确定测量物体的位置和/或位置变化的传感器结构及方法

摘要

一种相对于传感器确定测量物体位置和/或位置变化的传感器配置，其中磁体(7)被分配给测量物体，该配置相对操作可靠的传感器来说制作成本较低，这样，所述传感器(1)具有第一导体(2)和与第一导体(2)并排配置的第二导体(3)，并且在第一导体和第二导体(2、3)的影响范围中配置软磁性膜(5、6)，所述软磁性膜的磁导率在磁场影响下产生变化并且影响第一导体和第二导体(2、3)之间的电磁耦合。本发明还涉及相关的方法。

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于确定测量物体相对于传感器的位置和/或位置变化的 传感器结构，以便将磁体分配给测量物体。本发明还涉及一种相关的方法。

背景技术

用于确定位置和/或位置变化的传感器结构及方法已在实践中广泛使用。 可以确定活塞、阀、载运架或其它可移动部件的位置。应用范围涉及家用电器 到机动车辆到精密工程或工业生产线。通常，对于具有高灵敏度地确定待测的 测量物体的位置或位置变化是极为重要的。

经常使用电容性或感应式的传感器，以确定传感器上测量物体的反馈效 应。传统的磁性传感器使用测量物体的铁磁性或在测量物体中感应的涡电流。 此外，已知由其它种类的传感器，其中软磁芯受被分配给测量物体的磁体的影 响。因此，例如德国专利DE36 10 479A1公开了一种传感器，在该传感器中， 磁体使软磁芯局部产生饱和，并藉此产生虚拟气隙。该气隙的位置可被读出。

欧洲专利EP1 721 130B1揭示了利用软磁性材料上的磁体效应测量位置 的另一种可能性，其中由导体回路产生交变场，在用作次级线圈的正弦导体结 构中感应出电压。通过叠加多个正弦结构，可确定测量物体的移动方向和位置。 然而，它被证实有一个缺点，即该导体结构的设计相当复杂，必须通过精密制 造，传感器设计得过宽，并且总是需要具有施加于两侧的导体的一个载体。结 果则导致相对过高的制作成本以及使用不够灵活。

由德国专利DE39 14 787A1可得知根据类似原理操作的另一位置传感器。 该传感器具有缠绕在共用的软磁芯上的初级线圈以及至少一个次级线圈。一个 随测量物体的位置变化而使上述磁芯局部产生饱和的磁体被分配给一个测量 物体。这样导致虚拟气隙对线圈的阻抗及其变压比系数起作用，该结果可由测 量技术测出。为使特征线线性化，线圈的形状在纵向上发生变化。为此，所述 线圈必须被加工，并且必须缠绕在一个斜的磁芯上，从而导致传感器的生产成 本过高。此外，传感器体积相对过大而在许多地方妨碍使用或不能使用。

发明内容

因此，本发明的目的在于设计一种在技术领域的介绍中限定的类型的传感 器结构並加以改进，以致获得以较低的制造成本制造一种在操作中更为可靠的 传感器，并且可以灵活的使用。

根据本发明，通过权利要求1的特征可实现上述目标。据此，所讨论的传 感器结构设计成：所述传感器具有第一导体以及与第一导体纵向配置的第二导 体，在第一导体和第二导体的影响范围内配置的软磁性膜，以使该软磁性膜的 磁导率在磁场影响下产生变化，并且影响第一导体和第二导体之间的电磁耦 合。

从方法的观点看，通过权利要求15的特征可实现上述目标。据此，所述 方法的特征在于，通过流过传感器的第一导体的AC交流电而产生交变场，并 且该交变场在位于与第一导体纵向配置的第二导体中感应出电压，这样，软磁 性膜影响第一导体和第二导体之间的电磁耦合，所述软磁性膜的磁导率在磁场 影响下发生改变。

在本发明的方式中，首先可以认识到，传感器的导体没有必要设计得太复 杂。因此，本发明使用的导体具有以一距离沿该导体的侧面纵向配置的第二导 体。该距离可确保在第一导体和第二导体之间没有欧姆接触。所述导体具有较 为简单的设计，但是尽管设计简单，所得的传感器的工作状况却出人意料地良 好。在第一导体和第二导体的影响范围内配置软磁性膜，该软磁性膜的磁导率 在磁场的影响下发生改变。由于软磁性膜在导体的影响范围内的结构，所述薄 膜将影响第一导体和第二导体之间的电磁耦合。因为磁导率在磁场的影响下发 生改变，第一导体和第二导体之间的电磁耦合可在磁场的影响下发生变化。如 果磁体被分配给测量物体，可利用传感器得到並分析出该效果。这种结果使传 感器具有非常小型的设计，以致即使在有限的空间范围内都可以使用。所述非 常简单的基本设计可以获得简单和制造成本便宜的传感器，并且其适合于确定 绝对位置。

第一导体或第二导体特别优选地具有至少一个用于分析的测量头，通过该 测量头可以将各导体被再分成至少两个分段。因此，传感器的设计长度与其测 量范围的比率虽然已经很好，但还可以进一步改进。通过分析在适当限定的分 段中的电磁耦合，可确定测量物体的位置和/或位置变化。分配给测量物体的 磁体将上述电磁耦合作为其位置的函数而对其连续地产生影响。当磁体影响强 烈时，软磁性膜会产生饱和並对电磁场透明。因此，在饱和区域中或其附近的 电磁耦合显著地减少或不存在。在所述磁体的场强度中的减少越大，从一个导 体到另一个导体的所述磁场的交叉耦合也就越大。因为这种过程连续地发生， 对于测量物体的位置和/或位置变化的影响可以从表示在各个分段中的电磁耦 合的值中推断得到。

应该指出，软磁性膜没有必要一定是饱和的。反而，由于磁体而对磁导率 产生影响就足够了。这种影响可致使在强磁体的情况下产生饱和。较弱的磁体 或它们被配置的距离较远，其中磁体不会导致饱和，也可用作传感器。在这种 情况下，软磁性膜不能对电磁场完全透明。然而，仍然可对电磁耦合产生足够 的与位置相关的影响。

还应该指出，可使用软磁薄膜代替上述软磁性膜。该薄膜可以气相沉积在 上述结构上或由实践中其它已知的方法施加。对于软磁层或软磁薄膜的选择将 取决于各自的使用范围以及传感器的制造过程。可使用非晶质或纳米材料作为 软磁材料，以用于形成软磁性膜或软磁薄膜。

有利地，第一导体和第二导体施加到一个基底上。该基底可由各种材料形 成。电路板可以适于作为如陶瓷、塑胶件或塑料膜的基底。原则上，还可使用 金属作为基底，但在这种情况下，仅仅需要对各个导体结构具有足够的电绝缘， 而这通常是容易实现的。基底的先决条件仅是，该基底提供足够的性能以支撑 导体结构。基底可以是刚性的或柔性的、固体的或膜状的。例如，薄的柔性基 底可使传感器以相对任何的方式与基底粘接，并且使传感器最优化地适合于任 何轮廓。因此，传感器可以按曲面形状使用。选用什么样的基底或所述基底应 当具有什么样的机械性能，将由传感器的各种应用来决定。

取决于应用，甚至还可省略基底，而使用软磁性膜本身作为导体的载体。 例如，如果传感器不会暴露到任何大的机械应力或与基底在正常工作条件下粘 接，以这样的方式可实现一种能够简单制造且特别廉价的设计。所述膜就必须 相对于导体适当地被绝缘，以保障传感器的功能。例如，还可以这样实现，即 在将导体施加到所述膜之前，先向软磁性膜施加一个漆层。

第一导体和第二导体最好彼此相隔一定距离配置。该距离可以是沿导体的 恒定值，但也是可以改变的。通过改变所述距离可以较容易地调节传感器的特 征线。确实，通常传感器在较小距离的区域内的灵敏度比在较大距离的区域内 高。因此，可实现特征线的线性化。另一方面，传感器还可设计成使其灵敏度 在限定的区域内高于在其它区域内。因此，例如，围绕零位置的范围可以被设 计为对位置变化特别敏感，而较外部的范围具有较低的灵敏度时。

此外，或者作为距离变化的备选，第一导体或第二导体可通过激光修整。 传感器的导体的特性因而可以以目标的方式来影响，以便能够基准每个传感器 以补偿制造公差。

根据本发明的一个实施例，第一导体和/或第二导体可设计成直线型，如 平直件。两个平直件可以基本上相互平行配置。然而，也有可能两导体的其中 一个或两个导体在一个或多个位置弯曲，以便可以实现两个导体之间的距离变 化。在这种情况下，所述导体本身将被设计成一列平直件。

替换地，所述导体也可设计成曲线型。一般为简单的曲线设计。例如，在 此可以想象用一段曲线。两导体可以是圆形和/或圆弧形的形式，其中一个导 体例如同心地配置在另一个导体内部。因此，借助于所述传感器配置，甚至可 以测出非线性的移动。以这种方式，也可测出测量物体的旋转移动或在环形路 径上的移动。因此该传感器也可用于角度测量。

此外，前述的两个实施例也可以结合。例如，第一导体可设计成直线型， 而第二导体为一部分曲线，或者反之亦然。在此的先决条件是，对于前述的实 施例，两个导体在彼此较小的距离上运行。在此可适用低至两位数字的毫米范 围的距离。

当使用曲线型的导体时，基底可根据所述导体来设计。例如，在所述导体 分别为两个同心圆形的一部分情况下，基底可设计成圆形，即根据导体的形状， 如环状的段。这将有可能使基底使用最少量的材料。此外，可考虑到特殊的安 装位置，例如绕一个轴杆或轴线的传感器配置。

为了实现对磁体特别巨大的影响，软磁性膜可配置在导体的两侧。软磁性 膜因而屏蔽了面向两侧的两个导体，并且可得到具有限定磁阻的路径。因此， 由两个导体的其中一个产生的电磁场可经过由所述磁性膜形成的磁路输入到 另一导体中。如果具有磁体的测量物体位于传感器附近，则两个软磁性膜都能 受到影响，以致使磁阻与只有一个薄膜的情况相比具有更大程度的改变。这将 显著增强测量效果，有利于确定测量物体的位置和/或位置变化。

第一导体最好与交流电源连接。该交流电源在第一导体中产生交流电，从 而产生交变场。该交变场由第一导体发出並穿越软磁性膜至第二导体，所述第 二导体与用于检测的分析电路连接。将馈送频率设定在1MHz和20MHz之间 证明是最有利的。相对较高的馈送频率可产生极高的传感器带宽，而使用线圈 的已知传感器则做不到。

分配给测量物体的磁体可以以不同的方式形成。例如，磁体可由永久磁铁 或由直流电流过其中的线圈形成。在这两种情况下，磁体可以以这样的方式配 置，即磁体的南北(NS)向基本上与所述导体平行，或者在导体的曲线实施 例或者在弯曲的或弧形的传感器的情况下，所述磁体可以基本上与导体成正 切。由于这样的配置形式，与磁体横跨导体的配置相比，可实现更大的测量范 围。然而，磁体仍然还可以配置成横跨导体。在两种情况下，磁体以及因而测 量物体都可以在导体的纵向方向进行移动。

磁体还可相对于导体配置在不同的位置上。先决条件是磁体必须离所述传 感器足够近，以能够充分地影响软磁性膜。磁体可配置在由跨过所述两个导体 的平面区域中。替换地，磁体可在两个导体的中央平面的区域内位于两个导体 之上。中间的位置也是可行的。

当使用单个测量头时，其可配置在各导体的中间。因此测量头具有中央测 量头的功能，它将所述导体再分成两个大小基本上相等的分段。这样可以使用 差分传感器，在所述传感器的大小相等的分段中，当磁体位于中间位置时，可 建立几乎完全相同的电磁耦合。然后，所述传感器具有S型特征线，并且提供 相对于测量范围以及对诸如温度或电磁干扰的干扰影响的补偿方面的优点。

当有两个或多个测量头时，测量头可以等距离配置。因此，导体再分成几 个大小相等的分段。这会进一步在一个导体的各分段和另一个导体之间产生在 效果上可供比较的电磁耦合，而不受测量物体上磁体的任何影响。这还会简化 对于线性化和调整测量所必需的复杂性。然而，为了达到特别设计的特征线， 测量头则不能等距离配置。虽然在较短的分段中感应的电压比在较长的分段中 低，在该范围内可以通过较短的分段来增加空间分辨率。通常可以确信，传感 器的设计长度与其测量范围的比值可以通过较多数量的测量头而增加，不管它 们彼此之间的间隔如何。

可以由各种途径来评估所述传感器。例如，位于第二导体上的、用于测量 通过第一导体发出的电磁波的测量头可与一个电阻器连接。所述电阻器的从所 述传感器面向外的接线端与一个求和装置连接，所述求和装置可得出施加到各 个输入端的电压总和。通过电阻器适当的设计，可以依此以明确的方式获得表 示测量物体位置的模拟输出信号。在另一实施例中，测量头直接与求和装置连 接。在欧洲专利EP 0 916 075B1中描述了一种相关的分析，在此作为参考。另 一种替换实施例是利用在各测量头上的放大器。以适当的增益系数被放大的信 号然后被送至求和装置。

替换地，第二导体的分段可以按以下方式在外部用电线接在一起，即当磁 体以及因而测量物体位于零位置内时，在个个分段中感应的电压基本上可彼此 相互补偿。如果测量物体移出该零位置，平衡状态则受干扰，并且输出表示测 量物体位置的电压。从例如线性可变差分变压器(LVDT)的技术领域中可得 知这种分析原理。通过将这些导体中的两个与软磁性膜结合，测量效果仍然比 传统的LVDT或可作比较的传感器配置好很多。

在传感器配置的操作中可以想象到各种可能性。例如，交流电流过其中的 第一导体可设有一个或多个测量头。在这种情况下，交流电可相继施加给由测 量头和/或第一导体的接线端形成的各个分段。通过仅在限定的分区中分析在 第一导体和第二导体之间的电磁耦合，可获得空间分辨率。该分区由形成所述 电路的测量头和/或所述导体的一端以及一个测量头限定。首先，直接互相接 近的测量头可用于电流动，但是也可以想象到，在测量头和/或接线端上输入 交流电，并且再在不直接接近前述测量头和/或接线端上的测量头和/或接线端 上输出该交流电。

此外，在第二导体上的一个或多个测量头可用于得到该分析的空间分辨 率，使得第二导体可用于电磁耦合的分析。然后，对由多个测量头和/或所述 导体的一端和上述测量头形成的分段相继地进行分析。为此，各个分段相继连 接至分析电路。

替换地，可设有多重分析电路或一个分析电路的多路输入，其中各个分段 可基本上并行地进行分析。所述第一个选择可以提供只需一个分析电路的优 点，并且因此所述电路更利于制造。多路分段的并行分析允许测量物体的被测 量移动的高动态，因为在一个测量周期的过程中，此测量仅仅轻微地受测量物 体移动的影响或者根本不受影响。

目前对有利地实现和改进本发明的教导存在各种可能性。为此目的，首先 可参照权利要求1和16及其从属权利要求；其次结合附图，参照接下来所述 的本发明较佳的具体实施方式。在附图基础上结合本发明较佳的具体实施方 式，将解释一般较佳的实施例並解释上述教导的细致之处。

附图简要说明

图1所示为穿过本发明传感器的一段区域的示意图；

图2所示为图1带有磁体的传感器的侧视图以及软磁性膜的结果磁导率的 示意图；

图3所示为显示相关耦合M_d(x)/M₀(d)的一组曲线的图，其中该耦合在第 一导体和第二导体之间沿测量范围x作为导体之间的距离d的函数；

图4所示为上述图1的传感器在第一实施例中的示意图，其中传感器带有 位于第二导体中间的测量头；

图5所示为上述图1的传感器在第二实施例中的示意图，其中传感器带有 位于第二导体上的四个测量头以及作为实施例的分析电路；

图6所示为传感器的导体结构的示意图，其中传感器带有一个位于第一导 体中间的测量头，所述第一导体具有恒定值和可变距离；

图7所示为具有图6导体结构的传感器的输出(电压)的特征线图；

图8所示为用于测量圆形移动的本发明的传感器的实施例的示意图；以及

图9所示为用于分析本发明的传感器结果的分析电路的实施例的示意图。

具体实施方式

图1所示为本发明的传感器1，其中第一导体2和第二导体3以距离d配 置在基底4上。基底4由电路板形成，并且所述导体实施为在电路板上的印制 导体。软磁性膜5和6使由第一导体产生的电磁场转向第二导体3，这些膜施 加在导体2和3的两边，也就是说，一个膜在导体的上方，而另一个膜则在导 体的下方。例如虚线示出通过第一导体2内的电流调整的磁通量Φ。在软磁性 膜5和导体2、3之间设有绝缘层，以确保与导体2、3电绝缘。为了简单起见， 该绝缘层在图1中没有示出；而是示出与导体2和3隔有一段距离的软磁性膜 5。

图2a)所示为图1的传感器1的侧视图。左右延伸的导体2或3显示在基 底4上，被在顶部的自体磁性膜5覆盖，而且软磁性膜6也配置在基底的对侧 上。由软磁性膜覆盖的导体部分可称作有效导体。由软磁性膜覆盖的该部分中 的电磁耦合非常微弱，以致这些部分仅轻微地影响两个导体之间的耦合，並因 此可以忽略。

在传感器1的附近，磁体7配置在两导体的上方，其南北(NS)向沿传 感器和/或沿导体方向取向。图2a)示出所述磁体的一些磁力线。磁体7影响软 磁性膜5、6，使得所述膜5、6通过软磁性膜的电磁场而受到不同程度的影响。 其中一个自体磁性膜的结果磁导率μ显示在图2b)中传感器结果的下方，这里 可以看到，紧挨临近磁体处的磁导率比边缘区域的磁导率低很多。因此，在该 区域中在第一导体和第二导体之间的电磁耦合几乎被抵消，而在传感器边缘上 的软磁性膜仍然对所述导体之间的耦合由显著的贡献。从将一个不等于零的值 设为最小指的事实来说，可以看到所述膜不能达到饱和，但却是非常接近。应 该指出，图2b)所示的曲线仅仅作为一个例子，并且只是大致反映实际的磁导 率曲线。

图3示出对于传感器的示范实施例的、在第一导体和第二导体之间沿测量 范围x的相关耦合M_d(s)/M₀(d)的分布。在此显示的这组曲线参数为导体之间 的距离d。相关的耦合M_d(s)/M₀(d)几乎随距离d而指数地改变。图3示出传感 器的特征线可随距离的变化而受影响。因此，可实现线性化或想要的特征线形 状。

图4所示为图1的传感器1的示意图，其带有设置在第二导体3中间的测 量头8。第一导体2经接线端9与交流电源连接(图中未示)，该AC电源在 第一导体2中产生交流电。所述交流电产生电磁场，该电磁场在第二导体3 中经过软磁性膜5和6感应相同频率的电压。第一导体2和第二导体3之间的 磁耦合程度取决于分配给测量物体的磁体的磁场，其影响所述软磁性膜的磁导 率。第二导体3经两个接线端10和测量头8连接到分析电路，以分析在第一 导体和第二导体之间的电磁耦合。

图5所示为本发明的传感器1’的另一实施例。第一导体2和第二导体3 以距离d配置在基底4上。在每个导体2和3的两侧上配置软磁性膜5和6。 在图中，为简单起见，只部分地指出在上方的膜，图4也如此。然而，所述膜 延伸到上述膜6的端部。同样也适用于基底4。

第一导体2通过接线端9与交流电源连接(图中未示)，以产生电流並因 而产生围绕所述第一导体2的电磁场。该电磁场经由软磁性膜5和6被输入到 第二导体，作为测量物体的磁体所感应的磁导率的变化的函数，从而在第二导 体内感应一个电压。在由测量头8经由第二导体的接线端10和四个等距离分 布在第二导体3上的测量头8所限定的部分区域11.1至11.5中，可以分析在 第一导体2和第二导体3之间的电磁耦合。

图5另外还示出在上方区域中分析电路的实施例。测量头8和第二导体的 接线端10各自连接运算放大器12，该运算放大器以增益系数K₁…K₅和/或K₆而将外加电压放大。增益系数可以选择，以得到整个结构的线性特征线。放大 器的输出端切换到求和装置13的输入端，所述求和装置将输入信号的总和作 为输出信号14从分析电路中输出。通过这样设计的分析电路，可并行地分析 各个分段11。另外，也可使用电阻器取代运算放大器，并且执行如EP0916075B1 的分析。

图6示出一系列导体配置，它们在第一导体2和第二导体3之间的距离d 这方面不同。在所有的分图中，测量头8设计成在第二导体3上的中央测量头。 软磁性膜以虚线表示。永磁铁形式的磁体7配置在传感器旁，该磁体在第一导 体2和3的纵向分析上可移动。磁体7位于横跨两个导体2和3的平面范围内。

图6a)示出一种导体配置，其中第一导体2和第二导体3以恒定距离d相 互平行配置。根据图6b)的导体配置，第二导体3具有弯折，导致在第二导体 3中的各个部分配置成与设计为直线的第一导体2平行。第一导体和第二导体 的所有部分配置在一平面中。在图6c)中，第一导体2描述了圆弧形状的曲线， 由这一事实可形成距离变化。第二导体3设计成直线。

图7所示为依照图6的传感器的各个特征线。特征线15示出在图6a)的传 感器的情况下、在磁体位置和输出电压之间的关系。直线16代表图6c)的传感 器的特征线。图6b)的传感器的特征线不会产生一条完全线性的特征线，但也 近似。可以在此看到，特征线的线性化可以通过距离的变化来实现。

图8所示为本发明的传感器1”的又一实施例。第一导体2设计成圆形， 而第二导体3设计成与第一导体同心、施加于基底4上。此外，在导体的各侧 上配置软磁性膜5和6。第一导体2和3的接线端与确定测量物体位置的分析 电路17连接。在图9中，磁体7代表测量物体，其可沿环形路径移动。中央 测量头8与第二导体连接。图9所示的传感器适合于测量角度运动。测量原理 相应于前述的有关线性传感器。

图9所示为分析本发明传感器1的信号的分析电路17的另一实施例。图 4的传感器1由第一导体2和第二导体3形成并且具有位于第二导体3中间的 测量头8，该传感器在输入端上、也就是在第一导体2的接线端上被施加交流 电。为此，振荡器18经传感驱动器19向第一导体2提供两个互补的电压U₁和U₂。分配给测量物体的一个磁体7(图中未示)影响两软磁性膜5和6的磁 导率，该磁导率作为磁体7的位置变化的函数影响在第一导体2和第二导体3 之间的电磁耦合。

在第二导体3中感应的电压是互补的以经过两个二极管D₁和D₂形成电 路。在二极管D₁和D₂之间的连接点上连接电阻器R，其第二接线端与作为低 通滤波器的电容C连接，并且输出用作分析电路17的输出信号14。电容C 的第二接线端接地并且与第二导体3的测量头8连接。

由传感驱动器19产生的正弦交流电压产生电磁场，该电磁场经软磁性膜 5和6输入到第二导体3内。在那里感应的电压导致在如图6所示的中间位置 上的互补电压。如果磁体7移出该中间位置之外，则在由测量头8限定的第二 导体3的两个分段中感应不同的磁耦合，以致使在各分段中感应的电压发生变 化。这导致输出电压不为零，并且该输出电压在低通滤波后从分析电路17中 作为输出信号14被输出。建立了如图8中参考编号12所示的S型特征线。

关于本发明的传感器配置及方法的其它优选的实施例，请参照说明书的发 明内容部分以及所附的权利要求书，在此不作重复。

最后，应该明确地指出，以上所描述的本发明配置的具体实施例仅仅作为 示范性的说明，而并不意味受这些实施例的限制。

附图编号清单

1   传感器

2   第一导体

3   第二导体

4   基底

5   软磁性膜

6   软磁性膜

7   磁体

8   测量头

9   接线端

10  接线端

11  分段

12  运算放大器

13  求和装置

14  输出信号

15  非线性特征线

16  线性特征线

17  分析电路

18  振荡器

19  传感驱动器