对外场不敏感的角或线性磁位置传感器 本发明涉及用于可达 360°或更大的角度和可达几百毫米的位移的磁旋转和线性 位置传感器领域， 更特别地， 涉及用于测量机动车转向柱的角位置的位置传感器的领域， 但 不限于该应用。
基于磁场检测角度或位移的非接触式传感器有很多优点 ：
1. 与移动部分无机械接触， 因而无磨损，
2. 对污垢不敏感，
3. 造价低，
4. 寿命长。
现有技术中已知描述一种旋转传感器 ( 图 1 和 2) 的专利 EP1083406， 该旋转传感 器具有环形磁体和测量该磁体所生成的磁场的径向分量的两个磁敏部件， 并通过积分产生 用以在解码后在 360 度范围内检测位置的两个正弦信号。
这种方案的缺陷在于其对外场的影响很敏感。事实上， 在探头所在平面内的任何 外场都将引起相当大的非线性误差。
现有技术中已知本申请人的描述一种位置传感器 ( 图 3 和 4) 的专利 WO07057563， 该位置传感器允许使用在径向磁化的环状或盘状磁体的旋转轴外基本上在唯一一点测量 到的磁场的两个分量 ( 径向和切向或者轴向和切向 )， 以获知其角位置， 即使该角度并不与 磁场的角度一致。磁体所生成的磁场的径向分量和轴向分量为两个同相的正弦信号， 而切 向分量是与磁场的其它两个分量有 90 度的相位差的正弦 ( 见图 4)。因此可以使用相差为 90 度的一对磁场分量 ( 径向和切向或者轴向和切向 ) 来对磁体的角度进行解码。 基于这两 个分量 ( 这两个分量的幅值一般说来是不同的 ) 对磁体的角位置进行的解码需要将所用的 这两个分量归一化， 以能够计算反正切， 从而推导出角度。 现有技术中还已知本申请人的描 述一种旋转和线性位置传感器的 PCT 专利 WO27099238， 该旋转和线性位置传感器使用与前 述 360°传感器一样的原理。其使用在磁化方向沿着位移连续变化的条状或蹄状磁体所生 成的磁场的的基本上在同一点测量到的两个分量 ( 法向和切向或者轴向和切向 )。
这两种方案的缺陷在于对所有的外场的影响都很敏感。 可以对这样的传感器进行 屏蔽， 但这要增加附件， 从而使造价提高且传感器的尺寸增大。此外， 在两个分量间施加增 益可能产生问题 ( 由温度导致的探头噪声 )， 并且径向磁化 ( 在 360°传感器的情况下 ) 并 非易事且可能引起谐波误差。事实上， 360°传感器的性能 ( 输出信号的线性 ) 直接取决于 径向磁化的好坏。用简单的通电线圈就可方便地获得将环形磁体径向磁化所必需的图 5 示 出的磁化场。空气和要磁化的材料间磁导率的差异造成了场线弯曲， 其曲率遵循两种介质 间边界处的如下偏折关系 ：
如图 4 所示， 这种弯曲表现为材料的非径向磁化从而表现为所测量的两个分量的 失真。 这两个信号并非是相位差为 90°的两个完美正弦， 这在解码时表现为很大的非线性， 这在示出基于磁场的两个分量解码的信号的同一图 6 上可看出。本发明提出通过允许使用在优选地空间上错开 1/4 周期的两个点测量到的磁场 的两对分量 ( 法向和切向 ) 的组合来解决上述问题。
旋转传感器的周期为磁体的总角度。
线性传感器的周期为其长度。
两个分量是在同一点测量得的 ( 物理上， 如果测量磁场的两个分量的诸点间的实 际距离小于 5mm， 则认为测量是在同一点进行的 )， 而另两个分量是在空间上大约错开 1/4 周期 ( 例如 ： 对于 360°传感器错开 90° ) 处的另一点测量得的。因此， 下述方案能够减小 外场的影响、 补偿部分由磁化引起的谐波误差且在分量间不再施加增益。
设：
Bn1 为点 1 处的法向分量
Bt1 为点 1 处的切向分量
Bn2 为点 2 处的法向分量
Bt2 为点 2 处的切向分量
设(θ) 为旋转角， 考虑到由径向磁化引起的三次谐波的误差 ( 主要误差 )， 有：
假设点 1 和点 2 空间上错开 90°， 则有 ：
本发明提出用下面的方法将分量两两组合 ： Bn ＝ Bn1+Bt2 Bt ＝ Bt1-Bn2 于是有 ：
因此， 所得的相位差为 90°且近似为完美正弦的两个信号的幅度相同。 事实上， 非 完美法向的分量 ( 由于三次谐波其为三角形 ) 与非完美切向的分量 ( 由于三次谐波其为矩 形 ) 的组合允许完全消除或至少极大地减少谐波的缺陷， 从而获得两个准正弦分量。
此外， 如果 ( 参见图 13 和 14) 沿 x 轴和 y 轴有外磁场 (Bx-ext 和 By-ext)， 则分量 的两两组合允许消除外场的影响。
因此， 关于图 13 的磁体的位置 1， 有：
Bn1 ＝ Bn_max-By_ext
Bt1 ＝ -Bx_ext
Bn2 ＝ -Bx_ext
Bt2 ＝ Bt_max+By_ext
最终给出 ：
Bn ＝ Bn1+Bt2 ＝ Bn_max+Bt_max
Bt ＝ Bt1-Bn2 ＝ 0
关于图 13 的磁体的位置 2， 现有 ：
Bn1 ＝ 0-By_ext
Bt1 ＝ -Bt_max-Bext
Bn2 ＝ Bn_max-Bext
Bt2 ＝ By_ext
由此给出 ：
Bn ＝ Bn1+Bt2 ＝ 0
Bt ＝ Bt1-Bn2 ＝ -Bn_max-Bt_max
所获得的两个信号正好幅度相同， 并且消除了外场的影响。
根据用于在法向分量和切线分量的三次谐波不相等 (h’ 3-h3 ≠ 0) 的情况下改善
旋转传感器的配置准确度的一种优选实施方式。该实施方式完全采用以上描述， 从而集中 了上述的所有优点。
其还提供如下优点 ： 通过使用在空间上分别错开 1/4 周期 ( 前述方案 )、 优选地如 图 25 所示错开 1/8 周期 ( 对于 360°传感器错开 45° ) 的 2 ＊ 2 个点测量到的磁场的 4 ＊ 2 个分量 ( 法向和切向的 ) 的巧妙组合， 整体上补偿了由于与磁体的几何形状有关的磁 化的缺陷导致的三次谐波的缺陷， 以获得 2 个完美正弦的分量。
设：
Bn1a 为点 1a 处的法向分量
Bn1b 为点 1b 处的法向分量
Bt1a 为点 1a 处的切向分量
Bt1b 为点 1b 处的切向分量
Bn2a 为点 2a 处的法向分量
Bn2b 为点 2b 处的法向分量
Bt2a 为点 2a 处的切向分量
Bt2b 为点 2b 处的切向分量 本方案提出将比前述组合预先错开 1/8 周期的 2 对点 (a 和 b) 的法向分量和切向 分量两两组合， 该方案允许通过以下方法消除谐波的残余 (h3-h’ 3) ：
Bn1 ＝ Bn1a+Bn1b
Bt1 ＝ Bt1a+Bt1b
Bn2 ＝ Bn2a+Bn2b
Bt2 ＝ Bt2a+Bt2b
设(θ) 为旋转角， 与前述求解过程一样， 考虑到由径向磁化引起的三次谐波的误差 ( 主要误差 )， 用 h3-h’ 3 ＝ 0 可得 ：
所有有关外场的考虑保持不变。
在进行除法和反正切的计算之前， 数字信号的处理电路将分量组合 ( 这允许得到 两个幅度基本相同的正弦 ) 并执行多种补偿 ( 偏移、 正交性、 探头参数随温度的变化 )。所 获得的角度可用于集成电路的输出， 例如以与该角度成正比的电压的形式。
在其中磁场随传感器的行程连续转向的如图 20 和 21 示出的线性配置中， 同样可 以将磁场的分量两两组合， 以消除外场。
设：
Bn1 为点 1 处的法向分量
Bt1 为点 1 处的径向分量
Bn2 为点 2 处的法向分量
Bt2 为点 2 处的径向分量
X 为传感器的行程， L 是传感器的总行程， d 为点 1 和点 2 之间的距离 (0 ＜ d ＜ L) 则有 ： Bn1 ＝ h1 ＊ cos(2xL/PI)-By_ext Bt1 ＝ h′ 1 ＊ sin(2xL/PI)+Bx_ext Bn2 ＝ h1 ＊ cos(2xL/PI+2dL/PI)-By_ext Bt2 ＝ h′ 1 ＊ sin(2xL/PI+2dL/PI)+Bx_ext 即： Bn1-Bn2 ＝ h1 ＊ (cos (2xL/PI)-cos (2xL/PI+2dL/PI)) Bt1-Bt2 ＝ h′ 1 ＊ (sin(2xL/PI)-sin(2xL/PI+2dL/PI))
Bn1-Bn2 ＝ -Ah1 ＊ sin(2xL/PI+dL/PI)
Bt1-Bt2 ＝ Ah′ 1 ＊ cos(2xL/PI+dL/PI)
因此， 所获得的相位差为 90°且完美正弦的两个信号的幅度不同。分量的这种两 两组合允许消除任何均匀外场， 不管场的方向如何。
所获得的两个信号的幅度取决于 1 和 2 这两点之间的距离。当这两点相距半周期 时 (d ＝ L/2) 幅度为最大值 ； 当 d ＝ 0 或 L 时幅度为零。因此倾向于 1 和 2 这两点错开约 1/4 周期， 这被证实是在获得的信号的幅度和传感器的尺寸之间良好的折衷。
在进行除法和反正切的计算之前， 数字信号的处理电路将分量组合并执行多种补 偿 ( 偏移、 正交性、 探头参数随温度的变化 )、 将信号归一化。 所获得的输出信号可用于集成
电路的输出， 例如以与传感器的线性冲程成正比的电压的形式。
参见下列不同附图可以更好的理解本发明 ：
·图 1 示出现有技术的一种旋转传感器的视图， 该旋转传感器使用在空间上错开 90°的两点测得的磁感应强度的两个法向分量，
·图 2 示出现有技术的一种方案中的磁感应强度的两个法量分量，
·图 3 示出现有技术的一种旋转传感器的视图， 该旋转传感器使用磁感应强度的 法向分量和切向法量，
·图 4 示出现有技术的一种方案的同一点的磁感应强度的法向分量和切向分量，
·图 5 示出当对相对磁导率 (μr) 等于 1.2 的材料进行磁化时磁体内部的场线，
· 图 6 示出在 “径向” 磁化的各向同性的圆环形磁体上测得的磁感应强度的法向分 量和切向分量以及信号的非线性，
·图 7 示出具有两个双向探头 31 和 32 的本发明的全视图，
·图 8 示出具有两个双向探头 31 和 32 的本发明的三维 (3D) 视图，
·图 9 仅示出探头 31 的磁感应强度的法向分量和切线分量，
· 图 10 示出由探头 31 在 “径向” 磁化的各向同性的圆环形磁体上测得的信号的非 线性，
· 图 11 示出基于由探头 31 和 32 测得的磁感应强度的法向分量和切向分量的两两 组合而获得的两个正弦信号，
·图 12 示出基于图 11 的信号而获得的非线性，
·图 13 示出当有外磁场时磁体的两个角位置，
·图 14 示出本发明的视图以及产生外磁场的励磁线圈，
·图 15 示出在如图 14 限定的外场的影响下探头 31 和 32 的两个法向分量和切向 分量，
· 图 16 示出在外场影响下由探头 31 在 “径向” 磁化的各向同性的圆环形磁体上测 得的信号的非线性，
· 图 17 示出在外场影响下由探头 32 在 “径向” 磁化的各向同性的圆环形磁体上测 得的信号的非线性，
· 图 18 示出由探头 31 和 32 测得的法向分量和切向分量的两两组合而获得的信号 的非线性，
·图 19 示出被应用于具有两个双向探头 31 和 32 的线性传感器的本发明的全视 图，
·图 20 示出具有两个双向探头 31 和 32 的本发明的侧视图，
·图 21 示出在有外场时具有两个双向探头 31 和 32 的本发明的侧视图，
· 图 22 示出被应用于具有两个双向探头 31 和 32 的小角度旋转传感器的本发明的 全视图，
·图 23 示出空间上错开 1/4 个周期的探头 31 和 32 的法向分量和切向分量，
·图 24 示出由于前述四个信号的两两组合而得到的两个正弦信号以及最终获得 的输出信号，
· 图 25 示出具有与另两个双向探头 31b 和 32b 配合的两个双向探头 31a 和 32a 的本发明的全视图，
·图 26 示出本发明的模拟信号的非线性及其借助于另两个双向探头 31b 和 32b、 基于提出的优化方案的可能的改进。
图 1 和图 2 示出对外场敏感的现有技术的一种方案。图中有基本上径向磁化的环 形永磁体 (1) ； 该磁体在空间任意一点产生的磁场的法向分量由两个空间上错开 90°的磁 敏部件 21 和 22 测量， 然后处理其信号以解码角度和以将这两个信号归一化， 以便输出与磁 体的角位置成正比的电信号。
图 3 和 4 中示出对外场敏感且具有径向磁化的缺陷的现有技术的另一方案。该方 案包括基本上径向磁化的环形永磁体 (1)， 该磁体在空间任意一点产生的磁场的法向或轴 向分量和切向分量由位于同一点的两个磁敏部件测量， 然后处理部件对其信号进行处理， 该处理部件实现解码和这两个信号的归一化， 以便输出与磁体的角位置成正比的电信号。
图 5 示出相对磁导率等于 1.2 的环形磁体在磁化时外部和内部的场线。场线在穿 过磁体时发生变形， 这种变形是由于磁体 ( 在本情况下 μr ＝ 1.2) 与空气 (μr ＝ 1) 间相 对磁导率的差异而导致的。场线的这种偏移意味着磁体径向磁化得不好。
图 6 示出由于径向磁化得不好而导致的非完美正弦的法向分量和切向分量以及 基于这些信号而获得的非线性。 图 7 和 8 示出本发明的视图。 该方案包括基本上径向磁化的环形永磁体 (1)， 该磁 体在空间任意一点产生的磁场的法向或轴向分量和切向分量由 4 个磁敏部件测量。其中有 两个磁敏部件位于一个点和优选地集成在同一盒 (31) 内 ； 而另两个磁敏部件也位于同一 点和优选地集成在与盒 (31) 空间上错开 90°的同一盒 (32) 内。 然后将这四个信号两两组 合以消除外场的影响和由于径向磁化而导致的误差， 以便输出与磁体的角位置完全成正比 的电信号。信号的处理电路可集成在盒 (31) 或 (32) 内， 或者为了多余度的问题而集成在 这两个盒内， 亦可在这两个盒 (31) 和 (32) 的外部实现。
图 9 和 10 示出对径向磁体在某一点产生的法向分量和切向分量的测量和仅使用 一个探头 (31) 而获得的误差。
图 11 示出由集成在盒 (31) 和 (32) 内的 4 个磁敏部件所测得的 4 个信号的两两 组合。通过将 (31) 测得的法向分量与 (32) 测得的切向分量相加和通过从 (31) 测得的切 向分量中减去 (32) 测得的法向分量而得到两个幅度相同的完美正弦信号。
图 12 示出基于图 11 的两个正弦信号解码的输出角度以及由此而获得的非线性。 通过组合 4 个分量而获得的误差因此允许消除由于径向磁化而导致的误差。
图 13 和 14 表示在有外磁场情况下的本发明。图 13 示出在均匀外场 Bext 影响下 的磁体 (1) 的两个不同位置。在此情况中， 外场为水平方向并干扰探头 (31) 的切向分量和 探头 (32) 的法向分量。图 14 示出具有产生干状磁场的线圈 (4) 的本发明的视图。产生外 部干扰场的源可以正好是位于线圈处的磁体。
图 15 示出在有如前述的两图中所示的外场时由探头 (31) 和 (32) 的磁敏部件测 得的两个法向分量和两个切向分量。可以看出， 探头 (32) 的法向分量和探头 (31) 的切向 分量确实受到了影响。
图 16 和 17 分别示出盒 (31) 和盒 (32) 的输出信号以及在前述图中限定的外场影 响下这两个信号的非线性。因此可以注意到， 由于外场改变了盒 (31) 的切向分量因此盒
(31) 的输出信号是非线性的， 而由于线圈产生的外场引起的盒 (32) 的法向分量的改变， 盒 (32) 的输出信号也是非线性的。
图 18 示出本发明获得的结果。图中示出由 (31) 和 (32) 测得的 4 个信号组合后 得到的两个信号 (Bn1+Bt2， Bt1-Bn2)、 计算 (Bn1+Bt2/Bt1-Bn2) 的反正切后的输出信号和 该信号的非线性。 与现有技术的方案相反， 尽管有外场， 但本发明仍允许具体始终为线性的 传感器。
图 19 和 20 示出被应用于线性传感器的本发明的两个视图。图中有磁化了的长度 为 L 的磁体 (1)， 其磁化用矢量 M 示出， 其磁化方向在由位移方向 X 及与 X 方向的法向所确 定的平面内根据磁体的长度而线性地变化。两个探头 (31) 和 (32) 的每个都测量由磁体 (1) 产生的磁场的法向分量和切向分量。这两个探头空间上相距几毫米。
图 21 是图 20 有外磁场 Bn_ext+Bt_ext 时的情况， 该外磁场叠加在磁体 (1) 所产生 的磁场的测量上。通过将 (31) 和 (32) 的两个法向分量相减 (Bn1-Bn2) 并将 (31) 和 (32) 的两个切向分量相减 (Bt1-Bt2)， 本发明允许消除外部干扰且只处理来自磁体 (1) 产生的 磁场的信号。
图 22 示出被应用于小角度旋转传感器的本发明的视图， 其中有外磁场 B_ext 叠加 在由磁体产生的磁场的测量上。通过将 (31) 和 (32) 的两个法向分量相减 (Bn1-Bn2) 并将 (31) 和 (32) 的两个切向分量相减 (Bt1-Bt2)， 本发明允许消除外部干扰且只处理来自磁体 (1) 产生的磁场的信号。 图 23 示出由探头 (31) 和 (32) 的磁敏部件测量的两个法向分量和两个切向分量。 在这种情况下， 两个探头 (31) 和 (32) 空间上错开四分之一周期。
图 24 示出本发明获得的结果。其示出由 (31) 和 (32) 测得的 4 个信号组合后 得到的两个信号以及这两个信号的归一化 (Bn1-Bn2， Gain ＊ (Bt1-Bt2))， 并示出计算 (Bn1-Bn2， Gain ＊ (Bt1-Bt2) 的反正切后的输出信号。
图 25 示出为获得精确度极高的传感器的本发明的一种优化的实施方式。
该方案包括基本上径向磁化的环形永磁体 (1)， 该磁体 (1) 在空间任意一点产生 的磁场的法向或轴向分量和切向分量由 8 个磁敏部件测量。其中有两个磁敏部件位于一 个点和优选地集成在同一盒 (31a) 内， 而另两个磁敏部件位于同一点和优选地集成在与盒 (31a) 空间上错开 90°的同一盒 (32a) 内。还有两个磁敏部件位于一个点和优选地集成在 同一盒 (31b) 内， 而另两个磁敏部件位于同一点和优选地集成在同一盒 (32b) 内， 彼此之间 在空间上错开 90°的盒 31b 和 32b 与第一组垂直的盒 31a 和 32a 在空间上都错开 45°。 然 后对这 8 个信号两两求和以消除由于径向磁化而导致的误差。然后将所得的 4 个信号两两 组合以消除外场的影响和由于径向磁化而导致的误差， 以便输出与磁体的角位置完全成正 比的电信号。信号的处理电路可集成在一个盒内， 或者为了多余度的问题而集成在四个盒 内， 亦可在盒外部实现。
图 26 比较性地示出通过增加为了修正与磁体 1 的几何形状有关的磁化误差而合 理布置的 4 个磁敏部件 ( 盒 31b 和 32b) 而获得的对非线性 ( 根据用度数量度的行程用 360°的百分比量度 ) 的误差的可能的改进。
在这个图中可以看出， 通过主要引入未集成地补偿的三次谐波 ( 可通过反正切函 数减轻至四次谐波 (H4))， 根据磁化状况、 磁体尺寸及磁体性质， 前述实施方式得到的信号
A 可能不是完全线性的。相反， 图 25 示出的实施方式得到的信号 B 却允许改进甚至消除这 些非线性的缺陷。