CN101535772B - 线性位移传感器 - Google Patents

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Abstract

一种线性位移传感器(20)使用设置成矩形阵列的四个隔开的磁体(28、30、32、34)并具有对称轴线(24)。每个磁体具有向中心线升高的至少两个阶(38、42)的阶梯形状。阵列的每个磁体具有单个N-S，且关于对称轴线(24)设置成镜像的磁体具有相反的磁极，而位于由矩形阵列限定的对角线上的磁体具有面向对称轴线的相同极性。线性位移传感器(20)利用例如可编程霍尔效应传感器的磁场强度传感器(22)，该传感器(22)被安装以沿对称轴线(24)相对于磁体阵列移动。选择限定磁体(28、30、32、34)的阶梯形状的阶(38、42)的高度以沿对称轴线的所选部分产生所选线性度的磁场。

Description

线性位移传感器
技术领域
本发明涉及使用磁场感测线性运动的位置测量设备。
背景技术
经常需要测量两个元件相对彼此的位置或位移。一种尤为有用的测量是移动台在其沿固定底座行进时的线性位移。这种位移能通过许多不同的感测技术测得，这些检测技术具有很大范围的精确性、不同级别的复杂性和宽范围的成本。
一些用于测量线性位移的常见装置采用线性解码器、电容传感器、涡流传感器、线性可变差动变压器、光电或光纤传感器或磁场传感器。线性编码器使用由高稳定性材料制成的玻璃或金属标尺，以使温度变化不会影响测量精确性。诸如石英、钢、因瓦合金、玻璃或陶瓷的这些材料一般需要特别的加工技术以制造并因此更为昂贵。
电容传感器用于导电或不导电对象材料两者，但对于改变传感器和对象之间的介质——一般是空气——的介电常数的环境变化非常敏感。涡流传感器包含两个线圈：指示导电对象存在的主动线圈；以及完成电桥电路的副线圈。线性可变差动变压器(LVDT)传感器具有设置在中空圆柱形轴和实心圆柱形管芯中的一连串电感器。LVDT产生与管芯沿轴的位移成正比的电输出。这些线圈或管芯的尺寸和安装以及测量灵敏度是涡流或LVDT传感器的使用中竞争的设计因素。
光电和光纤传感器使用光束测量距离或位移。光电传感器使用光的自由空间传播而光纤传感器使用一对毗邻的光纤将光导向对象并从对象那里接收反射光。在使用这种技术时，维持光路所需的光纤的对齐和光学器件的复杂性是困难的。
诸如霍尔效应传感器、GMR传感器或AMR传感器的磁场强度传感器可与齿或交替的磁极的线性阵列一起使用以产生指示传感器线性运动的正弦输出，然而，必须确定初始位置并且必须对每个齿或磁极进行计数和相位数据分析以达到最佳的精确性。输出直接正比于线性位置的电压的传感器具有优势。一个这样的传感器使用一对磁体，这对磁体具有属于同一磁极的彼此朝向的凸面。这种传感器要求在磁体的表面上形成非线性曲线，这将是高成本的。
发明内容
需要一种线性位移传感器，这种线性位移传感器在位置和磁场强度之间产生直接的对应关系并能以简单的磁体几何形状构造。该问题由根据本文所披露的本发明的线性位移传感器解决。
附图说明
图1是本发明的四磁体阵列和线性位移传感器的侧视图。
图2是图1的四磁体阵列和线性位移传感器的端视图。
图3是在三个不同阶高度上、沿图1所示类型的四磁体阵列的轴线的磁场强度的曲线图。
图4是二磁体阵列相比图1的四磁体阵列的轴外磁场强度变化的曲线图；
具体实施方式
线性位移传感器20在图1示出。线性位移传感器20包括磁场强度传感器22，线性位移传感器20感测磁场强度和磁极性并沿四个对称设置的磁体28、30、32和34构成的阵列26的对称轴线24移动。各磁体被设置在矩形36的四个象限之一中。每个磁体28、30、32和34是具有至少两个阶的阶梯形状，近端阶38具有最靠近对称线24的磁极表面40、以及离对称线较远并具有磁极表面43的远端阶42。每个磁体的阶之间的轴向间距限定阶侧面45。这四个阶侧面45一起限定具有与位于对称线24上的较大矩形36的中心点45一致的中心的较小矩形49。磁体阵列26中的每个磁体设有一个N-S或S-N磁极，如图1所示。沿矩形36的第一对角线44定位的磁体28、34设有朝向对称线24的北磁极。沿矩形36的第二对角线46定位的磁体32、30设有朝向对称线24的南磁极。对角线44、46在矩形36的中心47处交叉，且对称轴线24通过中心47并平分对角线之间形成的角。设置成相对对称线24的镜像的磁体28、32设有彼此朝向的不同磁极。此外，同样设置成相对对称线24的镜像的磁体30、34也设有彼此朝向的不同磁极；然而，N-S磁极设置相比于磁体28、32的S-N磁极设置是相反的。
如图1所示，磁场强度传感器22或者通过传感器的运动或者通过磁体阵列26的运动沿对称线24移动。磁场强度传感器22较佳为具有板上逻辑的霍尔效应传感器，板上逻辑可被编程以根据板上程序适应于霍尔效应器件的输出。适宜的器件例如从德国弗赖堡的Micronas GmbH获得的HAL 855。
图3示出霍尔效应传感器在其沿对称轴线24从磁体阵列26的矩形36的一侧移动至另一侧时的输出的仿真曲线图48。图3还示出霍尔效应传感器在诸磁体的间距保持如图1所示那样但完全去除每个磁体的下端阶42的结构中在其沿对称轴线移动时的输出的仿真曲线图50。曲线图50示出磁场强度如何随着磁场强度传感器22接近对置磁体28、32之间的最大磁场强度的点52而增加，并如何随着传感器接近矩形36的中心47而减小。随着磁场强度传感器22继续移向对置磁体30、34之间的最大磁场强度的+a点55，由于第二对磁体30、34的对置磁极是相反的，磁场继续减小。曲线图50所示的这种无阶磁体配置显示这种配置不适于线性换能器，因为磁场强度在中心47的任一侧在可观的距离上保持基本不变，并因此无法将磁场强度用来精确地确定沿对称轴线24的位置。
在图1所示的磁体阵列26中，每个磁体28、30、32、34具有从每个磁体的后表面58测得的4mm的阶高。上端磁体28、30上的这些远端阶42朝向彼此延伸并在对称轴线24上方的磁体28、30之间限定一上端间隙54，并在矩形36的中心47上方居中。下端磁体32、34的远端阶42朝向彼此延伸并在位于矩形36的中心47下方的下端磁体32、34之间限定下端间隙56。如图3所示，曲线48在图1的磁体28、32的近端阶38之间的点60和磁体30、34的近端阶38之间的点62之间非常接近线性。具体地说，当磁场强度传感器22穿越中心47并位于上端间隙54和下端间隙56之间时，磁场强度的斜率几乎保持不变。图1的磁体阵列26提供在点60和点62之间将近15mm范围内的磁场强度的相对陡峭斜率的线性变化。图3中还示出2mm阶64和5mm阶66的磁场强度的曲线，其示出如何改变阶尺寸以在与图1所示阵列26相似的磁体阵列中搜索磁场强度最为线性的变化。磁场强度斜率的任何剩下的非线性可通过对构成可编程霍尔效应传感器22一部分的非易失性存储器编程来校正。因此，可直接将霍尔效应传感器22的输出作为线性位置读出。当然，如果在任何点的磁场强度的斜率接近零，则会丧失固有的精确性。
四磁体阵列26还为偏离对称轴线24的微小偏差提供近乎恒定的磁场强度。图4示出在磁场强度接近800高斯的情形下曲线48上的点的轴外磁场强度的仿真。曲线68示出在对称轴线24附近的零斜率，该斜率在对称轴线24的任一侧上将近0.5mm处保持很小。这与包含例如图1的下端磁体32、34的二磁体阵列形成对比，其中磁场强度的轴外变化的曲线70在与对称轴线24相同的相对位置在线72的任一侧具有恒定且相对陡峭的正斜率。
如图1所示的各磁体28、30、32、34可采用极靴78，用来增加由磁体产生的磁场的强度。由于高强度磁体经常由相对稀有的元素制成，因此通过减小磁体尺寸同时采用由一般为低成本软铁合金的导磁性材料构成的极靴78来维持磁场强度，可降低磁体的成本。极靴可以是固接于阵列26的每个磁体28、30、32、34的后表面58上的板。增加极靴将减少形成所选磁场强度的磁阵列的所需的磁体材料的用量。
如图1中虚线所示，可构造一种可替换实施例的线性位移传感器74，其中阵列的每个磁体具有三个或更多个阶。在可替换实施例中，第三阶76位于离对称轴线24中间距离的位置，具有在近端阶38和远端阶42之间的间距。当要求具有相对长的感测距离的线性位移传感器时，使用第三阶76是有利的，例如使用四个三阶磁体构造出在30mm距离上磁场强度基本线性变化的传感器。
在线性位移传感器20的设计中，可采用下列设计变量以获得磁场强度相对线性位置的理想曲线形状：改变限定磁体位置的矩形36大小；改变形成在每个磁体中的阶数以及每个阶离对称轴线的距离；改变阶沿对称轴线的宽度；改变形成在磁体之间的间隙54、56沿对称轴线的宽度；改变用于磁体尺寸的磁性材料的种类；以及采用极靴。
通常，均一的位置检测分辨率要求磁场强度相对距离的呈最线性的曲线，磁场强度曲线可明显不同于线性曲线，但借助传感器中的可编程逻辑提供线性输出。在这种配置中，在磁场强度相对线性位置的曲线的斜率不恒定的情形下，斜率变化影响固有的精确性，这种变化可通过优化磁体而用来提高特定范围内的精确性，不管斜率是否较小都以稍低的精确性为代价使在要求更大线性位置分辨率的情形下具有更大的斜率。
在采用位移传感器20的实践应用中，四个磁体28、30、32、34被安装在线性运动的机壳上，而霍耳效应传感器22固定地安装在电路板上。典型地，含四个磁体的机壳被安装成在导轨上行进或强制对称轴线24在霍尔效应传感器22移动的某些类似结构。
可编程磁场强度传感器22包括在传感器封装件内的霍尔效应器件或传感器元件80。器件或传感器元件80平行于对称轴线且平行于磁极表面40地设置，以使磁体阵列26之间的磁场线垂直于霍尔效应器件。霍尔效应器件或传感器元件80的感测方向垂直于其传感器元件，并因此沿垂直于对称轴线24的方向对磁场强度敏感。
来自霍尔效应器件80信号的处理可在容纳霍尔效应器件的封装件的外部完成。此外，应当理解可使用其它种类的磁场传感器，例如具有或不具有芯片上的可编程性的巨磁阻(GMR)或各向异性磁阻(AMR)传感器。为使感测系统20上的外部磁场的效果最小化，应当使传感器所使用的磁场最大化，因为通过使用磁性传感器的全部测量范围，由外部磁噪声引起的传感器输出变化被最小化。为最小化封装件尺寸，可使用高磁场强度的磁体，例如阿尔尼科合金(铝镍钴合金)或钐-钴(SmCo)以及钕-铁-硼(NdFeB)。每个磁体28、30、32、34可形成为单件形式或可通过例如将一个矩形磁体接合到另一磁体组合简单形状的磁体来形成。磁极表面40、43，尽管一般为平坦的且彼此平行和平行于对称轴线24，但它们可包含这种微小的变化而不显著影响所描述的优点。
应当理解，权利要求书中的类似“基本平行”、“基本对齐”等术语旨在涵盖相对平行状态、对齐等的这种少量变化，这些变化仍然保持器件的功能性。
线性位移传感器20被设计成允许传感器的磁体的微小的失配而不会在传感器的输出中引入实质性错误。此外，将测得的由于磁体的磁场的几何失配或变化引起的线性偏差考虑在内，使用板上逻辑可通过伴随板上逻辑编程的受控动作校准每个线性位移传感器，以使磁场强度传感器22的输出线性化。
在矩形的角部的四个相似或相同的磁体的结构——其中沿对称线彼此相对定位的磁体具有相反的磁极而通过对角线相连的磁体具有朝向对称轴线的相同磁极——不一定局限于具有朝向对称线的阶梯形状的磁体。磁体的外形，与其说具有两个或更多个阶的阶梯形状，倒不如说是完全自由可变的，其根据沿对称轴线的磁场强度的要求标准被优化配置。
本发明提供一种利用简单几何形状的磁体沿位移轴线具有均一的线性倾斜的磁场的线性位移传感器，该传感器对磁性传感器离开感测轴的位移不敏感。

Claims (6)

1.一种线性位移传感器(20、74)，包括：
对称地设置以形成矩形的四个角的四个隔开的磁体(28、30、32、34)，所述矩形限定两条对角线，所述对角线相交以限定中点，而对称轴线(24)穿过所述中点并平分由对角线限定的角，每个磁体(28、30、32、34)具有面向所述对称轴线(24)的部分；
每个磁体(28、30、32、34)具有面向所述对称轴线(24)的磁极，其中位于同一对角线上的磁体具有面向所述对称轴线(24)的相同磁极，而相对所述对称轴线(24)对称设置的磁体具有相反磁极；以及
磁场强度传感器(22)，被设置成相对于所述四个磁体(28、30、32、34)基本沿对称轴线(24)作相对运动，
其中，第一磁体、第二磁体、第三磁体和第四磁体(28、30、32、34)各自具有朝向所述对称轴线(24)的部分，这些部分形成具有至少两个阶的阶梯形状，第一阶(38)与所述对称轴线(24)形成间隔，而第二阶(42)比所述第一阶(38)更远离所述对称轴线(24)。
2.如权利要求1所述的线性位移传感器(20、74)，其特征在于，所述磁场强度传感器(22)包括可编程霍尔效应传感器(80)。
3.如权利要求1所述的线性位移传感器(20)，其特征在于，所述第一磁体、第二磁体、第三磁体和第四磁体(28、30、32、34)分别仅具有两个阶(38、42)。
4.如权利要求1所述的线性位移传感器(74)，其特征在于，所述第一磁体、第二磁体、第三磁体和第四磁体(28、30、32、34)分别具有三个阶(38、42、76)。
5.如权利要求1-4任何一项所述的线性位移传感器(20、74)，其特征在于，所述第一磁体、第二磁体、第三磁体和第四磁体(28、30、32、34)被安装成相对所述磁场强度传感器(22)运动。
6.如权利要求1-4任何一项所述的线性位移传感器(20、74)，其特征在于，所述第一磁体、第二磁体、第三磁体和第四磁体(28、30、32、34)被设置成使磁场强度相对于沿所述对称轴线(24)和所述对称轴线的选定部分上的距离的变化率为最大。
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