)得的4個(gè)信號(hào)組合后 得到的兩個(gè)信號(hào)(Bnl+Bt2，Btl-Bn2)、計(jì)算(Bnl+Bt2/Btl-Bn2)的反正切后的輸出信號(hào)和 該信號(hào)的非線性。與現(xiàn)有技術(shù)的方案相反，盡管有外場(chǎng)，但本發(fā)明仍允許具體始終為線性的 傳感器。圖19和20示出被應(yīng)用于線性傳感器的本發(fā)明的兩個(gè)視圖。圖中有磁化了的長(zhǎng)度 為L(zhǎng)的磁體(1)，其磁化用矢量M示出，其磁化方向在由位移方向X及與X方向的法向所確 定的平面內(nèi)根據(jù)磁體的長(zhǎng)度而線性地變化。兩個(gè)探頭(31)和(32)的每個(gè)都測(cè)量由磁體 (1)產(chǎn)生的磁場(chǎng)的法向分量和切向分量。這兩個(gè)探頭空間上相距幾毫米。圖21是圖20有外磁場(chǎng)Bn_eXt+Bt_eXt時(shí)的情況，該外磁場(chǎng)疊加在磁體(1)所產(chǎn)生 的磁場(chǎng)的測(cè)量上。通過(guò)將(31)和(32)的兩個(gè)法向分量相減(Bnl-Bn2)并將(31)和(32) 的兩個(gè)切向分量相減(Btl-Bt2)，本發(fā)明允許消除外部干擾且只處理來(lái)自磁體(1)產(chǎn)生的 磁場(chǎng)的信號(hào)。圖22示出被應(yīng)用于小角度旋轉(zhuǎn)傳感器的本發(fā)明的視圖，其中有外磁疊加 在由磁體產(chǎn)生的磁場(chǎng)的測(cè)量上。通過(guò)將(31)和(32)的兩個(gè)法向分量相減(Bnl-Bn2)并將 (31)和(32)的兩個(gè)切向分量相減(Btl-Bt2)，本發(fā)明允許消除外部干擾且只處理來(lái)自磁體 (1)產(chǎn)生的磁場(chǎng)的信號(hào)。圖23示出由探頭(31)和(32)的磁敏部件測(cè)量的兩個(gè)法向分量和兩個(gè)切向分量。 在這種情況下，兩個(gè)探頭(31)和(32)空間上錯(cuò)開(kāi)四分之一周期。圖24示出本發(fā)明獲得的結(jié)果。其示出由(31)和(32)測(cè)得的4個(gè)信號(hào)組合后 得到的兩個(gè)信號(hào)以及這兩個(gè)信號(hào)的歸一化(Bnl-Bn2，Gain女(Btl_Bt2))，并示出計(jì)算 (Bnl-Bn2, Gain * (Btl_Bt2)的反正切后的輸出信號(hào)。圖25示出為獲得精確度極高的傳感器的本發(fā)明的一種優(yōu)化的實(shí)施方式。該方案包括基本上徑向磁化的環(huán)形永磁體(1)，該磁體(1)在空間任意一點(diǎn)產(chǎn)生 的磁場(chǎng)的法向或軸向分量和切向分量由8個(gè)磁敏部件測(cè)量。其中有兩個(gè)磁敏部件位于一 個(gè)點(diǎn)和優(yōu)選地集成在同一盒(31a)內(nèi)，而另兩個(gè)磁敏部件位于同一點(diǎn)和優(yōu)選地集成在與盒 (31a)空間上錯(cuò)開(kāi)90°的同一盒(32a)內(nèi)。還有兩個(gè)磁敏部件位于一個(gè)點(diǎn)和優(yōu)選地集成在 同一盒(31b)內(nèi)，而另兩個(gè)磁敏部件位于同一點(diǎn)和優(yōu)選地集成在同一盒(32b)內(nèi)，彼此之間 在空間上錯(cuò)開(kāi)90°的盒31b和32b與第一組垂直的盒31a和32a在空間上都錯(cuò)開(kāi)45°。然 后對(duì)這8個(gè)信號(hào)兩兩求和以消除由于徑向磁化而導(dǎo)致的誤差。然后將所得的4個(gè)信號(hào)兩兩 組合以消除外場(chǎng)的影響和由于徑向磁化而導(dǎo)致的誤差，以便輸出與磁體的角位置完全成正 比的電信號(hào)。信號(hào)的處理電路可集成在一個(gè)盒內(nèi)，或者為了多余度的問(wèn)題而集成在四個(gè)盒 內(nèi)，亦可在盒外部實(shí)現(xiàn)。圖26比較性地示出通過(guò)增加為了修正與磁體1的幾何形狀有關(guān)的磁化誤差而合 理布置的4個(gè)磁敏部件(盒31b和32b)而獲得的對(duì)非線性(根據(jù)用度數(shù)量度的行程用 360°的百分比量度)的誤差的可能的改進(jìn)。在這個(gè)圖中可以看出，通過(guò)主要引入未集成地補(bǔ)償?shù)娜沃C波(可通過(guò)反正切函 數(shù)減輕至四次諧波(H4))，根據(jù)磁化狀況、磁體尺寸及磁體性質(zhì)，前述實(shí)施方式得到的信號(hào)A可能不是完全線性的。相反，圖25示出的實(shí)施方式得到的信號(hào)B卻允許改進(jìn)甚至消除這 些非線性的缺陷。
權(quán)利要求
一種角或線性磁位置傳感器，包括由至少一個(gè)磁體(1)、至少四個(gè)磁敏部件(2，3和4，5)以及至少一個(gè)處理電路(6)構(gòu)成的移動(dòng)部件，其中所述磁體(1)的磁化方向在由所述磁體的位移方向和法向方向所確定的平面內(nèi)沿所述位移方向線性地變化，所述處理電路發(fā)送根據(jù)所述移動(dòng)部件的絕對(duì)位置的信號(hào)，其特征在于 第一組磁敏部件(2，3)，由位于同一點(diǎn)的一對(duì)磁敏部件(2，3)構(gòu)成； 所述第一組磁敏部件(2，3)與也由位于同一點(diǎn)的一對(duì)磁敏部件(4，5)構(gòu)成的第二組磁敏部件(4，5)沿所述磁體的所述位移方向在空間上錯(cuò)開(kāi)； 以及在于，所述第一組和所述第二組磁敏部件中的一個(gè)磁敏部件(3，5)用于測(cè)量所述磁場(chǎng)的切向分量，而所述第一組和所述第二組磁敏部件中的一個(gè)磁敏部件(2，4)用于測(cè)量所述磁場(chǎng)的法向分量； 所述處理電路用于實(shí)現(xiàn)至少兩個(gè)代數(shù)組合，每個(gè)代數(shù)組合包括所述第一組磁敏部件的分量和所述第二組磁敏部件的分量，以確定兩個(gè)電相位差為90°的基本上為正弦的信號(hào)。
2.根據(jù)前述權(quán)利要求所述的磁位置傳感器，其特征在于所述信號(hào)的所述處理電路(6) 用于對(duì)所述磁體(1)產(chǎn)生的磁場(chǎng)的分量進(jìn)行放大、相加或相減。
3.根據(jù)前述各項(xiàng)權(quán)利要求所述的角位置傳感器，其特征在于所述第一組磁敏部件(2， 3)和所述第二組磁敏部件(4，5)沿所述旋轉(zhuǎn)軸在空間上錯(cuò)開(kāi)1/4周期，以及在于，所述信號(hào) 的所述處理電路(6)用于對(duì)來(lái)自所述磁敏部件(2，3，4，5)的信號(hào)(B2，B3，B4，B5)以如下 方法進(jìn)行組合Atan((B2+B5)/(B3-B4)) 其中-B2是屬于所述第一組磁敏部件(2，3)的磁敏部件(2)測(cè)得的所述法向分量； -B3是屬于所述第一組磁敏部件(2，3)的磁敏部件(3)測(cè)得的所述切向分量； -B4是屬于所述第二組磁敏部件(4，5)的磁敏部件(4)測(cè)得的所述法向分量； -B5是屬于所述第二組磁敏部件(4，5)的磁敏部件(5)測(cè)得的所述切向分量。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的線性位置傳感器，其特征在于所述第一組磁敏部件(2，3)與 所述第二組磁敏部件(4，5)沿所述移動(dòng)部件的平移軸在空間上錯(cuò)開(kāi)大于1/16個(gè)周期、少于 15/16個(gè)周期，以及在于，所述信號(hào)的所述處理電路(6)用于對(duì)來(lái)自所述磁敏部件(2，3，4， 5)的信號(hào)(B2，B3，B4，B5)以如下方法進(jìn)行組合Atan((B2-B4)/Gain * (B3-B5)) 其中-B2對(duì)應(yīng)于屬于所述第一組磁敏部件(2，3)的磁敏部件(2)測(cè)得的所述法向分量； -B3對(duì)應(yīng)于屬于所述第一組磁敏部件(2，3)的磁敏部件(3)測(cè)得的所述切向分量； -B4對(duì)應(yīng)于屬于所述第二組磁敏部件(4，5)的磁敏部件(4)測(cè)得的所述法向分量； -B5對(duì)應(yīng)于屬于所述第二組磁敏部件(4，5)的磁敏部件(5)測(cè)得的所述切向分量； -Gain對(duì)應(yīng)于所述信號(hào)(B2-B4)和(B3-B5)的歸一化，所述歸一化通過(guò)對(duì)所述信號(hào) (B3-B5)的幅度進(jìn)行調(diào)整以獲得兩個(gè)幅度相同且相位差為90°的信號(hào)(B2-B4)和(B3-B5)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁位置傳感器，其特征在于所述第一組磁敏部件(2，3)集成 在一個(gè)盒(31)內(nèi)，以及在于，所述第二組磁敏部件(4，5)集成在一個(gè)盒(32)內(nèi)。
6.根據(jù)前述各項(xiàng)權(quán)利要求所述的磁位置傳感器，其特征在于所述磁體(1)是中空?qǐng)A柱 形、蹄形或條形的磁體。
7.根據(jù)前述各項(xiàng)權(quán)利要求所述的磁位置傳感器，其特征在于所述磁敏部件基本上都位 于所述磁體的中面上，該中面與所述磁體(1)的所述旋轉(zhuǎn)軸相垂直。
8.根據(jù)前述各項(xiàng)權(quán)利要求所述的磁位置傳感器，其特征在于所述磁體(1)粘接在要測(cè) 量其位置的旋轉(zhuǎn)或平移的軸上。
9.根據(jù)前述各項(xiàng)權(quán)利要求所述的磁位置傳感器，其特征在于所述磁體(1)粘接在鐵磁 軛上。
10.根據(jù)權(quán)利要求1至9所述的角位置傳感器，其特征在于所述磁體是沿所述磁體逐漸 正弦磁化的。
11.根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的角位置傳感器，包括-與所述第一組磁敏部件及所述第二組磁敏部件在空間上錯(cuò)開(kāi)的第三組磁敏部件和第 四組磁敏部件；-所述第三組磁敏部件和所述第四組磁敏部件中的每一組都由位于同一點(diǎn)的一對(duì)磁敏 部件構(gòu)成；-所述第三組磁敏部件和所述第四組磁敏部件的一個(gè)磁敏部件用于測(cè)量所述磁場(chǎng)的所 述切向分量，所述第三組磁敏部件和所述第四組磁敏部件的一個(gè)磁敏部件用于測(cè)量所述磁 場(chǎng)的所述法向分量；-處理電路，用于分別對(duì)所述第一組磁敏部件與所述第三組磁敏部件的法向分量和所 述第一組磁敏部件與所述第三組磁敏部件的切向分量進(jìn)行相加，以及分別對(duì)所述第二組磁 敏部件與所述第四組磁敏部件的法向分量和所述第二組磁敏部件與所述第四組磁敏部件 的切向分量進(jìn)行相加，從而實(shí)現(xiàn)代數(shù)組合。
全文摘要
本發(fā)明涉及角或線性磁位置傳感器，該傳感器包括由至少一個(gè)磁體(1)、至少四個(gè)磁敏部件(2，3和4，5)以及至少一個(gè)處理電路(6)構(gòu)成的移動(dòng)部件，其中磁體(1)的磁化方向在由磁體的位移方向和法向方向所確定的平面內(nèi)沿所述位移方向線性地變化，處理電路發(fā)送根據(jù)移動(dòng)部件的絕對(duì)位置的信號(hào)，其特征在于第一對(duì)磁敏部件(2，3)，相應(yīng)的(4，5)，均位于同一點(diǎn)，而第一對(duì)磁敏部件(2，3)與第二對(duì)磁敏部件(4，5)沿位移方向在空間上錯(cuò)開(kāi)，以及在于，磁敏部件(3和5)測(cè)量磁場(chǎng)的切向分量，而磁敏部件(2和4)測(cè)量磁場(chǎng)的法向分量，以將所述分量?jī)蓛纱鷶?shù)組合后提供兩個(gè)電相位差為90°的基本上為正弦的信號(hào)。
文檔編號(hào)G01D5/14GK101918797SQ200880125517
公開(kāi)日2010年12月15日 申請(qǐng)日期2008年11月20日 優(yōu)先權(quán)日2007年11月20日
發(fā)明者尼古拉·耶蘭切, 杰拉爾德·馬松, 理查德·阿爾洛, 蒂里·多格, 迪迪埃·弗拉商 申請(qǐng)人:移動(dòng)磁體技術(shù)公司