專利名稱：用于絕對確定線性位置或通過角度表示的旋轉(zhuǎn)位置的裝置和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種在自動(dòng)化技術(shù)或精密機(jī)械中例如用于在機(jī)械制造中自動(dòng)確定位
置、長度或角度的磁長度或角度測量系統(tǒng)。這種"絕對"的系統(tǒng)與該系統(tǒng)部件的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)無 關(guān)地、尤其是也在靜止?fàn)顟B(tài)下提供相應(yīng)的參數(shù)。
背景技術(shù)：
這樣的絕對磁長度或角度測量系統(tǒng)是已知的。首先在此要提到在公開文獻(xiàn) DE19754524中展示的測量裝置。在該文獻(xiàn)中采用敷設(shè)在磁材料上的螺紋作為比例尺，其中 螺距隨不同的繞組而改變，尤其是螺距沿著測量方向x單調(diào)增加。至少兩個(gè)在垂直于測量 方向的方向上有一定間距的磁場傳感器在x值相同的情況下存在于與比例尺相對的測量 頭中。借助這些磁場傳感器識別相應(yīng)的螺距，從而可以將這些螺距與絕對位置相關(guān)聯(lián)。它 的缺點(diǎn)是，該比例尺的材料必須是軟磁性的。干擾磁場對技術(shù)上可采用的磁原料進(jìn)行磁化， 這可能導(dǎo)致明顯的測量誤差。此外在螺距可變時(shí)也總是需要這些螺距具有非常小的值。但 在這種情況下，可檢測到的磁場變化在傳感器和比例尺之間的距離不是最小的情況下特別 小。此外還要針對每個(gè)傳感器費(fèi)事地校準(zhǔn)輔助磁鐵。 在根據(jù)DE19910636的裝置(圖12，權(quán)利要求16和17)中，這后一個(gè)缺點(diǎn)不存在 了，因?yàn)樵谶@種裝置中使用圓柱形的硬磁比例尺，其中通過充磁產(chǎn)生具有可變螺距的磁螺 紋。通過兩個(gè)在測量方向上有一定間距的磁阻角度傳感器，可以確定在兩個(gè)傳感器的位置 之間的場方向的角度差。利用各向異性的磁阻傳感器，將這些差值與這些位置絕對地對應(yīng)， 只要這些差值保持在180°以下，對于霍爾傳感器或GMR傳感器則直到360。。由此通過在 兩個(gè)傳感器之間只能在測量距離末端提供大于始端的螺距，限制了絕對測量的總長度。通 過精確分析兩個(gè)傳感器之一的角度值來實(shí)現(xiàn)高分辨率。為此帶來的其它缺點(diǎn)是，制造磁螺 紋尺是很費(fèi)事的，尤其是在螺距很小的情況下，但是小螺紋又是以高分辨率確定長度所必 需的。必須避免在比例尺的所有部分中扭轉(zhuǎn)比例尺，因?yàn)樵撆まD(zhuǎn)直接轉(zhuǎn)換為高分辨率的測 量誤差。 根據(jù)W02006/035055的裝置不再具有該最后一個(gè)缺點(diǎn)。在此提出一種圓柱形比例 尺，該比例尺包含在測量方向上的極化交替的磁性片段，這些磁性片段在測量方向上的長 度是不同的，由此比例尺的扭轉(zhuǎn)對測量結(jié)果沒有什么作用。根據(jù)W02006/035055的發(fā)明不 僅涉及圓柱形比例尺，還涉及所有具有不同長度、極性交替的片段的比例尺橫截面。借助兩 個(gè)在測量方向上有一定間距的傳感器，這些傳感器獲取磁場方向相對于測量方向的角度， 推導(dǎo)出兩個(gè)位置之間的相位差，該相位差與兩個(gè)傳感器之一的位置成比例。為了提高位置 結(jié)論的分辨率，首先由該相位差確定該比例尺有多少片段位于傳感器之一的對面，并且從 場方向的角度的結(jié)果中說明傳感器相對于起始段被移動(dòng)了多遠(yuǎn)。在此使用的磁場傳感器分 別由兩個(gè)位于相對于測量方向的相同位置上并提供與場角有關(guān)的信號的傳感器元件組成。 為了該分析，假設(shè)每個(gè)片段內(nèi)的角度隨著位置線性增加，或者換句話說，傳感器提供涉及相
4應(yīng)片段長度的、與場角的正弦和余弦成比例的值。但是，真正的變化由于兩個(gè)原因與這種簡 化的假設(shè)有所不同。 一是片段的磁場包含隨著離比例尺的距離而減小但在大小上通過片段 長度確定的諧波分量。第二是在磁阻傳感器中產(chǎn)生附加的諧波分量，而且作用在傳感器上 的場強(qiáng)越小，該附加的諧波分量就越強(qiáng)。但是，傳感器距離的場強(qiáng)隨著片段長度而發(fā)生劇烈 變化，從而沿著測量方向也會(huì)引起始終變化的諧波分量。因此限制了測量精度，使得所獲得 的信號與特定的片段的對應(yīng)關(guān)系僅能用于有限數(shù)量的片段，而且還會(huì)影響片段長度內(nèi)的長 度分辨率。 在DE10010042提出了用于汽車制造中的線性磁測量系統(tǒng)。該文獻(xiàn)給出了針對比 例尺的大量不同的配置。但在所述文獻(xiàn)中，絕對測量的問題未在任何地方提到，不能從所公 開的所有事實(shí)中看出。為此也不能從該文獻(xiàn)中得到關(guān)于如何構(gòu)建大測量長度和高分辨率的 絕對測量系統(tǒng)的啟示。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的任務(wù)在于提供用于絕對磁長度和角度測量系統(tǒng)的裝置和方法，這些裝置 和方法在結(jié)構(gòu)簡單的同時(shí)實(shí)現(xiàn)了更高的分辨率、更小的測量誤差和更大的測量長度。
該任務(wù)是通過權(quán)利要求1中給出的裝置和在權(quán)利要求17中描述的方法解決的。其 它從屬權(quán)利要求包含有利的實(shí)施方式。 根據(jù)權(quán)利要求l，用于在測量方向上絕對確定決定長度或角度的裝置的比例尺由 磁片段組構(gòu)成，至少一個(gè)組中的磁片段的長度相互一致，而不同組中的磁片段的長度互不 相同。磁片段組在唯一的軌跡、也就是在測量方向上前后排列。由此以優(yōu)選方式基本上排 除了如在絕對測量裝置的公知多軌跡磁比例尺中存在的磁場變化的引起測量誤差的相互 干擾。 通過使用由磁片段組構(gòu)成磁比例尺的結(jié)構(gòu)，這些磁片段在組內(nèi)具有相同長度而在 不同的組之間具有不同長度，使得能夠利用絕對角度或長度位置確定的優(yōu)點(diǎn)，該優(yōu)點(diǎn)以不 同的片段長度為前提，并且在此基本上保持了以恒定的片段長度工作的增量測量裝置的高 分辨率、高精度和大測量長度的已知優(yōu)點(diǎn)。 絕對位置確定的特征不單單在于可以立即用唯一一次測量與運(yùn)動(dòng)狀態(tài)無關(guān)地確 定比例尺和傳感器之間的位置值，而且還在于所獲得的位置值固定與比例尺結(jié)構(gòu)結(jié)合，并 且僅能在制造比例尺時(shí)校準(zhǔn)該比例尺。磁比例尺具有這樣的特殊性，其雖然無誤差地保持 預(yù)定的片段長度分布，但在比例尺材料磁化時(shí)導(dǎo)致在比例尺開端和末尾附近總是在遠(yuǎn)離末 端的片段上出現(xiàn)與正常的場方向分布之間極大的不同。這至少分別對兩個(gè)片段是有效的。 根據(jù)本發(fā)明，現(xiàn)在在兩個(gè)比例尺末端設(shè)置相同長度片段的組。在此有間距的傳感器不提供 相位差的變化，從而表明測量區(qū)域被超過。優(yōu)選的是，可以通過使用超出該測量區(qū)域的顯示 用系統(tǒng)本身來檢查在運(yùn)動(dòng)實(shí)際上應(yīng)當(dāng)被跟蹤的部分上對比例尺的校準(zhǔn)。 在具有長度可變的磁片段的公知比例尺中，存在其它兩個(gè)明顯限制位置測量精度 的特殊性。這些特殊性在于磁場強(qiáng)度隨著片段長度的增加而增加，以及磁場的一個(gè)分量的 過零點(diǎn)以及相位值分別朝著更短的片段推移，從而該更短的片段隨著傳感器和比例尺表面 之間的距離增加而越來越小。根據(jù)本發(fā)明，通過比例尺的磁片段在測量方向上的長度越小 而該磁片段的厚度越大，可以極大地減小上述偏差。這可以通過以下方式實(shí)現(xiàn)形成比例尺的磁層具有取決于位置的厚度，或者優(yōu)選的依據(jù)片段長度來選擇每個(gè)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為恒定的值。根據(jù)本發(fā)明，還可以用非磁層 覆蓋比例尺的表面，該非磁層的厚度依據(jù)位置被選擇為，片段的長度在相應(yīng)的位置越長，該 非磁層的厚度越大。由此離傳感器的距離隨著片段長度的增加而上升，這會(huì)導(dǎo)致場強(qiáng)下降。 但是在此對片段長度的校正與非磁層的厚度匹配地進(jìn)行，從而該場分量的過零點(diǎn)的移動(dòng)得 到補(bǔ)償。 根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，在磁比例尺中每兩個(gè)相鄰的磁片段組成一個(gè)組，而 且這兩個(gè)磁片段具有相同的長度。這一方面具有以下優(yōu)點(diǎn)即相位值的過零點(diǎn)位置與傳感 器和比例尺表面之間的距離無關(guān)地保留在兩個(gè)相同長度的片段的分隔線上，另一方面在片 段的長度變化相同的情況下實(shí)現(xiàn)兩倍大的比例尺長度。在此可以通過加大兩個(gè)用于確定相 位差的傳感器的距離，保持每測量長度單位的相位梯度以及由此保持在確定第一傳感器對 面的片段時(shí)的精度與在公知比例尺具有長度單調(diào)變化的片段情況下相同。
作為測量元件可以采用對所述裝置優(yōu)選的磁阻傳感器。既可以使用各向異性的磁 阻傳感器，也可以使用GMR傳感器，這些傳感器分別實(shí)施為用于確定磁場的方向角的測量 元件。要考慮的是，可以唯一地獲得特定的場角作為測量結(jié)果的測量區(qū)域?qū)τ诟飨虍愋缘?磁阻傳感器限于180。，而對于GMR傳感器該測量區(qū)域是360。。磁阻傳感器分別包含兩個(gè) 傳感器元件，這些傳感器元件優(yōu)選具有由帶狀磁阻構(gòu)成的測量橋形式。這兩個(gè)測量橋圍繞 傳感器的相同x坐標(biāo)對稱設(shè)置，并且相對地旋轉(zhuǎn)等于唯一的一個(gè)測量區(qū)域的四分之一的角 度，或者這兩個(gè)測量橋在比例尺的測量方向上相隔一定距離，該距離通過在測量方向上的 前進(jìn)而等于由于比例尺引起的、等于給定值的場旋轉(zhuǎn)。該距離因此對于各向異性的磁阻傳 感器等于片段長度的四分之一，對于GMR傳感器等于片段長度的一半。有利的是，如果在比 例尺中只有少量的片段具有相同長度，以及如果這些片段的長度相互極其不同，則采用具 有旋轉(zhuǎn)測量橋的傳感器。對于具有很多相同長度片段的比例尺以及在片段長度的變化很小 的情況下，如果測量橋的磁阻帶的分布被選擇為，使得比例尺的磁場分布的諧波分量被從 橋信號中濾除(例如DE102005009923)，則具有錯(cuò)位的測量橋的傳感器會(huì)提供有意義的優(yōu) 點(diǎn)。利用這樣的測量裝置也可以在絕對測量中實(shí)現(xiàn)增量測量系統(tǒng)的高分辨率和高精度。
為了確定相位差，然后根據(jù)該相位差可以推導(dǎo)出特定片段的位置以及從而推導(dǎo)出 所查找的絕對位置，需要兩個(gè)分別具有兩個(gè)傳感器元件的傳感器?？梢院翢o問題地識別其 位置的片段的數(shù)量受到相位差的測量誤差的限制。根據(jù)本發(fā)明，這樣導(dǎo)致的限制通過以下 方式擴(kuò)展到明顯更大的值，即在共用的傳感器支架上采用第三相同類型的傳感器，該傳感 器與第一傳感器之間的距離至少是第一傳感器和第二傳感器之間距離的兩倍。第一和第二 傳感器之間的距離這樣測量，使得利用該距離確定的相位差在傳感器支架在整個(gè)比例尺長 度上運(yùn)動(dòng)時(shí)不會(huì)超過傳感器的單值區(qū)域。由此原理上總是可以與比例尺的特定片段相對 應(yīng)，但是這種對應(yīng)關(guān)系可能由于測量誤差而出錯(cuò)，使得只能確定片段的一個(gè)周圍區(qū)域。第一 和第三傳感器之間的相位差由于傳感器支架運(yùn)動(dòng)時(shí)的距離增大而劇烈上升，從而實(shí)現(xiàn)了該 相位差與具有明顯更小誤差的片段之間的對應(yīng)。但由于該相位差超過傳感器的單值邊界， 因此為了獲得特定的片段需要兩個(gè)差。通過與公知的裝置相比加入另一個(gè)傳感器，從而可 以顯著提高比例尺的片段數(shù)量。這可以用于提高比例尺長度或用于提高分辨率和測量精 度。
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用于采用圓形比例尺(磁極輪)測量角度的裝置可以基于本發(fā)明有利地實(shí)現(xiàn)。在 此，優(yōu)選采用磁極輪，其中磁片段相對于一個(gè)平面成鏡面對稱地設(shè)置，轉(zhuǎn)軸就位于該平面 中。這樣的磁極輪例如可以只具有兩組分別具有相同長度的片段。在配置5個(gè)具有180。 的單值區(qū)域的傳感器，這些傳感器的結(jié)構(gòu)以優(yōu)選方式應(yīng)當(dāng)適用于濾掉諧波的情況下，磁極 輪的角度值可以唯一地通過完全的旋轉(zhuǎn)并以對應(yīng)于增量測量的分辨率和精度獲得。同樣的 結(jié)果可以在使用3個(gè)具有360°的單值區(qū)域的傳感器的情況下獲得。 類似的特性還可以利用另一個(gè)鏡像對稱的、具有n個(gè)片段的磁極輪來實(shí)現(xiàn)，在該 磁極輪中片段長度以下列方式變化，即場方向的角度P在圍繞磁極輪進(jìn)行a =0至360° 的完全旋轉(zhuǎn)的情況下通過關(guān)系式|3 (a) = a "l+n/2)+A'sin(a)給定(A二常數(shù))。在 此需要兩個(gè)相同的傳感器對，每個(gè)傳感器對分別具有兩個(gè)有一定間距的傳感器，這兩個(gè)傳 感器錯(cuò)開特定的角度而設(shè)置在磁極輪的圓周上，該特定的角度優(yōu)選是90。。傳感器數(shù)量與 傳感器的單值區(qū)域無關(guān)。在這種配置中，通過傳感器對獲得兩個(gè)相位差，這些相位差通過正 弦或余弦函數(shù)與磁極輪的旋轉(zhuǎn)角度相關(guān)聯(lián)。因此，旋轉(zhuǎn)角的獲得與通過識別一個(gè)象限和通 過反正切插值來獲得片段區(qū)域內(nèi)的位置類似。在此描述的配置的一個(gè)特殊優(yōu)點(diǎn)在于，這里 相鄰的片段在它們的長度方面只具有很小的差異。由此一個(gè)場分量的過零點(diǎn)位置的推移隨 著傳感器和比例尺表面之間的距離而可以忽略，由此片段的有效作用長度的變化也可以忽 略。在磁極輪圓周上的片段長度單調(diào)增加的情況下，恰好是最長的片段和最短的片段相鄰 設(shè)置，以及在此推移誤差最大，并且確定整個(gè)裝置的測量誤差。 使用權(quán)利要求中描述的裝置來絕對確定線性位置或旋轉(zhuǎn)位置的方法在于，在分析 單元中根據(jù)多個(gè)傳感器信號計(jì)算出與相應(yīng)的位置唯一對應(yīng)的輸出信號。在最簡單的情況下 使用兩個(gè)傳感器中的每個(gè)傳感器元件的信號，這兩個(gè)傳感器分別由兩個(gè)傳感器元件組成并 且在比例尺中相互間具有特定的距離，以便在兩個(gè)傳感器位置處根據(jù)已知方法確定場方向 的角度，例如通過反正切插值。通過形成差值，由此形成相位差。該相位差直接與所尋求的 位置相對應(yīng)。這樣獲得的位置值具有有限的精度。該位置值可通過以下方式改進(jìn)，即首先 根據(jù)該相位差確定比例尺的第幾個(gè)片段與兩個(gè)傳感器之一相對。然后根據(jù)由該傳感器獲得 的場方向的角度，在基于片段長度上的角度線性增加的情況下確定該傳感器與該片段在該 測量中的起始點(diǎn)相距多遠(yuǎn)。這兩個(gè)信號分量給出了位置的更精確的結(jié)果。根據(jù)本發(fā)明，測 量精度的進(jìn)一步改進(jìn)通過以下方式實(shí)現(xiàn)，即對于兩個(gè)或更多個(gè)傳感器獲得與傳感器相對的 相應(yīng)片段，并通過考慮在該傳感器的位置所測得的場方向的角度獲得兩個(gè)或更多個(gè)傳感器 的位置值。然后通過在考慮傳感器距離的情況下對位置結(jié)果求平均來產(chǎn)生位置的改進(jìn)的最 終值。 根據(jù)本發(fā)明，為了在具有所示特征的比例尺上進(jìn)行絕對長度測量，不僅使用具有 兩個(gè)傳感器元件橋的傳感器，這些傳感器元件橋相對于彼此旋轉(zhuǎn)它們單值區(qū)域的四分之一 的角度，而且還使用傳感器元件橋在測量方向上相對錯(cuò)開設(shè)置的傳感器。如果該錯(cuò)開的位 移在具有18(T的單值區(qū)域的傳感器中(例如各向異性的磁阻傳感器)等于片段長度的四 分之一，或者在具有360。的單值區(qū)域的傳感器中(例如GMR傳感器)等于片段長度的一 半，則在獲得場方向的角度時(shí)使用反正切插值就不會(huì)有問題，因?yàn)樵撈蔚膱鲈谠撐灰葡?旋轉(zhuǎn)單值區(qū)域的四分之一。在片段長度可變的情況下，原則上不會(huì)產(chǎn)生這種一致性。正如 已經(jīng)證明的，即使如此也可以首先使用簡單的反正切插值。根據(jù)利用該臨時(shí)結(jié)果形成的相位差，獲得所尋求的片段數(shù)目的近似值，由此獲得實(shí)際片段長度的近似值。然后利用該值重 復(fù)插值以確定場方向的角度，由此產(chǎn)生更好的近似。該方法迭代地產(chǎn)生越來越精確的結(jié)果。 實(shí)際上，在大多數(shù)情況下兩個(gè)迭代步驟就足夠了。有利的是，如果在傳感器中磁阻層磁阻 的分布被配置為使得該分布造成對諧波的抑制，則使用傳感器元件橋具有線性位移的傳感 器。該分布雖然可以最佳地只是針對完全特定的片段長度而確定的，但是該分布也可以在 與該片段長度有偏差時(shí)仍然部分地起作用。從而可以在確定位置時(shí)實(shí)現(xiàn)更高的測量精度。 特別有利的是針對以下情況，即比例尺具有多個(gè)相同長度的片段或具有長度略有不同的片 段。


下面用實(shí)施例詳細(xì)地解釋本發(fā)明。下面可以看到附圖
圖1示出根據(jù)本發(fā)明具有兩個(gè)傳感器的絕對長度測量系統(tǒng)，
圖2示出具有不同片段的比例尺的相位變化，
圖3a示出具有不同片段的比例尺的磁場變化，
圖3b示出用于場校正的磁材料厚度的可能變化， 圖4a示出根據(jù)本發(fā)明具有線性的相位差變化和具有3個(gè)傳感器的絕對長度測量 系統(tǒng)， 圖4b示出根據(jù)圖4a的裝置的不同相位差變化，
圖4c示出根據(jù)圖4a的線性測量系統(tǒng)的周期長度，
圖5a示出根據(jù)本發(fā)明具有兩組片段的絕對角度測量系統(tǒng)，
圖5b示出根據(jù)圖5a的系統(tǒng)的不同傳感器的相位差，
圖5c示出根據(jù)圖5a具有GMR傳感器的相位差， 圖6a示出根據(jù)本發(fā)明具有對稱設(shè)置的不同長度的片段對的絕對角度測量系統(tǒng)，
圖6b示出根據(jù)圖6a的系統(tǒng)針對正弦形相位差的片段長度分布，
圖6c示出根據(jù)圖6a的系統(tǒng)的相位差與旋轉(zhuǎn)角的函數(shù)關(guān)系。
具體實(shí)施例方式
在圖1中示意性示出根據(jù)本發(fā)明的絕對長度測量系統(tǒng)以及該系統(tǒng)的校準(zhǔn)功能。磁 比例尺l由多個(gè)永磁片段2組成，這些片段通過符號N(北極)和S(南極)區(qū)分開來。通 過這些符號表示出直接相鄰的片段2在相反的方向上被磁化。垂直于所示平面磁化的比例 尺在其表面上示出給定的極。但是對于在此要描述的實(shí)施例來說，假定片段N具有顯示向 右的磁化方向，片段S具有顯示向左的磁化方向。比例尺的片段2組合成組14。第一組14 從左邊開始包括前面3個(gè)片段2，這些片段分別具有在測量方向x上相同的長度。在中間區(qū) 域的第二組14包含4個(gè)片段2，這些片段在測量方向上延伸到不同的長度。在比例尺1右 端的第三組14由5個(gè)片段2組成，這些片段的長度相互一致。在比例尺1上方具有可在測 量方向x上自由移動(dòng)的傳感器支架3，在該傳感器支架3上設(shè)置兩個(gè)相距特定距離的傳感器 4. 1和4.2。在所考察的實(shí)施例中，該傳感器是各向異性的磁阻傳感器。每個(gè)傳感器4. 1、 4. 2由兩個(gè)傳感器元件組成。傳感器元件是惠斯頓橋，這些橋分別由4個(gè)通過各向異性的磁 阻層帶形成的磁阻構(gòu)成，這些磁阻的阻值取決于發(fā)生作用的磁場，在此是比例尺1的磁場的方向。在該磁場旋轉(zhuǎn)180。的情況下，磁阻變化經(jīng)歷了一個(gè)完整的周期。由此具有該角度 的橋的輸出信號也是周期性的。在比例尺l的磁場的方向角線性上升時(shí)，橋的輸出信號變 化在傳感器支架3于測量方向x上運(yùn)動(dòng)時(shí)正弦形地進(jìn)行。從而在傳感器4. 1、4. 2的各兩個(gè) 傳感器元件在傳感器支架3上相對旋轉(zhuǎn)45°的情況下，在各兩個(gè)橋信號之間出現(xiàn)周期長度 的四分之一的相移。由此一個(gè)橋提供與sin(2' *xM)成正比的信號，另一個(gè)橋提供與 cos(2* *x/A)成正比的信號，其中A作為片段2的長度。通過反正切插值，可以根據(jù) 這兩個(gè)信號確定在傳感器位置處的場方向的角度，該角度在單值區(qū)域中也稱為相位。傳感 器4. 1、4. 2的位置在圖1中在測量方向x上沒有延伸。所示出的虛線是傳感器4. 1、4. 2的 各兩個(gè)惠斯頓橋的對稱線，這兩個(gè)傳感器設(shè)置在虛線的環(huán)境中。 在圖1的下部的圖表中示出在未于圖中示出的分析單元中確定的相位差CP2-Cp"
該相位差在傳感器支架3于測量方向x上沿著比例尺1移動(dòng)時(shí)產(chǎn)生。在位于中部的區(qū)域中，
該區(qū)域具有隨著x增加而下降的片段長度，相位差cp2-qh隨著x的增加而增加。在此，相位
差Cp2-(pl的值唯一地與傳感器4. 1所在的x值相對應(yīng)。在比例尺1的兩端，設(shè)置片段組14， 這些片段具有相互一致的長度。在此，該相位差在傳感器支架3移動(dòng)時(shí)分別保持恒定值。根 據(jù)該值可以識別出，該系統(tǒng)的測量區(qū)域是允許向上還是向下。測量區(qū)域的開始和結(jié)束被精 確的確定，因?yàn)樵诖说谝粋鞲衅?. 1的相位具有過零點(diǎn)。這可以用于相對于本體的位置校 正測量系統(tǒng)的部分，校正它們相對于彼此的位置表示真正的測量任務(wù)。
對于比例尺1的邊界片段的區(qū)域，在該圖表中不存在相位差tP2-Cpl。其原因可以從 圖2和圖3中看出。圖2示出比例尺的前面5個(gè)片段2上的場8的相位與其理想變化9的 比較，該理想變化的前提是在片段長度上的角度線性增加180° (對應(yīng)于弧度Ji)。毫無疑 問的是，對邊界片段的兩個(gè)要求沒有得到滿足。在圖3a中示出由比例尺產(chǎn)生的、針對比例 尺1的多個(gè)片段2的場強(qiáng)H, lO和Hy 11，該比例尺l延伸超過25mm。在此示出，在從比例 尺1的邊緣開始的第二片段上方主要存在比離邊緣更遠(yuǎn)的片段2上方小得多的磁場強(qiáng)度。 該較小的場強(qiáng)在磁阻傳感器4. 1、4.2中產(chǎn)生容易出現(xiàn)錯(cuò)誤的角度值。由此清楚地表明，磁 比例尺各自的至少兩個(gè)邊緣片段不適合于絕對的位置確定。在比例尺1的機(jī)械末端上無法 對應(yīng)當(dāng)獲得位置的本體進(jìn)行校準(zhǔn)。但是該校準(zhǔn)可以用根據(jù)圖1的裝置執(zhí)行。
圖2示出比例尺1的相位角的變化，其中每個(gè)極對的兩個(gè)片段2都具有相同長度。 通過該顯示類型，可以看見在每個(gè)片段末端上都有180。 (Ji)的相位躍變。該相位躍變在 此用于表明片段邊界的有效位置。在相同長度的片段2之間，實(shí)際的和有效的邊界基本上 一致。在不相同的片段2之間可以識別出偏差。該偏差隨著傳感器4. 1、4.2與比例尺1的 距離增加而上升。為了減小該偏差，并且為了實(shí)現(xiàn)磁場分量在整個(gè)比例尺長度上基本上相 同的幅度，根據(jù)本發(fā)明依據(jù)片段的長度來設(shè)置比例尺2的被磁化的永磁層的厚度。圖3a示 出在永磁層10、11的厚度不變時(shí)以及匹配的厚度12、13時(shí)場分量H,和Hy的變化的比較。 所匹配的厚度的變化從圖3b中得出。圖3a示出在該校正之后在接近邊緣的片段2內(nèi)仍然 存在場幅度的下降。 本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例在圖4a中示意性示出。磁比例尺l沿著測量方向x 7延 伸，該比例尺由組14構(gòu)成，該組14分別包括兩個(gè)相同長度的片段2。在組14中的片段2的 長度隨著在測量方向7上的前進(jìn)而減小。在該比例尺1上方設(shè)置可在測量方向7上運(yùn)動(dòng)的 傳感器支架3，該傳感器支架承載3個(gè)傳感器4. 1 ;4. 2 ;4. 3，這些傳感器適用于獲得在相應(yīng)
9位置的場方向的角度。在相應(yīng)傳感器位置繪制在傳感器支架3上的虛線是每兩個(gè)實(shí)現(xiàn)為惠 斯頓橋的磁阻傳感器元件的對稱線。兩個(gè)傳感器4. 1、4.2之間的距離被選擇為使得在兩個(gè) 傳感器4. 1、4.2之間測得的相位差不會(huì)超過這些傳感器的單值區(qū)域。對于各向異性的磁阻 傳感器來說，該相位差等于180。。從圖4b可以看出，相位差(p2-(Pl隨著測量坐標(biāo)x，7的值 前進(jìn)而嚴(yán)格線性增加。這在組14的長度例如具有圖4c所給出的值時(shí)就是這種情況。組14
的長度在此分別與磁場變化的周期長度一致，該磁場通過s-N對形成。根據(jù)相位差cp2-qh可
以唯一地推斷出第一傳感器4. 1的位置。為了改善位置確定的分辨率和精度，可以采用相 位差Cp3-9l。由于傳感器4. 3和傳感器4. 1之間的距離被選擇為傳感器4. 2和4. 1之間距 離的3倍，因此該相位差(P3-9l也是相位差92-cpi的3倍。傳感器的單值區(qū)域從而被超出， 并在所選擇的例子中在整個(gè)比例尺長度上產(chǎn)生針對相位差93-qh的3個(gè)周期。傳感器4. 1
的位置位于哪個(gè)周期內(nèi)的對應(yīng)關(guān)系由圖4a中未示出的分析電路基于相位差q)2-qh的值得
出。提高分辨率和精度的另一種方式在于，根據(jù)相位差(p3-9l不是立即推導(dǎo)出位置，而是在 根據(jù)該值獲得哪個(gè)片段2位于傳感器4. 1對面之后才根據(jù)借助傳感器4. 1獲得的相位來確 定該位置。利用這種三階段方法，與兩階段方法相比在比例尺l的長度相同的情況下可靠 識別與傳感器4. 1相對的片段2，同時(shí)需要不同組14之間更小的長度變化，或者在長度變化 相同的情況下可以使用明顯更長的比例尺1。 測量精度的進(jìn)一步提高通過以下方式實(shí)現(xiàn)，即在分析單元中針對所有3個(gè)傳感器 4. 1、4. 2、4. 3識別與它們分別相對的片段2，根據(jù)由相應(yīng)的傳感器4. 1、4. 2、4. 3獲得的磁場 的相位值以高分辨率確定相對于所識別的各片段2的起始點(diǎn)的位置，并且在考慮所識別的 片段2的位移的情況下獲得第一傳感器4. 1的位置作為平均值。 上面討論的邊緣片段的問題在這里選擇的例子中當(dāng)然也是重要的。但是出于概略 描述的原因在此沒有再次涉及。 圖5a示意性示出根據(jù)本發(fā)明的絕對角度測量系統(tǒng)的例子。圓形比例尺1 (也稱為 磁極輪)在所示出的上半部中包含由相同長度的磁片段2組成的第一組，在下半部中包含 由具有另一長度的相同長度片段2組成的第二組。這兩個(gè)組關(guān)于對稱軸6對稱，該對稱軸穿 過旋轉(zhuǎn)軸，并且與磁極輪l固定關(guān)聯(lián)。應(yīng)當(dāng)測量用5表示的角度a。為此在傳感器支架3 上的磁極輪1的圓周上設(shè)置彼此錯(cuò)開特定角度的傳感器4. 1至4. 5。在此所采用的磁阻傳 感器與上面的實(shí)施例中一樣都由兩個(gè)惠斯頓橋組成。但是，這兩個(gè)橋在此通過以下方式提 供由它們展示的場相位的位移，即這些橋在傳感器支架3上相對于彼此有位移地設(shè)置。該 位移在各向異性的磁阻傳感器的情況下等于兩個(gè)現(xiàn)有片段長度之一的四分之一，在GMR傳 感器的情況下等于片段長度的一半。此外，形成這些橋的磁阻層帶在傳感器支架3上這樣 分布，即導(dǎo)致消除或至少減弱這些磁阻層帶的信號中的諧波影響。 在圖5b中分別示出在磁極輪1旋轉(zhuǎn)360°時(shí)傳感器4. 2和4. 1之間的相位差 (S2-S》以及傳感器4.3和4. l之間的相位差(S3-S》的函數(shù)變化。根據(jù)所示出的結(jié)果，可以 在未示出的分析單元中唯一地確定哪個(gè)象限位于第一傳感器4. 1對面。此外，可以根據(jù)相 位差的值獲得角度5的值。在此特別有利的是，根據(jù)角度5的臨時(shí)值推導(dǎo)出哪個(gè)片段2在 第一傳感器4. 1或第三傳感器4. 3對面。如果例如傳感器4. 1無諧波地用于更大的片段長 度，傳感器4. 3無諧波地用于更短的片段長度，則所有片段2的相位在選擇各自合適的傳感 器4. 1、4. 3時(shí)都可以高分辨率和高精度地測得，由此也可以獲得具有這些特性的角度值。
遺憾的是，在角度確定時(shí)在36(T的整個(gè)區(qū)域中存在4個(gè)點(diǎn)(0° ，90° ，180° ， 270° )，在這4個(gè)點(diǎn)處所有相位差都消失了。為了消除這4個(gè)點(diǎn)狀的測量不確定性，例如可 以采用另外兩個(gè)傳感器4. 4和4. 5。如果形成相位差S廠S工和S「S^則在下面的表格中出現(xiàn)
的對應(yīng)關(guān)系有效0。 0090° > 00180° >0> 0270° 0> 0 因此該絕對測量需要使用總共5個(gè)各向異性的磁阻傳感器。盡管開銷很大，但是 所給出的配置在考慮到在測量系統(tǒng)中必須克服利用各向異性的磁阻傳感器實(shí)現(xiàn)唯一的磁 鐵旋轉(zhuǎn)360°的困難時(shí)被認(rèn)為是有利的。 但是，在此有利的是采用具有360°單值區(qū)域的GMR傳感器。對于GMR傳感器4. 3 和4. l之間的相位差，給出圖5c所示的圖表。相位差S3-S工在360。的整個(gè)測量區(qū)域內(nèi)都 唯一地對應(yīng)于該角度，只是點(diǎn)O。和180°例外。在此，為了產(chǎn)生該唯一性只需要一個(gè)額外 的傳感器4. 4。如果該傳感器在磁極輪的圓周上相對于傳感器4. 1具有兩個(gè)較短片段長度 的位移，則相位差SfS工在角度為0。時(shí)等于O，在角度為180°時(shí)大于O。在此，和上面描述 的一樣同樣具有使用補(bǔ)償諧波的傳感器時(shí)的優(yōu)點(diǎn)。 圖6a示意性示出另一個(gè)絕對角度傳感器的結(jié)構(gòu)。磁極輪(比例尺)1的第一半圓 在角度5增大的方向上由長度逐步增大的磁片段構(gòu)成。第二半圓中的磁片段關(guān)于通過磁 極輪中點(diǎn)的對稱軸6對稱。由相同長度的片段2構(gòu)成的組14在此并非通過相鄰設(shè)置的片 段2而是通過對稱設(shè)置的片段2形成。在磁極輪的圓周上設(shè)置兩個(gè)由傳感器對15構(gòu)成的、 錯(cuò)開90°的支架。在這些支架上分別具有兩個(gè)傳感器4. 1、4. 2，和4. 3、4. 4，傳感器之間的 距離分別相等。例如采用分別具有兩個(gè)旋轉(zhuǎn)45。的惠斯頓橋的各向異性磁阻傳感器。片 段2的長度被選擇為使得磁場的方向13在角度5圍繞包含n個(gè)極的磁極輪1從a = 0到 360°的完全旋轉(zhuǎn)中通過關(guān)系式|3 (a) = a (l+n/2)+A sin ( a )來給定。在此，A是常 數(shù)。利用該關(guān)系式獲得的片段長度的例子在圖6b中示出。該片段長度在此通過北極或南 極的延伸以網(wǎng)格給出。圖6c中的圖示出在角度5的一次完全旋轉(zhuǎn)中相位差S廠S工和S4-S3 的變化，這些相位差分別根據(jù)傳感器對4. 1和4. 2以及4. 3和4. 4的測量值在分析單元中 獲得。得到兩個(gè)以90。相互錯(cuò)位的正弦形曲線。由此借助反正切插值可以在分析單元中唯 一地識別旋轉(zhuǎn)角度5。正如在上面的實(shí)施例中提到的，該角度也可以用于識別與傳感器4. 1 相對的片段2，并且在考慮用傳感器4. l測得的磁場相位角的情況下達(dá)到更高的分辨率和 精度。為了保證經(jīng)過反正切插值的相位差值的唯一性得到保持，在設(shè)計(jì)片段2的尺寸時(shí)，在 注意傳感器距離的同時(shí)對于常數(shù)A只允許導(dǎo)致相位差低于180。的值。在使用GMR傳感器 的情況下，該值可以提高到360。。該裝置中的其它優(yōu)點(diǎn)不能通過GMR傳感器給出。
根據(jù)圖6a的片段分布相對于在整個(gè)磁極輪圓周上具有單調(diào)增加的片段長度的裝 置的一個(gè)重要優(yōu)點(diǎn)在于，根據(jù)圖6a的相鄰片段2的長度只有極少的區(qū)別。由此可以通過所 提議的裝置在最大程度上避免會(huì)導(dǎo)致有效加長較長片段2以及縮短相鄰的較短片段2的場 分布。在該具有單調(diào)增加的片段長度的裝置中，最短的片段和最長的片段直接相鄰。在此，有效的片段長度變化大到使得該變化會(huì)將最短片段縮短一個(gè)明顯的數(shù)量，由此在角度測量中獲得高測量精度。 本發(fā)明特征的使用可以導(dǎo)致具有很多其它優(yōu)點(diǎn)的、對角度和位置進(jìn)行絕對測量的裝置以及方法，這些裝置和方法就對應(yīng)于本發(fā)明。特別接近的是角度測量系統(tǒng)，該系統(tǒng)由在此描述的長度測量和長度測量系統(tǒng)的例子組成，這些例子可以根據(jù)角度測量的例子直接推
導(dǎo)出來。附圖標(biāo)記列表1比例尺2磁片段3傳感器支架4. 1至4. 5傳感器5角度a6對稱軸7測量坐標(biāo)x8從場獲得的相位9理想的相位變化10在恒定厚度時(shí)的4分ll在恒定厚度時(shí)的Hy分12在可變厚度時(shí)的H,分13在可變厚度時(shí)的Hy分14片段組15傳感器對的支架
1權(quán)利要求
一種用于絕對確定兩個(gè)可相對移動(dòng)或旋轉(zhuǎn)的本體的線性位置或通過角度表示的旋轉(zhuǎn)位置的裝置，其中第一本體具有比例尺，該比例尺具有多個(gè)在測量方向上極性交替的磁片段，第二本體具有至少兩個(gè)有間距的磁場靈敏的傳感器，以及該裝置具有分析單元，其特征在于，比例尺(1)由具有至少兩個(gè)磁片段的組(14)構(gòu)成，至少一個(gè)組(14)中的磁片段(2)在測量方向(7)上的長度相互一致，而不同組(14)的磁片段(2)的長度互不相同。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的裝置，其特征在于，所述比例尺(1)的磁片段(2)在測量方向 (7)上的長度越小，該磁片段(2)的厚度就越大。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的裝置，其特征在于，磁片段(2)的長度在比例尺(1)的特定位 置處越長，可磁化材料層在該特定位置處的厚度越大。
4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的裝置，其特征在于，所述比例尺(1)的可磁化材料層在整個(gè)測 量長度上的厚度是恒定的，但是層厚度的磁化分量變化。
5. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的裝置，其特征在于，所述比例尺(1)的表面被非磁層覆蓋，該 非磁層的厚度與位置相關(guān)地被選擇為所述片段(2)在相應(yīng)位置處的長度越大，該非磁層 的厚度越大。
6. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的裝置，其特征在于，具有相同長度的磁片段(2)的組(14)分 別由兩個(gè)直接相鄰的、磁化方向逆向設(shè)置的片段(2)。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的裝置，其特征在于，所述磁場靈敏的傳感器(4. 1至4. 5)是磁阻傳感器。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的裝置，其特征在于，各向異性的磁阻傳感器分別由兩個(gè)實(shí)現(xiàn) 為測量橋的傳感器元件組成。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的裝置，其特征在于，所述測量橋相對地旋轉(zhuǎn)45。。
10. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的裝置，其特征在于，所述測量橋相隔一定距離，該距離等于 一個(gè)組(14)的片段(2)的長度的四分之一。
11. 根據(jù)權(quán)利要求io所述的裝置，其特征在于，構(gòu)成測量橋的磁阻層帶的設(shè)置適合于減小橋信號中的諧波分量。
12. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的裝置，其特征在于，所述測量橋相隔一定的距離，該距離大致等于平均片段長度的四分之一 。
13. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，設(shè)置兩個(gè)有間距的傳感器(4. 1 ;4. 2)。
14. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，第一傳感器和第二傳感器(4. 1 ;4. 2)相 互間隔第一距離，該距離小到相位差在整個(gè)比例尺(1)被超出時(shí)唯一對應(yīng)于測量坐標(biāo)值， 第三傳感器(4.3)與第一傳感器(4. 1)的距離至少等于第一距離的兩倍。
15. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的裝置，其特征在于，為測量角度而設(shè)置的比例尺(磁極輪) (1)相對于具有旋轉(zhuǎn)軸的平面鏡像對稱。
16. 根據(jù)權(quán)利要求15所述的裝置，其特征在于，磁片段(2)的角度擴(kuò)展被選擇為使得磁 場的方向P在圍繞包含n個(gè)極的比例尺(磁極輪)(1)進(jìn)行a =0至360°的完全旋轉(zhuǎn)的 情況下通過關(guān)系式P (a) = a (l+n/2)+A* sin(a)給定(A =常數(shù))，以及兩個(gè)傳感器 對分別由第一傳感器(4. 1)和與之間隔的第二傳感器(4. 2)組成，這兩個(gè)傳感器對錯(cuò)開特 定的角度。
17. —種根據(jù)權(quán)利要求1至16中任一項(xiàng)所述絕對確定兩個(gè)可相對移動(dòng)或旋轉(zhuǎn)的本體的線性位置或通過角度表示的旋轉(zhuǎn)位置的方法，其特征在于，在分析單元中根據(jù)多個(gè)傳感器 信號計(jì)算出與該線性位置或旋轉(zhuǎn)位置唯一對應(yīng)的輸出信號。
18. 根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其特征在于，所述輸出信號由第一信號分量和第二 信號分量來確定，第一信號分量表明第幾個(gè)片段(2)與傳感器(4. 1至4. 5)之一相對，第二 信號分量包含根據(jù)該傳感器(4. 1至4. 5)的信號獲得的結(jié)論，即該傳感器(4. 1至4. 5)與 相應(yīng)片段(2)的起始點(diǎn)相距多遠(yuǎn)。
19. 根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其特征在于，針對多于一個(gè)傳感器(4. 1至4. 5)確定 所述第一信號分量和第二信號分量，并在考慮傳感器距離的情況下對位置結(jié)果進(jìn)行平均。
20. 根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其特征在于，根據(jù)權(quán)利要求9的第一傳感器(4. 1)和 與其間隔的第二傳感器(4.2)的兩個(gè)信號通過反正切插值在分析單元中分別獲得場方向 在相應(yīng)的傳感器(4. 1 ;4. 2)位置處的角度，并且通過形成差值來形成所述輸出信號的第一 信號分量。
21. 根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其特征在于，根據(jù)權(quán)利要求9的第一傳感器(4. 1)和 與其間隔的第二傳感器(4.2)的兩個(gè)信號通過反正切插值在分析單元中分別獲得場方向 在相應(yīng)的傳感器位置處的角度，并且通過形成差值來形成所述輸出信號的臨時(shí)第一信號分 量，根據(jù)該臨時(shí)第一信號分量獲得與第一傳感器(4. 1)相對的片段(2)的長度，并且根據(jù)該 長度和兩個(gè)傳感器(4. 1 ;4.2)的間距計(jì)算傳感器元件的場方向之間的相位差，利用該相位 差在第二步驟中重新活得第一信號分量。
22. 根據(jù)權(quán)利要求21所述的方法，其特征在于，執(zhí)行進(jìn)一步的迭代步驟。
23. 根據(jù)權(quán)利要求18所述的采用根據(jù)權(quán)利要求14所述裝置的方法，其特征在于，首先 根據(jù)每個(gè)傳感器(4. 1 ;4. 2 ;4. 3)的兩個(gè)信號確定場方向在相應(yīng)傳感器位置處的角度，并且 根據(jù)第一傳感器和第二傳感器(4. 1 ;4. 2)的角度差確定第二傳感器和第三傳感器(4. 2 ; 4.3)的角度差的哪個(gè)階段對應(yīng)于該值，并且根據(jù)該階段的相位值確定哪個(gè)片段(2)與第一 傳感器(4. 1)相對。
24. 根據(jù)權(quán)利要求18所述的采用根據(jù)權(quán)利要求16所述裝置的方法，其特征在于，根據(jù) 兩個(gè)傳感器對(4. 1和4. 2 ;4. 3和4. 4)的信號獲得兩個(gè)具有360°的周期性信號，這些信號 相互間發(fā)生相移，并且這些信號被分析從而使得獲得在360°的范圍內(nèi)唯一的角度測量值。
25. 根據(jù)權(quán)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
描述了一種具有比例尺的絕對測量系統(tǒng)，由至少兩個(gè)磁片段構(gòu)成的組組成，其中至少一個(gè)組中的磁片段在測量方向上的長度相互一致，而不同組的磁片段的長度互不相同。對于在單線比例尺上具有多于兩個(gè)傳感器的設(shè)置來說，提出多級的相位差方法，這些方法在測量長度很大的同時(shí)導(dǎo)致高分辨率和測量精度，并且例如可用各向異性的磁阻傳感器實(shí)現(xiàn)360°的唯一角度測量區(qū)域。本發(fā)明的主旨在圖6a中得到最好體現(xiàn)。
文檔編號G01D5/12GK101743456SQ200880012770
公開日2010年6月16日 申請日期2008年2月21日 優(yōu)先權(quán)日2007年2月21日
發(fā)明者A·巴托斯, A·邁森貝格, F·德特曼 申請人:米斯德國有限公司