在具有偏移斜率适应的霍尔传感器中磁控制场的温度补偿方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及一种用于检测磁场源相对于磁场传感器的相对位置的测量方法。通过 磁场传感器检测磁场的至少两个磁场分量。本发明进一步设及对应的位移传感器。
【背景技术】
[0002] 通过根据本发明的方法，特定而言旨在补偿基于霍尔效应的磁控制场对磁传感器 的输出信号的热致变动效应，自两个所检测的磁场分量与偏移斜率适应(OS适应)的商数建 立该输出信号。
[0003] =维(3D)霍尔传感器的测量原理基于在=个空间方向上建立磁通量密度向量B的 分量。如在图1中所绘示，磁场源1〇2(例如，永磁体)与W固定方式配置的3D霍尔传感器100 平行而移动。检测通量密度B在移动方向104上延伸的分量化及与分量化垂直的分量By及Bx (未在图1中绘示分量Bx)。若3D霍尔传感器100相对于永磁体102W合适的方式定向，则仅需 检测两个空间方向，此是因为磁场未给第=空间方向做出任意场贡献且因此为零。如在图1 中所绘示，接着将评估简化为通量密度分量By及化。
[0004] 图2展示根据永磁体102在移动方向104上的位置的所检测通量密度By及化的曲线 进展，该移动方向在图1中指示为Z轴。图1及图2中的位置Z = O对应于在霍尔传感器100及永 磁体102相对移动期间其等之间的间隔达到最小间隔值d的永磁体102的位置。在永磁体102 精确定位于霍尔传感器100前方时达成间隔d。
[0005] 参考通量密度分量化及By的值，可根据下列方程式计算磁通量密度B的值I B I及径 向分量By与通量密度B的向量之间的角a:
(1) (2)
[0008] 在图3及图4中说明归因于方程式（1)及(2)及在图1中所绘示的关于分量By及化的 值的值Ib I及角a的计算结果。
[0009] 可根据方程式(2)计算的角a大体上用作测量信号。特定言之，线性化角a的结果W 使其可用作位移比例输出信号OUT。在图5中说明此输出信号的实例为根据位置Z的百分比 信号。
[0010] 因为磁铁的磁控制场可随溫度范围改变(例如，现今现有在汽车工业中自-40°c至 150°C改变多达30%)，所W使用具有根据方程式(2)的内部反正切计算的3D霍尔传感器是 显著优势，归因于其溫度相对于磁场的独立性。
[0011] 作为来方程式（1)及(2)的结果，将控制磁铁的与溫度相关的磁场变动相似地插入 所测量的通量密度值By及化中。特定言之，方程式(2)导致角a与溫度无关的结果，此是因为 在比率计算化(T)比By(T)中缩减通量密度变动，如在方程式(3)中所说明： :(3)
[OOK] 其中km(T)是磁场的溫度因数，且Bz及By对应于针对预定参考溫度(例如，20°C)建 立于3D霍尔传感器中且在Z方向及Y方向上的通量密度。
[0014] 因此，作为在方程式(3)中缩减的结果，控制磁铁的热致磁场变动不对角值a的结 果具有任何影响。
[0015] 已公开的欧洲专利申请案EP 2159546 A2掲示一种用于检测霍尔传感器与永磁体 之间的线性相对移动的测量方法，该霍尔传感器检测两个互相垂直的磁场分量(R、A)。霍尔 传感器的输出信号根据关系y = a+b ? IVf ? (C ? r+d ? A")形成准线性位置测量曲线U=f (y)，其中R是径向场分量，A是轴向场分量，U是测量电压且a、b、c、d及n是常数因数。在此方 法中，（例如)通过溫度传感器可动态地将因数b调适为定标因数，使得可达成对于永磁体的 溫度系数的补偿。
[0016] 然而，上述的现有2D及3D霍尔传感器及测量方法具有下列缺点：其等W非常敏感 的方式对控制磁铁与霍尔传感器之间的间隔中的变动做出反应。（例如）因为机械振动或甚 至热致材料膨胀的间隔中的变动可显著影响霍尔传感器的测量的精确度。
[0017] 如在已公开的德国专利申请案DE 10 2011 115 302 Al中所描述，为克服在现有 测量方法中永久磁场与3D霍尔传感器之间的间隔d对角a的效应，或至少最小化该等效应， 发展具有偏移斜率适应(OS适应)的测量方法及对应的位移传感器。
[0018] 相较于具有内部反正切计算的现有3D霍尔传感器，具有OS适应的2D或3D霍尔传感 器使用不同的计算方法，所检测的磁场分量化比By的直接商数不用于计算测量信号或角曰， 而是在商数形成之前，通过常数偏移值来校正在移动方向上延伸的磁场分量化。偏移值OS 导致针对永磁体102与霍尔传感器100之间的不同间隔d(针对Z = Omm)的角a的曲线的斜率 同化。根据下列方程式来建立角a的校正值：
抖）
[0020] 为获得针对OS适应的足够效应，大体上将偏移值OS界定于磁场分量化值的自20% 至60%。可通过DE 10 2011 115 302 Al中描述的方法的一者来建立OS值。因此，在此实例 中省略详细描述。
[0021] 然而，使用具有OS适应的评估方法可通过控制磁铁的磁场导致对反正切计算的溫 度表现的负面影响。尽管针对磁场溫度T的所检测的磁场分量Bz及By的值被控制磁铁的相 同热变动影响，然而由缩减根据方程式(4)的具有OS适应的商数计算不再提供溫度补偿。
[0022] 取决于在方程式(4)中的个别项的关系，产生高达12%的与溫度相关的额外误差， 此对于3D霍尔传感器的测量精确度而言是不可接受的。
[0023] 因此，为能够完整利用具有OS适应的评估表现，绝对需要磁控制场对磁传感器的 测量信号的溫度效应的补偿。
【发明内容】
[0024] 因此，本发明的目标是改良已提及的类型的测量方法及位移传感器使得通过尽可 能大的溫度范围产生与溫度无关的测量信号。此外，磁场源与磁场传感器之间的间隔变动 应尽可能不影响该测量信号。
[0025] 此目标由独立专利请求项的标的达成。附属请求项关于根据本发明的方法及位移 传感器的有利发展。
[0026] 本发明基于下列构想:不直接将所测量的场分量用于反正切计算而是补偿控制磁 铁对所检测的磁场分量的值的溫度效应且将OS适应方法应用至经溫度补偿的磁场分量。
【附图说明】
[0027] 为更好了解本发明，参考随附的附图中所绘示的实施例更详细地解释本发明。使 用相同参考数字及相同组件标识指代相同组件。此外，来自所展示及所描述的不同实施例 的一些特征或特征组合也可是独立解决方案、发明解决方案或根据本发明的解决方案本 身。在图示中：
[0028] 图1展示根据本发明的其信号可经评估的位移传感器；
[0029] 图2展示根据永磁体在线性移动方向上的位置Z，通过根据图1的位移传感器检测 的磁场分量By及Bz在y方向及Z方向上的路径；
[0030] 图3展示根据永磁体的位置的磁场或磁通量密度B的值IbI的路径，其自图2中所绘 示的磁场分量By及化与方程式(2)计算；
[0031] 图4展示作为永磁体在线性移动方向Z上的位置的函数的角a及自角a计算的经线 性化的角〇_1111的路径；
[0032] 图5展示当使用偏移斜率适应时根据图1的位移传感器的特性线的路径；
[0033] 图6展示作为溫度的函数的根据本发明的磁场源材料的磁场因数km(T)的特性线、 溫度补偿因数kc(T)的特性线及溫度因数km(T)与溫度补偿因数kc(T)之间的关系的路径。
【具体实施方式】
[0034] 下文最初参考图1至图7将更详细地解释本发明。出于简易的目的，下文仅将磁通 量密度称为磁场。
[0035] 图1中展示根据本发明的位移传感器配置。磁场传感器(例如，3D霍尔传感器100) 经安装W固定于位置中，然而永磁体102经配置W可相对于霍尔传感器100线性移动。永磁 体102具有使得其的北/南轴线平行于移动方向104定向的此等极。然而，原则上，也可将本 发明的原理应用至其中永磁体102具有使得其的北/南轴线相对于移动方向横向延伸的此 等极的配置。可使永磁体102在两个方向上自图1中所展示的零位置位移(例如)大约30mm。 霍尔传感器100检测至少两个正交磁场分量一一者沿着移动线延伸且一者相对于其横向延 伸。将角a界定为由总磁场向量B及移动方向104的垂线所围封的角。
[0036] 如已提及，在既有的具有OS适应的测量方法中，根据方程式(4)自分别沿着及横向 于移动方向检测的磁场分量化及By计算角a〇s:
(4)
[0038]根据本发明，根据方程式(4)的两个检测的分量Bz与By的商数的反正切不被用作 测量信号，而是在建立输出信号之前补偿永磁体102对所产生的分量Bz及By的值的溫度效 应。
[0039]在第一实施例中，基于与溫度相关的溫度补偿因数kc(T)建立针对永磁体102的给 定溫度T的由磁场传感器100测量的磁场分量化(T)及By(T)的溫度补偿值。宜产生下列方程 式(5)用于计算具有溫度补偿的角a〇s_TK:
(已）
[0041] 其中，使所测量的磁场分量化(T)及By(T)乘W溫度补偿因数kc(T)。
[0042] 接着将OS适应应用至磁场分量的经溫度补偿值kc(T)XBz(T)。如在方程式（5)中 所说明，可通过加上常数偏移值OS来校正经补偿磁场分量kc (T) X化(T)。
[0043] 可通过在专利申请案DE 10 2011 115 302 Al中所描述的具有OS适应的方法的一 者来建立偏移值0S。例如，可通过下列步骤，针对磁场源102的预定参考溫度建立偏移值:针 对磁场源102在移动方向上的大量位置，建立磁场分量的曲线；计算相对于磁场源102的位 置的曲线的二阶导数;建立该二阶导数的零位置;及自磁场源102与磁场传感器100之间的 最小间隔的位置上的函数值减去在零位置上的曲线的函数值，W计算偏移校正量的值。
[0044] 如下文所描述，调适溫度补偿因数kc(T) W补偿磁场的热致变动。市面上有售的磁 铁的磁场溫度表现严格取决于材料且因此可相对容易予W描述。通常，通过材料的溫度系 数TKmagnet描述磁铁的溫度表现。溫度系数TKmagnet描述根据溫度相对于固定参考溫度的改变 的磁通量密度值的相对改变。因此，若溫度增加l〇〇°C (或绝对溫度），则-0.1 %/°C的溫度系 数TKmagnet对应于磁通量密度B的10 %之一减少。
[0045] 也可通过下列永磁体102的溫度系数TKmagnet及溫度T的线性函数表达与溫度相关 的磁场因数km(T):
㈱
[0047]其中使用20°C的参考溫度。
[004引包括NdFeB材料的磁铁具有（例如）通常TKmagnet = -O. 11%/°C的溫度系数。针对包 括此等材料的控制磁铁，函数(6)导致(例如)下列与溫度相关的磁场因数值：
[0049] 溫度T:磁场因数km(T):
[0050] -40°C km(-40°C) = 1.066
[0051] +20°C km(20°C) =