在具有偏移斜率適應(yīng)的霍爾傳感器中磁控制場(chǎng)的溫度補(bǔ)償方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及一種用于檢測(cè)磁場(chǎng)源相對(duì)于磁場(chǎng)傳感器的相對(duì)位置的測(cè)量方法。通過(guò) 磁場(chǎng)傳感器檢測(cè)磁場(chǎng)的至少兩個(gè)磁場(chǎng)分量。本發(fā)明進(jìn)一步設(shè)及對(duì)應(yīng)的位移傳感器。
【背景技術(shù)】
[0002] 通過(guò)根據(jù)本發(fā)明的方法，特定而言旨在補(bǔ)償基于霍爾效應(yīng)的磁控制場(chǎng)對(duì)磁傳感器 的輸出信號(hào)的熱致變動(dòng)效應(yīng)，自兩個(gè)所檢測(cè)的磁場(chǎng)分量與偏移斜率適應(yīng)(OS適應(yīng))的商數(shù)建 立該輸出信號(hào)。
[0003] =維(3D)霍爾傳感器的測(cè)量原理基于在=個(gè)空間方向上建立磁通量密度向量B的 分量。如在圖1中所繪示，磁場(chǎng)源1〇2(例如，永磁體)與W固定方式配置的3D霍爾傳感器100 平行而移動(dòng)。檢測(cè)通量密度B在移動(dòng)方向104上延伸的分量化及與分量化垂直的分量By及Bx (未在圖1中繪示分量Bx)。若3D霍爾傳感器100相對(duì)于永磁體102W合適的方式定向，則僅需 檢測(cè)兩個(gè)空間方向，此是因?yàn)榇艌?chǎng)未給第=空間方向做出任意場(chǎng)貢獻(xiàn)且因此為零。如在圖1 中所繪示，接著將評(píng)估簡(jiǎn)化為通量密度分量By及化。
[0004] 圖2展示根據(jù)永磁體102在移動(dòng)方向104上的位置的所檢測(cè)通量密度By及化的曲線 進(jìn)展，該移動(dòng)方向在圖1中指示為Z軸。圖1及圖2中的位置Z = O對(duì)應(yīng)于在霍爾傳感器100及永 磁體102相對(duì)移動(dòng)期間其等之間的間隔達(dá)到最小間隔值d的永磁體102的位置。在永磁體102 精確定位于霍爾傳感器100前方時(shí)達(dá)成間隔d。
[0005] 參考通量密度分量化及By的值，可根據(jù)下列方程式計(jì)算磁通量密度B的值I B I及徑 向分量By與通量密度B的向量之間的角a:
(1) (2)
[0008] 在圖3及圖4中說(shuō)明歸因于方程式（1)及(2)及在圖1中所繪示的關(guān)于分量By及化的 值的值Ib I及角a的計(jì)算結(jié)果。
[0009] 可根據(jù)方程式(2)計(jì)算的角a大體上用作測(cè)量信號(hào)。特定言之，線性化角a的結(jié)果W 使其可用作位移比例輸出信號(hào)OUT。在圖5中說(shuō)明此輸出信號(hào)的實(shí)例為根據(jù)位置Z的百分比 信號(hào)。
[0010] 因?yàn)榇盆F的磁控制場(chǎng)可隨溫度范圍改變(例如，現(xiàn)今現(xiàn)有在汽車(chē)工業(yè)中自-40°c至 150°C改變多達(dá)30%)，所W使用具有根據(jù)方程式(2)的內(nèi)部反正切計(jì)算的3D霍爾傳感器是 顯著優(yōu)勢(shì)，歸因于其溫度相對(duì)于磁場(chǎng)的獨(dú)立性。
[0011] 作為來(lái)方程式（1)及(2)的結(jié)果，將控制磁鐵的與溫度相關(guān)的磁場(chǎng)變動(dòng)相似地插入 所測(cè)量的通量密度值By及化中。特定言之，方程式(2)導(dǎo)致角a與溫度無(wú)關(guān)的結(jié)果，此是因?yàn)?在比率計(jì)算化(T)比By(T)中縮減通量密度變動(dòng)，如在方程式(3)中所說(shuō)明： :(3)
[OOK] 其中km(T)是磁場(chǎng)的溫度因數(shù)，且Bz及By對(duì)應(yīng)于針對(duì)預(yù)定參考溫度(例如，20°C)建 立于3D霍爾傳感器中且在Z方向及Y方向上的通量密度。
[0014] 因此，作為在方程式(3)中縮減的結(jié)果，控制磁鐵的熱致磁場(chǎng)變動(dòng)不對(duì)角值a的結(jié) 果具有任何影響。
[0015] 已公開(kāi)的歐洲專(zhuān)利申請(qǐng)案EP 2159546 A2掲示一種用于檢測(cè)霍爾傳感器與永磁體 之間的線性相對(duì)移動(dòng)的測(cè)量方法，該霍爾傳感器檢測(cè)兩個(gè)互相垂直的磁場(chǎng)分量(R、A)?；魻?傳感器的輸出信號(hào)根據(jù)關(guān)系y = a+b ? IVf ? (C ? r+d ? A")形成準(zhǔn)線性位置測(cè)量曲線U=f (y)，其中R是徑向場(chǎng)分量，A是軸向場(chǎng)分量，U是測(cè)量電壓且a、b、c、d及n是常數(shù)因數(shù)。在此方 法中，（例如)通過(guò)溫度傳感器可動(dòng)態(tài)地將因數(shù)b調(diào)適為定標(biāo)因數(shù)，使得可達(dá)成對(duì)于永磁體的 溫度系數(shù)的補(bǔ)償。
[0016] 然而，上述的現(xiàn)有2D及3D霍爾傳感器及測(cè)量方法具有下列缺點(diǎn)：其等W非常敏感 的方式對(duì)控制磁鐵與霍爾傳感器之間的間隔中的變動(dòng)做出反應(yīng)。（例如）因?yàn)闄C(jī)械振動(dòng)或甚 至熱致材料膨脹的間隔中的變動(dòng)可顯著影響霍爾傳感器的測(cè)量的精確度。
[0017] 如在已公開(kāi)的德國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)案DE 10 2011 115 302 Al中所描述，為克服在現(xiàn)有 測(cè)量方法中永久磁場(chǎng)與3D霍爾傳感器之間的間隔d對(duì)角a的效應(yīng)，或至少最小化該等效應(yīng)， 發(fā)展具有偏移斜率適應(yīng)(OS適應(yīng))的測(cè)量方法及對(duì)應(yīng)的位移傳感器。
[0018] 相較于具有內(nèi)部反正切計(jì)算的現(xiàn)有3D霍爾傳感器，具有OS適應(yīng)的2D或3D霍爾傳感 器使用不同的計(jì)算方法，所檢測(cè)的磁場(chǎng)分量化比By的直接商數(shù)不用于計(jì)算測(cè)量信號(hào)或角曰， 而是在商數(shù)形成之前，通過(guò)常數(shù)偏移值來(lái)校正在移動(dòng)方向上延伸的磁場(chǎng)分量化。偏移值OS 導(dǎo)致針對(duì)永磁體102與霍爾傳感器100之間的不同間隔d(針對(duì)Z = Omm)的角a的曲線的斜率 同化。根據(jù)下列方程式來(lái)建立角a的校正值：
抖）
[0020] 為獲得針對(duì)OS適應(yīng)的足夠效應(yīng)，大體上將偏移值OS界定于磁場(chǎng)分量化值的自20% 至60%?？赏ㄟ^(guò)DE 10 2011 115 302 Al中描述的方法的一者來(lái)建立OS值。因此，在此實(shí)例 中省略詳細(xì)描述。
[0021] 然而，使用具有OS適應(yīng)的評(píng)估方法可通過(guò)控制磁鐵的磁場(chǎng)導(dǎo)致對(duì)反正切計(jì)算的溫 度表現(xiàn)的負(fù)面影響。盡管針對(duì)磁場(chǎng)溫度T的所檢測(cè)的磁場(chǎng)分量Bz及By的值被控制磁鐵的相 同熱變動(dòng)影響，然而由縮減根據(jù)方程式(4)的具有OS適應(yīng)的商數(shù)計(jì)算不再提供溫度補(bǔ)償。
[0022] 取決于在方程式(4)中的個(gè)別項(xiàng)的關(guān)系，產(chǎn)生高達(dá)12%的與溫度相關(guān)的額外誤差， 此對(duì)于3D霍爾傳感器的測(cè)量精確度而言是不可接受的。
[0023] 因此，為能夠完整利用具有OS適應(yīng)的評(píng)估表現(xiàn)，絕對(duì)需要磁控制場(chǎng)對(duì)磁傳感器的 測(cè)量信號(hào)的溫度效應(yīng)的補(bǔ)償。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0024] 因此，本發(fā)明的目標(biāo)是改良已提及的類(lèi)型的測(cè)量方法及位移傳感器使得通過(guò)盡可 能大的溫度范圍產(chǎn)生與溫度無(wú)關(guān)的測(cè)量信號(hào)。此外，磁場(chǎng)源與磁場(chǎng)傳感器之間的間隔變動(dòng) 應(yīng)盡可能不影響該測(cè)量信號(hào)。
[0025] 此目標(biāo)由獨(dú)立專(zhuān)利請(qǐng)求項(xiàng)的標(biāo)的達(dá)成。附屬請(qǐng)求項(xiàng)關(guān)于根據(jù)本發(fā)明的方法及位移 傳感器的有利發(fā)展。
[0026] 本發(fā)明基于下列構(gòu)想:不直接將所測(cè)量的場(chǎng)分量用于反正切計(jì)算而是補(bǔ)償控制磁 鐵對(duì)所檢測(cè)的磁場(chǎng)分量的值的溫度效應(yīng)且將OS適應(yīng)方法應(yīng)用至經(jīng)溫度補(bǔ)償?shù)拇艌?chǎng)分量。
【附圖說(shuō)明】
[0027] 為更好了解本發(fā)明，參考隨附的附圖中所繪示的實(shí)施例更詳細(xì)地解釋本發(fā)明。使 用相同參考數(shù)字及相同組件標(biāo)識(shí)指代相同組件。此外，來(lái)自所展示及所描述的不同實(shí)施例 的一些特征或特征組合也可是獨(dú)立解決方案、發(fā)明解決方案或根據(jù)本發(fā)明的解決方案本 身。在圖示中：
[0028] 圖1展示根據(jù)本發(fā)明的其信號(hào)可經(jīng)評(píng)估的位移傳感器；
[0029] 圖2展示根據(jù)永磁體在線性移動(dòng)方向上的位置Z，通過(guò)根據(jù)圖1的位移傳感器檢測(cè) 的磁場(chǎng)分量By及Bz在y方向及Z方向上的路徑；
[0030] 圖3展示根據(jù)永磁體的位置的磁場(chǎng)或磁通量密度B的值IbI的路徑，其自圖2中所繪 示的磁場(chǎng)分量By及化與方程式(2)計(jì)算；
[0031] 圖4展示作為永磁體在線性移動(dòng)方向Z上的位置的函數(shù)的角a及自角a計(jì)算的經(jīng)線 性化的角〇_1111的路徑；
[0032] 圖5展示當(dāng)使用偏移斜率適應(yīng)時(shí)根據(jù)圖1的位移傳感器的特性線的路徑；
[0033] 圖6展示作為溫度的函數(shù)的根據(jù)本發(fā)明的磁場(chǎng)源材料的磁場(chǎng)因數(shù)km(T)的特性線、 溫度補(bǔ)償因數(shù)kc(T)的特性線及溫度因數(shù)km(T)與溫度補(bǔ)償因數(shù)kc(T)之間的關(guān)系的路徑。
【具體實(shí)施方式】
[0034] 下文最初參考圖1至圖7將更詳細(xì)地解釋本發(fā)明。出于簡(jiǎn)易的目的，下文僅將磁通 量密度稱為磁場(chǎng)。
[0035] 圖1中展示根據(jù)本發(fā)明的位移傳感器配置。磁場(chǎng)傳感器(例如，3D霍爾傳感器100) 經(jīng)安裝W固定于位置中，然而永磁體102經(jīng)配置W可相對(duì)于霍爾傳感器100線性移動(dòng)。永磁 體102具有使得其的北/南軸線平行于移動(dòng)方向104定向的此等極。然而，原則上，也可將本 發(fā)明的原理應(yīng)用至其中永磁體102具有使得其的北/南軸線相對(duì)于移動(dòng)方向橫向延伸的此 等極的配置?？墒褂来朋w102在兩個(gè)方向上自圖1中所展示的零位置位移(例如)大約30mm。 霍爾傳感器100檢測(cè)至少兩個(gè)正交磁場(chǎng)分量一一者沿著移動(dòng)線延伸且一者相對(duì)于其橫向延 伸。將角a界定為由總磁場(chǎng)向量B及移動(dòng)方向104的垂線所圍封的角。
[0036] 如已提及，在既有的具有OS適應(yīng)的測(cè)量方法中，根據(jù)方程式(4)自分別沿著及橫向 于移動(dòng)方向檢測(cè)的磁場(chǎng)分量化及By計(jì)算角a〇s:
(4)
[0038]根據(jù)本發(fā)明，根據(jù)方程式(4)的兩個(gè)檢測(cè)的分量Bz與By的商數(shù)的反正切不被用作 測(cè)量信號(hào)，而是在建立輸出信號(hào)之前補(bǔ)償永磁體102對(duì)所產(chǎn)生的分量Bz及By的值的溫度效 應(yīng)。
[0039]在第一實(shí)施例中，基于與溫度相關(guān)的溫度補(bǔ)償因數(shù)kc(T)建立針對(duì)永磁體102的給 定溫度T的由磁場(chǎng)傳感器100測(cè)量的磁場(chǎng)分量化(T)及By(T)的溫度補(bǔ)償值。宜產(chǎn)生下列方程 式(5)用于計(jì)算具有溫度補(bǔ)償?shù)慕莂〇s_TK:
(已）
[0041] 其中，使所測(cè)量的磁場(chǎng)分量化(T)及By(T)乘W溫度補(bǔ)償因數(shù)kc(T)。
[0042] 接著將OS適應(yīng)應(yīng)用至磁場(chǎng)分量的經(jīng)溫度補(bǔ)償值kc(T)XBz(T)。如在方程式（5)中 所說(shuō)明，可通過(guò)加上常數(shù)偏移值OS來(lái)校正經(jīng)補(bǔ)償磁場(chǎng)分量kc (T) X化(T)。
[0043] 可通過(guò)在專(zhuān)利申請(qǐng)案DE 10 2011 115 302 Al中所描述的具有OS適應(yīng)的方法的一 者來(lái)建立偏移值0S。例如，可通過(guò)下列步驟，針對(duì)磁場(chǎng)源102的預(yù)定參考溫度建立偏移值:針 對(duì)磁場(chǎng)源102在移動(dòng)方向上的大量位置，建立磁場(chǎng)分量的曲線；計(jì)算相對(duì)于磁場(chǎng)源102的位 置的曲線的二階導(dǎo)數(shù);建立該二階導(dǎo)數(shù)的零位置;及自磁場(chǎng)源102與磁場(chǎng)傳感器100之間的 最小間隔的位置上的函數(shù)值減去在零位置上的曲線的函數(shù)值，W計(jì)算偏移校正量的值。
[0044] 如下文所描述，調(diào)適溫度補(bǔ)償因數(shù)kc(T) W補(bǔ)償磁場(chǎng)的熱致變動(dòng)。市面上有售的磁 鐵的磁場(chǎng)溫度表現(xiàn)嚴(yán)格取決于材料且因此可相對(duì)容易予W描述。通常，通過(guò)材料的溫度系 數(shù)TKmagnet描述磁鐵的溫度表現(xiàn)。溫度系數(shù)TKmagnet描述根據(jù)溫度相對(duì)于固定參考溫度的改變 的磁通量密度值的相對(duì)改變。因此，若溫度增加l〇〇°C (或絕對(duì)溫度），則-0.1 %/°C的溫度系 數(shù)TKmagnet對(duì)應(yīng)于磁通量密度B的10 %之一減少。
[0045] 也可通過(guò)下列永磁體102的溫度系數(shù)TKmagnet及溫度T的線性函數(shù)表達(dá)與溫度相關(guān) 的磁場(chǎng)因數(shù)km(T):
㈱
[0047]其中使用20°C的參考溫度。
[004引包括NdFeB材料的磁鐵具有（例如）通常TKmagnet = -O. 11%/°C的溫度系數(shù)。針對(duì)包 括此等材料的控制磁鐵，函數(shù)(6)導(dǎo)致(例如)下列與溫度相關(guān)的磁場(chǎng)因數(shù)值：
[0049] 溫度T:磁場(chǎng)因數(shù)km(T):
[0050] -40°C km(-40°C) = 1.066
[0051] +20°C km(20°C) =