專利名稱：用于磁化可磁化元件的裝置和傳感器設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于磁化可磁化元件的裝置、傳感器設(shè)備、磁化可磁化 元件的方法，以及確定可運動物體的物理參數(shù)信息的方法。本發(fā)明尤其涉 及用于測量角位置和軸向位置的棋盤編碼以及測量機械力。
背景技術(shù)：
磁換能器技術(shù)應(yīng)用在扭矩和位置的測量中。特別是對于軸中的或任 何進行扭轉(zhuǎn)或線性運動的其它部件中的扭矩的非接觸測量，進行了磁換能 器技術(shù)的研究。旋轉(zhuǎn)的或往復(fù)運動的元件可以設(shè)置有磁化區(qū)域，即磁編碼 區(qū)域，當(dāng)軸旋轉(zhuǎn)或往復(fù)運動時，這種磁編碼區(qū)域在磁場檢測器(如電磁線 圏)中產(chǎn)生特征信號，以使得能夠確定軸的扭矩或位置。
例如，在編號為WO 02/063262的專利文件中>^開了這種類型的傳感器。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種用于磁化可磁化元件的有效裝置、 一種 有效的傳感器設(shè)備、 一種磁化可磁化元件的有效方法，以及一種確定可運 動物體的物理參數(shù)信息的有效方法。
該目的可以通過提供根據(jù)獨立權(quán)利要求的一種用于磁化可磁化元 件的裝置、 一種傳感器設(shè)備、 一種磁化可磁化元件的方法，以及一種確定 可運動物體的物理參數(shù)信息的方法來實現(xiàn)。
才艮據(jù)本發(fā)明的示例性實施例，提供了一種用于磁化可磁化元件以生 成磁編碼區(qū)域的裝置，該裝置包括用于電耦合可磁化元件的至少兩個不 同部分的電耦合元件，以及連接到電耦合元件、并適于將至少兩個不同電才艮據(jù)本發(fā)明的示例性實施例，提供了 一種用于確定可運動物體的至
少一個物理M信息的傳感器設(shè)備，該傳感器設(shè)備包括設(shè)置于可運動物 體上的至少兩個磁編碼區(qū)域、至少兩個磁場檢測器，以及物理^f^t信息確 定單元，其中，當(dāng)隨可運動物體運動的所述至少兩個磁編碼區(qū)域通過所述
至少兩個磁場檢測器的周圍區(qū)域時，所述至少兩個磁場檢測器用于檢測由 所述至少兩個磁編碼區(qū)域生成的信號。而且，物理M信息確定單元用于 根據(jù)檢測的信號確定可運動物體的至少 一個物理M信息。
根據(jù)本發(fā)明的另一個示例性實施例，提供了一種用于磁化可磁化元 件以生成磁編碼區(qū)域的方法，該方法包括以下步驟將可磁化元件的至少 兩個不同部分電耦合到電信號供應(yīng)單元，以及借助于該電信號供應(yīng)單元將 至少兩個不同的電信號耦合到所述至少兩個不同部分，以在該可磁化元件 的所述至少兩個不同部分中生成至少兩個不同的磁編碼區(qū)域。
才艮據(jù)本發(fā)明的另 一個示例性實施例，提供了 一種用于確定可運動物 體的物理參數(shù)信息的方法，該方法包括當(dāng)隨可運動物體運動的至少兩個 磁編碼區(qū)域通過至少兩個磁場檢測器的周圍區(qū)域時，借助于所述至少兩個 磁場檢測器來檢測由所述至少兩個磁編碼區(qū)域生成的信號。而且，該方法 包括根據(jù)檢測的信號來確定可運動物體的物理參數(shù)信息。
才艮據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供了一種用于磁化可磁化元件以生成磁 編碼區(qū)域的方案，其中，多個不同的電耦合元件被耦合到將被磁化的物體 的表面上的不同部分。對于每個部分，可以分別采用獨立的磁化方案，例 如電流或電壓。因此，對將被磁化的物體的不同表面區(qū)域可以設(shè)置在磁場 強度、極性等方面不同的磁編碼區(qū)域。相信這將允許建立磁化物體的用戶 定義的磁化的表面結(jié)構(gòu)，使得能夠靈活地生成期望的磁場信號圖案。
本發(fā)明的一個特征是由磁編碼區(qū)域限定的結(jié)構(gòu)可以充分展示每種 期望的形式。特別地，可磁化元件中生成的磁場的結(jié)構(gòu)可以是非均勻的， 即該結(jié)構(gòu)不必關(guān)于可>^化元件是均勻的。而且，該結(jié)構(gòu)關(guān)于可磁化元件可 以是放射狀的、軸向的或切向的設(shè)置。
下文將描述用于磁化可磁化元件的裝置的其它示例性實施例。然 而，這些實施例還適用于傳感器設(shè)備，適用于磁化可磁化物體的方法以及 確定可運動物體的物理參數(shù)信息的方法。
根據(jù)示例性實施例，耦合元件可以被設(shè)計為接觸元件，即適于被連 接到可磁化元件并形成歐姆接觸的元件。根據(jù)本發(fā)明的示例性實施例，提供了一種用于磁化可磁化元件以生成磁編碼區(qū)域的裝置，該裝置包括用 于電接觸可磁化元件的至少兩個不同部分的電連接元件，以及連接到該電 連接元件、并用于將至少兩個不同電信號施加到所述至少兩個不同部分以 在該可磁化元件的所述至少兩個不同部分中生成至少兩個不同的磁編碼 區(qū)域的電信號供應(yīng)單元。
根據(jù)又一個示例性實施例，耦合元件被設(shè)計為非歐姆元件，即這樣 的元件，其用于以電感或電容的方式來將信號引入可磁化元件而不進行直 接的歐姆接觸，例如以接近于可磁化元件而布置的導(dǎo)線的形式。根據(jù)該實 施例，電耦合元件是適于被以非歐姆方式連接到至少兩個不同部分的電非 歐姆元件，且電信號供應(yīng)單元用于將至少兩個不同信號以非歐姆方式引入 到所述至少兩個不同的部分中。該非歐姆耦合可以是電感式耦合和/或電 容式耦合。當(dāng)釆用電容式耦合時，采用多個電信號使得可以增加磁編碼區(qū) 域的可用的磁化是有益的。
根據(jù)該裝置的再一個示例性實施例，電耦合元件是,皮i殳置為與可磁 化元件的軸平行的導(dǎo)線。
根據(jù)該裝置的另一個示例性實施例，其中，電耦合元件是被i殳置為 與可磁化元件的軸相切的導(dǎo)線。
使用導(dǎo)線作為電耦合元件提供了采用電感方式對可磁化元件進行 編碼的有效途徑。導(dǎo)線可以關(guān)于可磁化元件的縱軸平行、切向或軸向地設(shè) 置。這樣，可以生成放射狀、軸向或切向方向的磁編碼區(qū)域。
根據(jù)該裝置的又一個示例性實施例，所述至少兩個不同電信號的強 JLij^目等，即，采用電流值基本相等的電信號。在這種情況下，優(yōu)選地， 這兩個不同的電信號在施加到電耦合元件的電流的方向上不同。
根據(jù)該裝置的另一個示例性實施例，電耦合元件裙:設(shè)置于第一電耦 合元件組和第二電耦合元件組中，其中，預(yù)定強度的電信號被施加到第一 組的電耦合元件上，且具有該預(yù)定強度的電信號被施加到第二組的電耦合 元件上，其中被施加到第一組的信號具有與被施加到第二組的信號相反的 方向。
根據(jù)該裝置的又一個示例性實施例，在第一組的每兩個電耦合元件 之間設(shè)置第二組的一個電耦合元件，即，第一組和第二組的電耦合元件沿 可磁化元件的圓周或沿可磁化元件的縱軸以交替順序設(shè)置。
根據(jù)該裝置的再一個示例性實施例，耦合元件圍繞可磁化元件被等間隔地設(shè)置，或不等間隔地設(shè)置，或以對數(shù)關(guān)系間隔設(shè)置。存在一些可以 被引入可磁化元件的非均勻結(jié)構(gòu)，即非均勻場編碼的實例。
可以對電連接元件進行連接以形成電連接元件組，其中每個電連接 元件組可以被分配給所述至少兩個不同部分中的相應(yīng)的一個，其中電連接 元件組中的至少一個電連接元件用于將相應(yīng)的電信號從電信號供應(yīng)單元 導(dǎo)向到相應(yīng)的部分，并且電連接元件組中的至少一個電連接元件用于將相 應(yīng)的電信號^目應(yīng)的部分導(dǎo)向電信號供應(yīng)單元。
通過采取這種措施，可磁化元件的不同部分可以被獨立,化，基 本不受相鄰部分磁化特性的干擾?？梢酝瑫r或相繼地進行不同部分的磁 化。因此，甚至復(fù)雜的磁場特性圖案也可以在將被磁化的物體表面上生成。
特別地，可以以可運動物體的至少兩個部分中的變化的磁場強度和
該裝置可以用于磁化管狀的可磁化元件，使得在該可磁化元件表面 的平面投影中，磁編碼區(qū)域的磁場強度和/或極性可以形成棋盤狀結(jié)構(gòu)。 棋盤狀結(jié)構(gòu)是被引入到可磁化元件中的磁場的非均勻結(jié)構(gòu)的實例，但U 本上每種期望的圖案都可以被生成。
因此，具有不同極性和不同強度的不同區(qū)域可以彼此相鄰。例如， 棋盤的"黑，，場可以由具有正極性的部分形成，棋盤的"白，，場可以由具 有負極性的部分形成。
在示例性的實施例中，在根據(jù)本發(fā)明的裝置中，使得根據(jù)將第一電 流脈沖施加到可磁化元件上的制造步驟可以制造至少兩個磁編碼區(qū)域，其 中施加第 一 電流脈沖，使得在沿可磁化元件的縱軸的第 一 方向上存在第一 電流，其中施加第一電流脈沖，4吏得該電流脈沖的施加生成可磁化元件的 所述至少兩個磁編碼區(qū)域之一 。
根據(jù)另 一個示例性實施例，該裝置還用于將第二電流脈沖施加到各 部分上，以及施加該第二電流脈沖，〗吏得在沿各部分的縱軸的第二方向上 存在第二電流。
才艮據(jù)又一個示例性實施例，在該裝置中，4吏得第一電流脈沖和第二 電流脈沖中的每一個都具有上升沿和下降沿，其中上升沿比下降沿陡(參
照圖30、 35)。
根據(jù)該裝置的又一個示例性實施例，第一方向與第二方向相反。根據(jù)再一個示例性實施例，該裝置還包括多個電信號供應(yīng)單元，其 中每個電信號供應(yīng)單元用于將電信號施加到指定的一個部分上。
才艮據(jù)又一個示例性實施例，該裝置還包括用于將電信號施加到所有 部分上的單個電供應(yīng)單元。
根據(jù)又一個示例性實施例，該裝置還包括用于接觸可磁化元件的a 個不同部分的電耦合元件，其中"=2","6^,即，n是正整數(shù)。
在下文中，將描述傳感器i殳備的其它示例性實施例。然而，這些實 施例也適用于磁化可磁化元件的裝置，適用于磁化可磁化物體的方法以及 確定可運動物體的物理參lt信息的方法。
根據(jù)示例性實施例，傳感器設(shè)備包括設(shè)置于可運動物體上的ot個磁 編碼區(qū)域，其中"=2","eTV ,還包括P個磁場檢測器，其中
〃 ={^〃|^>0}， p(,)-int()，w W 。即，該傳感器設(shè)備包括偶數(shù)個磁編
碼區(qū)域。而且，該傳i器設(shè)備"包括多個磁場檢測器，其中磁場檢測器的數(shù) 量取決于磁編碼區(qū)域的數(shù)量。
對于每種數(shù)量的磁編碼區(qū)域，可以選擇幾種數(shù)量的磁場檢測器，其 中磁場檢測器的數(shù)量不能是一，且和磁編碼區(qū)域的數(shù)量不同。而且，排除
了所謂的"完整因子(unbroken factor)"的磁編碼區(qū)域數(shù)量。例如，對 于8個磁編碼區(qū)域來說，可能的磁場檢測器數(shù)量是三個、五個、六個、七 個、九個、十個、十一個等等。排除了二和四這兩個數(shù)量值，因為這些數(shù) 量值是八的完整因子。通過選擇磁編碼區(qū)域數(shù)量和磁場檢測器數(shù)量之間的 這種關(guān)系，可以防止很難解釋或甚至不可能解釋的模糊測量。這可能是因 為每個磁場檢測器可以測量不同信號或至少可以及時測量該信號的不同 動作，因為每個磁場檢測器可以^t置在磁編碼區(qū)域的不同部分中。因此， 當(dāng)可運動物體旋轉(zhuǎn)時，每個磁場檢測器可以發(fā)現(xiàn)信號的變化，這些信號可 以及時地由磁編碼區(qū)域在不同點引入到該磁場檢測器中。
根據(jù)傳感器設(shè)備的另一個示例性實施例，所述至少一個物理參fc^ 從由下述組成的組中選擇的可運動物體的位置、施加到可運動物體上的 扭矩、施加到可運動物體上的拉力、施加到可運動物體上的彎曲力、施加 到可運動物體上的剪力、施加到可運動物體上的動態(tài)力、可運動物體的速 度、可運動物體的角位置、可運動物體的速度信息，以及可運動物體的功 率。
根據(jù)傳感器設(shè)備的又一個示例性實施例，物理#信息確定單元包括信號調(diào)節(jié)和信號處理單元，該信號調(diào)節(jié)和信號處理單元與至少三個磁場 檢測器耦合，并用于處理檢測到的信號和生成經(jīng)過處理的檢測信號。
根據(jù)傳感器設(shè)備的一個示例性實施例，物理參數(shù)信息確定單元還包
括第一確定元件和濾波器元件，其中第一確定元件用于才艮據(jù)經(jīng)過處理的 檢測信號提供指示信號，該指示信號表示第 一物理參數(shù)信息并且作為濾器 信號被傳遞到濾波器元件。而且，濾波器元件用于根據(jù)經(jīng)過處理的檢測信 號和濾波器信號提供表示第二物理M信息的輸出信號。
通過將由磁場檢測器的信號確定的第一物理參數(shù)作為用于檢測第 二物理M的濾波器信號，提供了 一種用于確定該第二物理M的有效方 法。特別地，可以以良好的可靠性確定該第二物理M的值。
才艮據(jù)傳感器設(shè)備的又一個示例性實施例，第一物理^fcl可運動物 體的速度信息和/或第二物理^是動態(tài)力。
采用關(guān)于可運動物體的速度信息可能是合適的信息，當(dāng)要確定施加 到可運動物體上的動態(tài)力時，該信息可以被用作濾波器元件的輸入。
根據(jù)傳感器設(shè)備的又一個示例性實施例，物理M信息確定單元還 包括用于對濾波器元件的輸出信號進行整流的整流器。
結(jié)合附圖，根據(jù)下述說明和隨附的權(quán)利要求，本發(fā)明的上述和其它 方面、目的、特征和優(yōu)點將變得明顯，其中在附圖中相同的部分或元件由 相同的附圖標(biāo)記表示。


所包含的附圖作為說明書的一部分提供了對本發(fā)明的進一步理解， 其說明了本發(fā)明的示例性實施例。然而，這些附圖并不旨在將本發(fā)明的范 圍限制在附圖中描述的明確的實施例中。特別地，結(jié)合一個示例性實施例 描述的特征也可以結(jié)合另一個示例性實施例應(yīng)用。
圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的示例性實施例的具有傳感器元件的扭矩傳 感器，其用于說明制造根據(jù)本發(fā)明的示例性實施例的扭矩傳感器的方法；
圖2a示出了根據(jù)本發(fā)明的扭矩傳感器的傳感器元件的示例性實施 例，其用于進一步說明本發(fā)明的原理和本發(fā)明的制造方法的示例性實施例 的一個方面；
圖2b示出了沿圖2a中AA，線截取的截面圖；圖3a示出了才艮據(jù)本發(fā)明的扭矩傳感器的傳感器元件的另一個示例 性實施例，其用于進一步說明本發(fā)明的原理和制造才艮據(jù)本發(fā)明的扭矩傳感 器的方法的示例性實施例；
圖3b示出了沿圖3a中BB，線截取的截面圖4示出了依照根據(jù)本發(fā)明的示例性實施例的方法制造的圖2a和 3a中扭矩傳感器的傳感器元件的截面圖5示出了根據(jù)本發(fā)明的扭矩傳感器的傳感器元件的另一示例性實 施例，其用于進一步說明制造根據(jù)本發(fā)明的扭矩傳感器的制造方法的示例 性實施例；
圖6示出了才艮據(jù)本發(fā)明的扭矩傳感器的傳感器元件的另一示例性實 施例，其用于進一步說明才艮據(jù)本發(fā)明的扭矩傳感器的制造方法的示例性實 施例；
圖7示出了用于進一步說明制造根據(jù)本發(fā)明的扭矩傳感器的方法的 示例性實施例的流程圖8示出了用于進一步說明根據(jù)本發(fā)明的示例性實施例的方法的電 流與時間的關(guān)系圖9示出了根據(jù)本發(fā)明的扭矩傳感器的傳感器元件的另一個示例性 實施例，其具有根據(jù)本發(fā)明的示例性實施例的電極系統(tǒng)；
圖10a示出了才艮據(jù)本發(fā)明的扭矩傳感器的另一個示例性實施例，其 具有根據(jù)本發(fā)明的示例性實施例的電極系統(tǒng)；
圖10b示出了借助于圖10a中的電極系統(tǒng)施加電流沖擊后，圖10a 中的傳感器元件；
圖11示出了用于根據(jù)本發(fā)明的扭矩傳感器的扭矩傳感器元件的另 一個示例性實施例；
圖12為才艮據(jù)本發(fā)明的另一個示例性實施例的扭矩傳感器的傳感器 元件的示意圖，其示出了兩個磁場可以存在于軸中并且以首尾相連的環(huán)形 延伸；
圖13是用于說明PCME感測技術(shù)的另一個示意圖，其利用依照根
據(jù)本發(fā)明的制造方法生成的兩個反向環(huán)或磁場環(huán)路；
圖14示出了用于說明當(dāng)沒有;W^應(yīng)力施加于根據(jù)本發(fā)明的示例性實施例的傳感器元件時，磁通線(magnetic flux line)以其原始3g^延伸 的另一個示意圖15是用于進一步說明本發(fā)明的示例性實施例的原理的另一個示
意圖16是用于進一步說明本發(fā)明的示例性實施例的原理的又一個示
意圖17-22是用于進一步說明本發(fā)明的示例性實施例的原理的示意
圖23是用于進一步說明本發(fā)明的示例性實施例的原理的再一個示
意圖24、 25和26是用于進一步說明本發(fā)明的示例性實施例的原理的 示意圖27是用于"^兌明電流脈沖的電流與時間的關(guān)系圖，該電流脈沖可 以被施加于根據(jù)本發(fā)明的示例性實施例的制造方法的傳感器元件；
圖28示出了根據(jù)本發(fā)明的示例性實施例的輸出信號與電流脈沖長 度的關(guān)系圖29示出了根據(jù)本發(fā)明的示例性實施例的包含電流脈沖的電流與 時間的關(guān)系圖，該電流脈沖可以施加于才艮據(jù)本發(fā)明的方法的傳感器元件；
圖30示出了另一個電流與時間的關(guān)系圖，其示出了施加于傳感器 元件的電流脈沖的優(yōu)選實施例，該傳感器元件例如是才艮據(jù)本發(fā)明的示例性 實施例的方法的軸；
圖31示出了才艮據(jù)本發(fā)明的示例性實施例的信號和信號效率與電流 的關(guān)系圖32是根據(jù)本發(fā)明的示例性實施例的具有優(yōu)選PCME電流密度的 傳感器元件的截面圖33示出了才艮據(jù)本發(fā)明的示例性實施例的傳感器元件的截面圖， 以及在不同的且增加的脈沖電流電平時的電脈沖電流密度；
圖34a和34b示出了在根據(jù)本發(fā)明的傳感器元件中利用不同的磁流 量(magnetic flows )的不同電流脈沖實現(xiàn)的間隔；
圖35示出了可以施加于才艮據(jù)本發(fā)明的示例性實施例的傳感器元件的電流脈沖的電流與時間關(guān)系圖36示出了到才艮據(jù)本發(fā)明的示例性實施例的傳感器元件的電多點
連接；
圖37示出了具有彈簧加載式接觸點以將電流脈沖施加到根據(jù)本發(fā) 明的示例性實施例的傳感器元件上的多通道電連接固定裝置；
圖38示出了具有增加數(shù)量的電連接點的根據(jù)本發(fā)明的示例性實施 例的電極系統(tǒng)；
圖39示出了圖37中電極系統(tǒng)的示例性實施例；
圖40示出了用于+艮據(jù)本發(fā)明的示例性實施例的方法的軸處理支撐
夾；
圖41示出了才艮據(jù)本發(fā)明的傳感器元件的雙場編碼區(qū)域；
圖42示出了才艮據(jù)本發(fā)明的示例性實施例的順序雙場編碼處理步驟；
圖43示出了才艮據(jù)本發(fā)明的另一個示例性實施例的雙場編碼的另一 處理步驟；
圖44示出了說明才艮據(jù)本發(fā)明的另一個示例性實施例的施加了電流 脈沖的傳感器元件的另 一個示例性實施例；
圖45示出了用于描述當(dāng)沒有施加應(yīng)力時根據(jù)本發(fā)明的傳感器元件 中磁通量方向的示意圖46示出了施加力時，圖45中傳感器元件的磁通量方向；
圖47示出了改變施加的扭矩方向時，圖45中PCM編碼的軸內(nèi)部 的磁通量；
圖48示出了才艮據(jù)本發(fā)明的示例性實施例的6通道同步脈沖電流驅(qū) 動器系統(tǒng)；
圖49示出了根據(jù)本發(fā)明的另一個示例性實施例的電極系統(tǒng)的簡化
視圖50是根據(jù)本發(fā)明的示例性實施例的傳感器元件的視圖51 ;UL據(jù)本發(fā)明的傳感器元件的另一個示例性實施例，其具有 包含兩個限制場(pinning field )區(qū)域的PCME處理感測區(qū)域；
圖52是用于說明用于制造具有編碼區(qū)域和限制區(qū)域(pinningregion )的傳感器元件的根據(jù)本發(fā)明的示例性實施例的制造方法的示意 圖53是依照根據(jù)本發(fā)明的示例性實施例的制造方法制造的根據(jù)本 發(fā)明的示例性實施例的傳感器元件的另 一個示意圖54是用于進一步說明本發(fā)明的示例性實施例的筒化示意圖55是用于進一步說明本發(fā)明的示例性實施例的另一個筒化示意
圖56示出了發(fā)動機變速箱中根據(jù)本發(fā)明的示例性實施例的扭矩傳 感器的應(yīng)用；
圖57示出了根據(jù)本發(fā)明的示例性實施例的扭矩傳感器；
圖58示出了根據(jù)本發(fā)明的示例性實施例的非接觸式扭矩傳感設(shè)備 的部件的示意性:^兌明；
圖59示出了根據(jù)本發(fā)明的示例性實施例的感測設(shè)備的部件；
圖60示出了才艮據(jù)本發(fā)明的示例性實施例的連同傳感器元件的線圈
布置；
圖61示出了根據(jù)本發(fā)明的示例性實施例的單通道傳感器電子設(shè)備；
圖62示出了根據(jù)本發(fā)明的示例性實施例的雙通道短路保護系統(tǒng)；
圖63示出了才艮據(jù)本發(fā)明的另一個示例性實施例的傳感器；
圖64示出了才艮據(jù)本發(fā)明的示例性實施例的次傳感器單元組件的示 例性實施例；
圖65示出了才艮據(jù)本發(fā)明的示例性實施例的主傳感器和次傳感器的 幾何布置的兩種配置；
圖66是用于說明次感器單元和傳感器主機之間的間隔優(yōu)選地盡可 能小的示意圖67是示出了主傳感器編碼裝置的實施例；
圖68A示出了根據(jù)本發(fā)明的示例性實施例的用于磁化可磁化物體的
裝置；
圖68B示出了根據(jù)圖68A被磁化的可磁化物體的表面的棋盤狀結(jié)
構(gòu)；圖69示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明的示例性實施例的傳感器設(shè)備；
圖7G tf意性地" f出了可逸動物體的截面圖;
圖71示意性地示出了編碼技術(shù)的示例性實施例；
圖72示意性地示出了由MFS設(shè)備獲得的信號的圖73示意性地示出了編碼技術(shù)的示例性實施例；
圖74示意性地示出了使用用于編碼的一條導(dǎo)線實現(xiàn)的磁化；
圖75示意性地示出了使用用于編碼的四條導(dǎo)線實現(xiàn)的磁化；
圖76示意性地示出了另 一種示例性的導(dǎo)線^:置；
圖77示意性地示出了磁場傳感器的示例性實施例；
圖78示意性地示出了編碼技術(shù)的示例性實施例；
圖79示意性地示出了編碼技術(shù)的另一個示例性實施例；
圖80示意性地示出了磁場傳感器的示例性放置；
圖81示意性地示出了磁場檢測器的示例性放置的輸出信號的圖82示意性地示出了磁場檢測器的其它示例性放置的輸出信號的
圖83示意性地示出了四個磁場檢測器的放置的兩種選擇； 圖84示意性地示出了編碼技術(shù)的示例性實施例。
具體實施例方式
下面將詳細i兌明本發(fā)明的幾個示例性實施例，其中結(jié)合一個實施例 說明的特征也可以用于其它實施例。
一方面，本發(fā)明涉及具有傳感器元件或例如軸的可運動物體的傳感 器，其中傳感器元件根據(jù)下述制造步驟來制造
-將第一電流脈沖施加于傳感器元件；
-其中，施加第一電流脈沖以使得在沿該傳感器元件的縱軸的第一方向上 有第一電流；
-其中，第 一 電流脈沖4吏得該電流脈沖的施加在傳感器元件中生成磁編碼 區(qū)域。根據(jù)本發(fā)明的另 一個示例性實施例，還有第二電流脈沖施加于該傳 感器元件上。施加該第二電流脈沖以^f吏得在沿傳感器元件的縱軸的方向上 有第二電流。
根據(jù)本發(fā)明的又一個示例性實施例，第 一 電流脈沖和第二電流脈沖 的方向彼此相反。并且，根據(jù)本發(fā)明的再一個示例性實施例，第一電流脈 沖和第二電流脈沖中的每一個都具有上升沿和下降沿。優(yōu)選地，上升沿比 下降沿陡。
相信根據(jù)本發(fā)明的示例性實施例的電流脈沖的施加能夠在傳感器 元件中產(chǎn)生磁場結(jié)構(gòu)，4吏得在傳感器元件的截面圖中，存在具有第一方向 的第 一 圓形磁流量和具有第二方向的第二磁流量。第 一磁流量的半徑大于 第二磁流量的半徑。在具有非圓形橫截面的軸中，磁流量不必是圓形的， 但是可以具有基本上對應(yīng)于且適合于相應(yīng)傳感器元件的橫截面的形狀。
的傳感器^件上，則在外部就沒有磁場或基本上沒有可檢^到的磁場。當(dāng) 將扭矩或力施加到傳感器元件上時，就會存在傳感器元件發(fā)出的磁場，該 磁場可以借助于適當(dāng)?shù)木€圏而被檢測到。下面將對其進行更加詳細的描 述。
根據(jù)本發(fā)明的示例性實施例的扭矩傳感器具有圍繞傳感器元件的 核心區(qū)域的圓周表面。在圓周表面的第一位置處將第一電流脈沖引入傳感 器元件，使得在傳感器元件的核心區(qū)域中存在第一方向上的第一電流。該 第一電流脈沖在圓周表面的第二位置處從傳感器元件流出。第二位置與第 一位置在第一方向上相距一粉巨離。根據(jù)本發(fā)明的示例性實施例，在圓周 表面的第二位置或與第二位置相鄰的位置上，將第二電流脈沖$ 1入傳感器 元件，〗吏得在傳感器元件的核心區(qū)域或與該核心區(qū)域相鄰的位置存在第二 方向上的第二電流。該第二電流可以在圓周表面的第一位置或與第一位置 相鄰的位置處從傳感器流出。
如上所述，根據(jù)本發(fā)明的示例性實施例，傳感器元件可以是軸。該 軸的核心區(qū)域可以沿軸的縱向在軸內(nèi)延伸，使得核心區(qū)域圍繞軸的中心。 軸的圓周表面為軸的外表面。第 一位置和第二位置是軸外部相應(yīng)的圓周區(qū) 域?？梢源嬖谟邢迶?shù)量的構(gòu)成這種區(qū)域的接觸部分。優(yōu)選地，真正的接觸 區(qū)域可以例如通過提供由銅環(huán)制成的作為電極的電極區(qū)域來設(shè)置。并且， 導(dǎo)體芯可以繞軸纏繞，以提供例如線纜的導(dǎo)體與軸之間的無隔離的良好電 接觸。根據(jù)本發(fā)明的示例性實施例，第 一電流脈沖以及優(yōu)選地第二電流脈 沖不在傳感器元件的端面上施加于傳感器元件。第一電流脈沖的最大值可
以處于40安培和1400安培之間，或者處于60安培和800安培之間，或 者處于75安培和600安培之間，或者處于80安培和500安培之間。電流 脈沖可以具有使得對傳感器元件產(chǎn)生合適編碼的最大值。然而，由于可能 釆用不同的材料并且傳感器元件的形狀和尺寸不同，因此可以才艮據(jù)這些參 數(shù)調(diào)節(jié)電流脈沖的最大值。第二脈沖的最大值可以類似于第一最大值，或 者比第一大值約小10%、 20%、 30%、 40%或50%。然而，第二脈沖也 可以具有更大的最大值，例如比第一最大值大10%、 20%、 40%、 50%、 60%或80%。
這些脈沖的持續(xù)時間可以是相同的。然而第一脈沖可能具有比第二 脈沖長的多的持續(xù)時間。然而，第二脈沖也可以具有比第一脈沖長的持續(xù) 時間。
第 一 電流脈沖和/或第二電流脈沖具有從脈沖開始到最大值的第一 持續(xù)時間，和從最大值到基本上脈沖結(jié)束的第二持續(xù)時間。根據(jù)本發(fā)明的 示例性實施例，第一持續(xù)時間遠大于第二持續(xù)時間。例如，第一持續(xù)時間 可以短于300ms，而第二持續(xù)時間長于300ms。然而，第一持續(xù)時間也可 以短于200ms,而第二持續(xù)時間長于400ms。并且，才艮據(jù)本發(fā)明的另一個 示例性實施例，第一持續(xù)時間可以處于20ms和150ms之間，而第二持續(xù) 時間可以處于180ms和700ms之間。
如上所示，可以施加多個第一電流脈沖，也可以施加多個第二電流 脈沖。傳感器元件可以由鋼制成，而鋼中可以包舍緣。用于主傳感器或傳 感器元件的傳感器材料可以是如DIN 1.2721或1.4313或1.4542或1.2787 或1.4034或1.4021或1.5752或1.6928中的50NiCrl3或X4CrNil3-4或 X5CrNiCuNbl6-4或X20CrM17畫4或X46Crl3或X20Crl3或14NiCrl4 或S155。
可以借助于具有至少第一電極和第二電極的電極系統(tǒng)來施加第一 電流脈沖。第一電極位于第一位置或相鄰于第一位置的位置上，第二電極 位于第二位置或相鄰于第二位置的位置上。
根據(jù)本發(fā)明的示例性實施例，第一電極和第二電極中的每一個都具 有多個電極銷(electrode pin )。第一電極和第二電極中的每一個的多個電 極銷圍繞傳感器元件圓周地排列，使得第 一電極和第二電極的電極銷在軸 的外圓周表面上的第一和第二位置處的多個接觸點上接觸傳感器元件。如上所述，可以采用片狀或二維電極表面代替電極銷。優(yōu)選地，電 M面適合于軸表面，以確保電極和軸材料之間的良好接觸。
根據(jù)本發(fā)明的另 一個示例性實施例，第 一電流脈沖中至少一個和第 二電流脈沖中至少 一個施加于傳感器元件，4吏得傳感器元件具有磁編碼區(qū) 域，從而在基本垂直于傳感器元件表面的方向上，傳感器元件的磁編碼區(qū) 域具有磁場結(jié)構(gòu)，這樣就存在第 一方向上的第 一磁流量和第二方向上的第 二磁流量。根據(jù)本發(fā)明的另 一個示例性實施例，第一方向與第二方向相反。
才艮據(jù)本發(fā)明的又一個示例性實施例，在傳感器元件的截面圖中，存 在具有第一方向和第一半徑的第一圓形磁流量，和具有第二方向和第二半 徑的第二圓形磁流量。第一半徑可以大于第二半徑。
而且，才艮據(jù)^^發(fā)明的另一個示例性實施例，傳感器元件可以具有相
鄰于第一位置的第一限制區(qū)域(pinning zone)和相鄰于第二位置的第二 限制區(qū)域。
可以根據(jù)下述依照本發(fā)明的示例性實施例的制造方法制造限制區(qū) 域。才艮據(jù)該方法，為了形成第一限制區(qū)域，在第一位置或相鄰于第一位置 的位置處，將第三電流脈沖施加于傳感器元件的圓周表面上，使得具有在 第二方向上的第三電流。該第三電流在第二方向上離開第一位置的第三位 置處從傳感器元件流出。
才艮據(jù)本發(fā)明的另一個示例性實施例，為了形成第二限制區(qū)域，在第 二位置或相鄰于第二位置的位置上，將第四電流脈沖施加于傳感器元件的 圓周表面上，4吏得具有第一方向上的第四電流。該第四電流在第一方向上 離開第二位置的第四位置處流出。
根據(jù)本發(fā)明的另 一個示例性實施例，提供了 一種包括具有磁編碼區(qū) 域的第一傳感器元件的扭矩傳感器，其中第一傳感器元件具有表面。才艮據(jù) 本發(fā)明，在基本上垂直于第一傳感器元件的表面的方向上，第一傳感器元 件的磁編碼區(qū)域具有磁場結(jié)構(gòu)，這樣就存在第一方向上的第一磁流量和第 二方向上的第二磁流量。第一方向與第二方向可以彼此相反。
根據(jù)本發(fā)明的另 一個示例性實施例，扭矩傳感器還可以包括具有至 少一個磁場檢測器的第二傳感器元件。該第二傳感器元件用于檢測磁編碼 區(qū)域中的變化。更準(zhǔn)確地，第二傳感器元件用于檢測從第一傳感器元件的 磁編碼區(qū)域中發(fā)出的磁場的變化。
根據(jù)本發(fā)明的另一個示例性實施例，磁編碼區(qū)域沿第一傳感器元件的一部分縱向延伸，但是不從第 一傳感器元件的一個端面延伸到第 一傳感 器元件的另一個端面。換句話說，磁編碼區(qū)域不沿第一傳感器元件的整體 延伸，而只是沿其一部分延伸。才艮據(jù)本發(fā)明的另 一個示例性實施例，第 一傳感器元件在第 一傳感器 元件的材料方面會發(fā)生變化，這是由施加到第一傳感器元件上的用于改變 磁編碼區(qū)域或生成磁編碼區(qū)域的至少一個電流脈沖或電流沖擊引起的。材 料的這種變化可以例如通過使得用于施加電流脈沖的電極系統(tǒng)和相應(yīng)的 傳感器元件的表面之間的接觸電阻不同而引起。這種變化可以是例如火刺(bum mark)或顏色變化或退火標(biāo)記。根據(jù)本發(fā)明的另 一個示例性實施例，由于電流脈沖施加于傳感器元 件的外表面而不是其端面，因此變化處于傳感器元件的外表面上，而不是 第一傳感器元件的端面上。才艮據(jù)本發(fā)明的又一個示例性實施例，提供一種用于磁傳感器的軸， 其在橫截面上具有沿相反方向延伸的至少兩個圓形磁環(huán)路。根據(jù)本發(fā)明的 又一示例性實施例，這種軸可以才艮據(jù)上述制造方法來制造。而且，軸可以具有同心排列的至少兩個環(huán)形磁環(huán)路。根據(jù)本發(fā)明的另一個示例性實施例，可以提供用于扭矩傳感器的 軸，根據(jù)下述的制造步驟制造該軸，即首先將第一電流脈沖施加于軸上。 將第一電流脈沖施加于軸上，使得存在沿該軸的縱向軸的第一方向上的第 一電流。第一電流脈沖4吏得該電流脈沖的施加在軸中生成磁編碼區(qū)域。這 可以通過采用上述電極系統(tǒng)和如上所述通ii拖加電流脈沖來實現(xiàn)。根據(jù)本發(fā)明的另 一個示例性實施例，電極系統(tǒng)可以用于將電流沖擊 施加于扭矩傳感器的傳感器元件上，該電極系統(tǒng)具有至少第一電極和第二 電極，其中第一電極適于定位在傳感器元件的外表面的第一位置上。第二 電極適于定位在傳感器元件的外表面的第二位置上。第一電極和第二電極 用于在第一位置和第二位置上施加和流出至少一個電流脈沖，^f吏得產(chǎn)生傳感器元件的核心區(qū)域中的電流。所述至少一個電流脈沖4吏得在傳感器元件 的一部分上生成磁編碼區(qū)域。根據(jù)本發(fā)明的另一個示例性實施例，電極系統(tǒng)包括至少兩組電極， 每個電極包括多個電極銷。每個電極的電極銷以環(huán)形排列，使得在傳感器 元件的外表面的多個接觸點上，電極的電極銷接觸傳感器元件。傳感器元件的外表面不包括傳感器元件的端面。圖l示出了根據(jù)本發(fā)明的扭矩傳感器的示例性實施例。該扭矩傳感器包括具有矩形橫截面的第一傳感器元件或軸2。第一傳感器元件2基本 沿X所示的方向延伸。在第一傳感器元件2的中部，有編碼區(qū)域4。第一 位置用參考標(biāo)記10表示，其表示編碼區(qū)域的一端，第二位置用參考標(biāo)記 12表示，其表示編碼區(qū)域或即將被磁編碼的區(qū)域4的另一端。箭頭14和 16表示電流脈沖的施加。參照圖l所示，在相鄰于或接近第一位置10的 外部區(qū)域上將第一電流脈沖施加于第一傳感器元件2上。優(yōu)選地，如下面 將進一步詳細描述的，在靠近第一位置的多個點或區(qū)域，優(yōu)選地沿第一位 置10圍繞第一傳感器元件2的外表面，將電流引入到第一傳感器元件2 上。如箭頭16所示，靠近或相鄰于或在第二位置12處，優(yōu)選地在沿將被 編碼的區(qū)域4的端部的多個位置處，電流脈沖從第一傳感器元件2流出。 如上所述，可以連續(xù)地施加多個電流脈沖，該多個電流脈沖從位置10到 位置12或從位置12到位置10可以具有交替的方向。參考標(biāo)記6表示優(yōu)選地為連接到控制器電子i史備8的線圏的第二傳 感器元件?？刂破麟娮釉O(shè)備8可以用于進一步處理第二傳感器元件6輸出 的信號，使得輸出信號可以從對應(yīng)于施加到第一傳感器元件2上的扭矩的 控制電路輸出?？刂齐娐?可以是模擬電路或數(shù)字電路。第二傳感器元件 6用于檢測第一傳感器元件的編碼區(qū)域4發(fā)出的磁場。如上所述，相信如果沒有應(yīng)力或力,皮施加到第一傳感器元件2上， 則第二傳感器元件6基本上檢測不到磁場。然而，當(dāng)有應(yīng)力或力施加到第 一傳感器元件2上時，由編碼區(qū)域發(fā)出的磁場發(fā)生變化，使得第二傳感器 元件6檢測到從幾乎沒有磁場到磁場的增加。應(yīng)該注意到，根據(jù)本發(fā)明的其它示例性實施例，即使沒有應(yīng)力被施 加到第一傳感器元件上，也可能存在在第一傳感器元件2的編碼區(qū)域4 的外部或鄰近區(qū)域的可被檢測到的磁場。然而，應(yīng)該注意到，施加到第一 傳感器元件2上的應(yīng)力引起了由編碼區(qū)域4發(fā)出的磁場的變化。下面將參照圖2a、 2b、 3a、 3b以及4所示，描述根據(jù)本發(fā)明的示 例性實施例的扭矩傳感器的制造方法。特別地，該方法涉及第一傳感器元 件2的磁編碼區(qū)域4的磁化。如可以從圖2a中看出的那樣，電流I凈皮施加到將衫L磁編碼的區(qū)域4 的端部區(qū)域。如上所示，該端部區(qū)域用參考標(biāo)記10表示，并且可以是第 一傳感器元件2的外表面上的環(huán)繞區(qū)域。電流I在磁編碼區(qū)域(或?qū)⒈淮?編碼的區(qū)域)的另 一個端部區(qū)域上從第一傳感器元件2流出，該另 一個端部區(qū)域用參考標(biāo)記12表示，并且也被稱為第二位置。電流在第一傳感器 元件的外表面，優(yōu)選為環(huán)繞地在靠近或相鄰于位置12的區(qū)域，從第一傳 感器元件流出。如位置10和位置12之間的虛線所示，在位置10處或沿 位置10引入到第一傳感器元件的電流I流過核心區(qū)域或與核心區(qū)域平行 地流到位置12。換句話說，電流I流過第一傳感器元件2中將被編碼的 區(qū)域4。圖2b表示沿AA，線截取的截面圖。在圖2b的示意圖中，電流以叉 的形式表示為流進圖2b的平面中。這里，電流凈i^示為處于第一傳感器 元件2的橫截面的中心部分。相信引入具有上述或下述形式并具有上述或 下述最大值的電流脈沖，可以產(chǎn)生截面圖中的磁流量結(jié)構(gòu)20,這里的磁 流量方向為順時針方向。圖2b中所示的磁流量結(jié)構(gòu)20 #^示為基本的圓 形。然而，磁流量結(jié)構(gòu)20可以適合于第一傳感器元件2的實際橫截面， 并且可以是例如更橢圓形的。圖3a和3b示出了才艮據(jù)本發(fā)明示例性實施例的方法的步驟，在圖2a 和2b所示的步驟后可以釆用該步驟。圖3a示出了根據(jù)本發(fā)明的示例性實 施例的施加了第二電流脈沖的第一傳感器元件，圖3b示出了沿第一傳感 器元件2的BB，線截取的截面圖。如可以從圖3a看出的那樣，與圖2a相比較，在圖3a中，在位置 12或與位置12相鄰的位置處將由箭頭16表示的電流I引入傳感器元件2， 并且在位置10或與位置10相鄰的位置處，電流I從傳感器元件2流出。 換句話說，在圖3a中，電iML圖2a中被引入的位置處流出，反之亦然。 因此，在圖3a中電流I被引入第一傳感器元件2和從第一傳感器元件2 流出可以產(chǎn)生與圖2a中相應(yīng)的電流反向的、經(jīng)過將被磁編碼的區(qū)域4的 電流。在圖3b中，電流M示在傳感器元件2的核心區(qū)域。如可以從圖 2b和3b的比較中看出，磁流量結(jié)構(gòu)22具有與圖2b中的磁流量結(jié)構(gòu)20 的方向相反的方向。如上所述，可以單獨地或者彼此連續(xù)地應(yīng)用圖2a、 2b以及3a和3b 中所示的步驟。當(dāng)首先執(zhí)行圖2a和2b所示的步驟并接著執(zhí)行圖3a和3b 所示的步驟時，可以產(chǎn)生圖4所示的截面圖中表示的通過編碼區(qū)域4的磁 流量結(jié)構(gòu)。如可以從圖4看出的，兩個磁流量結(jié)構(gòu)20和22 4皮共同編碼到 編碼區(qū)域。因此，在基本上垂直于第一傳感器元件2的表面的方向上，在 指向傳感器元件2的核心的方向上，存在具有第一方向的第一磁流量，在下面是具有第二方向的第二磁流量。參照圖4所示，磁流量方向可以彼此 相反。因此，如果沒有將扭矩施加到第一扭矩傳感器元件2上，則兩個磁 流量結(jié)構(gòu)20和22可以彼此抵消，使得在編碼區(qū)域的外面基本沒有磁場。 然而，當(dāng)將應(yīng)力或力施加于第一傳感器元件2時，磁流量結(jié)構(gòu)20和22 停止彼此抵消，使得在編碼區(qū)域的外部出現(xiàn)磁場，借助于第二傳感器元件 6則可以檢測到該磁場。下面將進行更加詳細的描述。圖5表示根據(jù)本發(fā)明的示例性實施例的第一傳感器元件2的另一個 實例，其可以被用在根據(jù)本發(fā)明的示例性實施例的制造方法制造的根據(jù)示 例性實施例的扭矩傳感器中。如可以從圖5看出的，第一傳感器元件2 具有優(yōu)選地才艮據(jù)圖2a、 2b、 3a、 3b以及4所示的步驟和設(shè)置來編碼的編 碼區(qū)域。相鄰于位置10和位置12設(shè)置有限制區(qū)域42和44。這些區(qū)域42和 44用于避免編碼區(qū)域4的磨損。換句話說，限制區(qū)域42和44使編碼區(qū) 域4具有更加明確的開始和結(jié)束。簡單地說，通過以例如參照圖2a所示相同的方式，在靠近或相鄰 于第一位置10處將電流38引入第一傳感器元件2來適應(yīng)第一限制區(qū)域 42。然而，電流I在與編碼區(qū)域的末端相距一彭巨離的第一位置30處從 第一傳感器元件2流出，其中該編碼區(qū)域的末端靠近或位于位置10。該 另一個位置用參考標(biāo)記30表示。該另一個電流脈沖I的引入由箭頭38表 示，電流脈沖I的流出由箭頭40表示。電流脈沖可以具有與上述形成最 大值的形狀相同的形狀。為了生成第二限制區(qū)域44，在位置32將電流引入第一傳感器元件 2，該位置32與編碼區(qū)域4的靠近或相鄰于位置12的末端相距一粉巨離。 接著電流在位置12或靠近位置12的位置處從第一傳感器元件2流出。電 流脈沖I的引入由箭頭34和36表示。優(yōu)選地，限制區(qū)域42和44使得限制區(qū)域42和44的磁流量結(jié)構(gòu)與 相鄰的編碼區(qū)域4中相應(yīng)的相鄰的磁流量結(jié)構(gòu)相反。如可以從圖5看出的， 在對編碼區(qū)域4進行編碼或完全編碼之后，可以將限制區(qū)域編碼到第一傳 感器元件2。圖6表示本發(fā)明的另一個示例性實施例，其中沒有編碼區(qū)域4。換 句話說，根據(jù)本發(fā)明的示例性實施例，在對磁編碼區(qū)域4進行實際編碼之前，可以將限制區(qū)域編碼到第一傳感器元件2。圖7表示才艮據(jù)本發(fā)明的示例性實施例的扭矩傳感器的第一傳感器元 件2的制造方法的簡化流程圖。在步驟Sl的啟動之后，該方法繼續(xù)到步驟S2，其中如圖2a和2b 所述的那樣施加第一脈沖。接著，在步驟S2之后，該方法繼續(xù)到步驟S3， 其中如圖3a和3b所述的那樣施加第二脈沖。接著，該方法繼續(xù)到步驟S4，決定是否將限制區(qū)域編碼到第一傳感 器元件2。如果在步驟S4中決定將沒有限制區(qū)域，則該方法直接繼續(xù)到 步驟S7，在步驟S7結(jié)束。如果在步驟S4中決定將限制區(qū)域編碼到第一傳感器元件2，則該方 法繼續(xù)到步驟S5，在步驟S5中在箭頭38和40所示的方向上將第三脈沖 施加到限制區(qū)域42，并在箭頭34和36所示的方向上將第三脈沖施加到 限制區(qū)域44。接著，該方法繼續(xù)到步驟S6，在步驟S6中將力脈沖施加到 各限制區(qū)域42和44上。將方向與箭頭38和40表示的方向相反的力脈沖 施加到限制區(qū)域42。并且，將方向與箭頭34和36的方向相反的力樂K沖 施加到限制區(qū)域44。接著該方法繼續(xù)到步驟S7，在步驟S7結(jié)束。換句話說，為了對磁編碼區(qū)域4進行編碼，優(yōu)選地施加兩個脈沖。 優(yōu)選地這些電流脈沖具有相反的方向。而且，將分別具有各自方向的兩個 脈沖施加到限制區(qū)域42和限制區(qū)域44上。圖8示出了施加到磁編碼區(qū)域4和限制區(qū)域上的脈沖的電流和時間 的關(guān)系圖。圖8中關(guān)系圖的y軸的正方向表示x方向上的電流，圖8中y 軸的負方向表示y方向上的電流。如可以從圖8看出的，為了對磁編碼區(qū)域4進行編碼，首先施加x 方向上的電流脈沖。如可以從圖8看出的，該脈沖的上升沿非常急劇，而 下降沿與上升沿的路線(direction)相比具有相對長的路線。參照圖8所 示，該脈沖可以具有約為75安培的最大值。在另一個應(yīng)用中，脈沖可以 不寸象圖8中所示的那樣急劇。然而，上升沿應(yīng)該比下降沿陡，或者應(yīng)該具 有比下降沿短的持續(xù)時間。接著，將具有相反方向的第二脈沖施加到編碼區(qū)域4上。該脈沖具 有與第一脈沖相同的形式。然而該第二脈沖的最大值也可以不同于第一脈 沖的最大值。盡管脈沖的瞬時形狀可以不同。接著，為了對限制區(qū)域進行編碼，如圖5和6所描述的，可以將類似于第 一脈沖和第二脈沖的多個脈沖施加到限制區(qū)域上。這些脈沖可以同 時被施加到限制區(qū)域上，而且對于每個限制區(qū)域這種脈沖可以被成功地施加。參照圖8所示，這些脈沖可以具有基本上與第一脈沖和第二脈沖相同 的形狀。然而其最大值可以較小。圖9表示根據(jù)本發(fā)明的示例性實施例的扭矩傳感器的第一傳感器元 件的另 一個示例性實施例，其示出了用于施加用來對磁編碼區(qū)域4進行編 碼的電流脈沖的電極設(shè)置。如可以從圖9看出，不帶有絕緣體的導(dǎo)體可以 環(huán)繞第一傳感器元件2，從圖9看來該第一傳感器元件2可以是具有圓形 橫截面的圓軸。為了確保導(dǎo)體在第一傳感器元件2的外表面上的緊密安 裝，可以如箭頭64所示夾緊導(dǎo)體。圖10a表示根據(jù)本發(fā)明的示例性實施例的第一傳感器元件的再一個 示例性實施例。同時，圖10a示出了根據(jù)本發(fā)明的示例性實施例的電極系 統(tǒng)的另一個示例性實施例。圖10a中所示的電極系統(tǒng)80和82接觸具有三 角形橫截面的第一傳感器元件2，在該三角形的第一傳感器元件的每個面 上、處于區(qū)域4的每一側(cè)的位置處具有兩個接觸點，該區(qū)域4將被編碼為 磁編碼區(qū)域。總起來說，在區(qū)域4的每一側(cè)有六個接觸點。各個接觸點可 以彼此連接并連接到 一個獨立的接觸點。如果在電極系統(tǒng)和第一傳感器元件2之間只有有限數(shù)量的接觸點， 并且如果施加的電流脈沖非常大，則電極系統(tǒng)的接觸點和第一傳感器元件 2的材料之間的不同接觸電阻就可能在第 一傳感器元件2上的到電極系統(tǒng) 的接觸點上產(chǎn)生火刺。這些火刺卯可以是顏色變化，可以是焊點，可以 是退火區(qū)域或者可以僅是火刺。根據(jù)本發(fā)明的示例性實施例，增加接觸點 的數(shù)量或者甚至設(shè)置接觸表面，使得避免產(chǎn)生這種火刺卯。圖11示出了第一傳感器元件2的另一個示例性實施例，才艮據(jù)本發(fā)明 的示例性實施例，該第一傳感器元件2可以是具有圓形橫截面的軸。如可 以從圖ll看出的，磁編碼區(qū)域處于第一傳感器元件2的端部區(qū)域。才艮據(jù) 本發(fā)明的示例性實施例，磁編碼區(qū)域4不沿第一傳感器元件2的全部長度 延伸。如可以從圖ll看出的，磁編碼區(qū)域4可以位于第一傳感器元件2 的一端。然而，應(yīng)該注意到，才艮據(jù)本發(fā)明的示例性實施例，電流脈沖是從 第一傳感器元件2的外環(huán)繞表面施加的，而不是從第一傳感器元件2的端 面100施加的。下面將詳細描述所謂的PCME("脈沖-電流-調(diào)制-編碼")感測技術(shù)， 根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實施例，可以實施該技術(shù)以磁化可磁化物體，然后根據(jù)本發(fā)明，對該可磁化物體部分地去磁。下面將在扭矩感測的背景下部分地描述PCME技術(shù)。然而，這種原理也可以在位置感測的背景下實施。在本說明書中，許多簡寫被用作其它的一些解釋，因此難于讀懂本 說明書。盡管簡寫"ASIC"、 "IC"、 "PCB"已經(jīng)被標(biāo)記了標(biāo)準(zhǔn)定義，但 是仍有許多術(shù)語是特別關(guān)于基于磁致伸縮的NCT感測技術(shù)。應(yīng)該注意到， 在本說明書中，當(dāng)提及NCT技術(shù)或PCME技術(shù)時，是指本發(fā)明的示例性 實施例。表1示出了在PCME技術(shù)的下述描述中使用的縮略詞列表。__類別ASIC 專用集成電路 電子設(shè)備DF 雙場 基本傳感器EMF J4^場 測試標(biāo)準(zhǔn)FS 全刻度 測試標(biāo)準(zhǔn)Hot-Spotting 對附近的鐵磁材料敏感 規(guī)范IC 集成電路 電子設(shè)備MFS 磁場傳感器 傳感器組件NCT 非接觸式扭矩 技術(shù)PCB 印刷電5^板 電子設(shè)備PCME 脈沖電流調(diào)制編碼 技術(shù)POC 概^￡明RSU 轉(zhuǎn)動信號均勻(rotational 規(guī)范signal uniformity)SCSP 信號調(diào)節(jié)和信號處理 電子設(shè)備SF 單場 基本傳感器SH 傳感器主機(sensor host) 基本傳感器SPHC 軸處理支撐夾 處理工具SSU 次傳感器單元 傳感器組件表l:縮略詞列表基于磁學(xué)原理的機械-應(yīng)力感測技術(shù)使得能夠設(shè)計和生產(chǎn)應(yīng)用范 圍很廣的"物理-參數(shù)-傳感器"(例如力感測、扭矩感測，以及材料診斷 分析)，其可以用于使用鐵磁材料的應(yīng)用中。用于構(gòu)建"基于磁學(xué)原理"的傳感器的最常用的技術(shù)是電感差動位移測量(需要扭轉(zhuǎn)軸)、測量材 料滲透率的變化，以及測量磁致伸縮效應(yīng)。在過去的20年里，許多不同的公司(即，ABB、 FAST、弗勞恩霍 夫研究會(Frauenhofer Institute )、 FT、 Kubota、 MDI、 NCTE、 RM、 西門子等)在如何設(shè)計以及如何生產(chǎn)基于磁學(xué)原理的扭矩傳感器的問題 上，已經(jīng)研究出其自己的并且是非常具體的解決方案。這些技術(shù)處于不同 的研究階段，并且在"其如何工作"、可實現(xiàn)的性能、系統(tǒng)可靠性以及制 it/系統(tǒng)成本上不同。這些技術(shù)中的一些要求對應(yīng)該被測量扭矩的軸進行機械變化(人字 紋(chevrons )),或者依靠機械扭轉(zhuǎn)效應(yīng)(需要受到扭矩時扭曲的長軸)，面)，或者用特定的物質(zhì)涂覆軸表面。現(xiàn)在仍然無人掌握能夠用于(幾乎) 任何軸尺寸、達到嚴(yán)格的性能公差，并且不基于已有的專利技術(shù)的高產(chǎn)量 制造過程。下文描述了一種基于磁致伸縮原理的非接觸式扭矩(NCT)感測技 術(shù)，其向使用者提供了許多以前不可用的新的特點和改進的特征。這種技 術(shù)使得能夠?qū)崿F(xiàn)完全集成的(占用空間很小)、實時的(大的信號帶寬) 扭矩測量，這種技術(shù)可靠，且能夠在任何希望的數(shù)量上、以可支付得起的 費用來實現(xiàn)。這種技術(shù)被稱為PCME (脈沖-電流-調(diào)制編碼)或磁致伸 縮橫向扭矩傳感器。PCME技術(shù)可以被應(yīng)用于軸上，而不需要對軸進行任何機械變化或 不需要將任何部件附加到軸上。更重要的是，PCME可以被應(yīng)用于任何 軸直徑(大多數(shù)其它技術(shù)都對此有限制)，并且在編碼過程中不需要旋轉(zhuǎn)/ 轉(zhuǎn)動軸(非常簡單并且成;M艮低的制造過程)，這就使得該技術(shù)非常適用 于高產(chǎn)量的應(yīng)用。下文將描i^磁場結(jié)構(gòu)(傳感器原理)。傳感器的使用壽命依賴于"閉環(huán)"磁場的設(shè)計。PCME技術(shù)U于 存在于彼此之上并且在相反的方向上延伸的兩個磁場結(jié)構(gòu)。當(dāng)沒有扭矩應(yīng) 力或運動應(yīng)力施加到軸(也被稱為傳感器主機，或SH)上時，則該SH將表現(xiàn)為磁中性(在SH外不能檢測出磁場)。圖12示出了兩個磁場存在于軸內(nèi)并且以首^目連的環(huán)形延伸。外 磁場在一個方向上延伸，而內(nèi)磁場在相反的方向上延伸。圖13示出了 PCME感測技術(shù)采用存在于彼此之上的兩個反向環(huán)的 磁場環(huán)路(背著(picky back)模式)。當(dāng)將機械應(yīng)力(例如往復(fù)運動或扭矩)施加到PCME磁化的SH(傳 感器主機，或軸)的兩端時，則兩個磁結(jié)構(gòu)(或環(huán)路)的磁通線將與施加 的扭矩成比例地傾斜。參照圖14所示，當(dāng)沒有;W^應(yīng)力被施加到SH上時，則磁通線就以 其原始i^f圣^/f申。當(dāng)施加;Wfe應(yīng)力時，則磁通線就與施加的應(yīng)力(例如線 性運動或扭矩)成比例地傾斜。根據(jù)所施加的扭矩的方向(關(guān)于SH順時針或逆時針)，磁通線或向 右傾斜或向左傾斜。當(dāng)磁通線到ii^磁編碼區(qū)域的邊界時，來自于上層的磁 通線就與來自于下層的磁通線結(jié)^來，反之亦然。這就形成了完全受控 的螺旋形。這種磁結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是■當(dāng)機喊應(yīng)力被施加到SH時，寄生的磁場結(jié)構(gòu)減少(幾乎被消除) (這就產(chǎn)生了更佳的RSU性能)。■當(dāng)生成與機械應(yīng)力相關(guān)的信號時，由于存在彼此問候(compliment) 的兩個"活動"層，因此傳感器輸出信號斜率更大。說明當(dāng)采用單層傳感器設(shè)計時，在編碼區(qū)域邊界離開的"傾斜的" 磁通線就會生成從一個邊界側(cè)到另一邊界側(cè)的"返回通路"。這種作用 會影響在SH外用次傳感器單元能夠感測出并測量到多少信號。■當(dāng)采用PCME技術(shù)時，對SH (軸)的尺度幾乎沒有限制。雙層磁 場結(jié)構(gòu)可以適用于任何實心或中空的軸的尺度。■物理尺度和傳感器性能處于可編程的非常寬的范圍內(nèi)，因此可以為 指定的應(yīng)用定制物理尺度和傳感器性能?！鲞@種傳感器設(shè)計允許測量來自所有三維坐標(biāo)軸的機械應(yīng)力，包括施 加到軸(可用作測壓元件(load-cell))上的流向力(in-line force)。 說明較早的磁致伸縮傳感器設(shè)計(例如，根據(jù)FAST技術(shù))被限 制于僅在2維坐標(biāo)軸中敏感，而不能測量流向力。參照圖15所示，當(dāng)扭矩被施加到SH上時，來自兩個反向環(huán)磁環(huán)路 的磁通線在傳感器區(qū)域的邊界處彼此連接。當(dāng)機械扭矩應(yīng)力被施加到SH上時，則磁場將不再以圓形延伸而是 與施加的扭矩應(yīng)力成比例地稍微傾斜。這就使得來自于一層的磁場線與另 一層中的磁場線連接，并形成螺旋形。參照圖16,其示出了當(dāng)將大的扭矩施加于SH上時，磁通線如何形 成有角度的螺旋形結(jié)構(gòu)的放大圖。下面將描述PCM編碼(PCME)過程的特點和優(yōu)點。根據(jù)本發(fā)明的來自NCTE的磁致伸縮NCT感測技術(shù)提供了如下的 高性能感測特點■在傳感器主機上不需要機械變化(已有的軸可以照常使用)；■不需要將其它部件附加到傳感器主機上(因此在軸的使用壽命中不 會發(fā)生衰退或改變=高MTBF );■在測量中，SH能夠旋轉(zhuǎn)、往復(fù)運動或以任何期望的速度運動(對 rpm沒有限制)；■非常好的RSU (轉(zhuǎn)動信號均勻)性能；■極好的測量線性(達到FS的0.01% );■高測量重復(fù)性；■非常高的信號分辨率(優(yōu)于14bit);■非常寬的信號帶寬(大于10kHz)。根據(jù)所選擇磁致伸縮感測技術(shù)的類型，以及所選擇的物理傳感器設(shè) 計，機械力傳動軸(也被稱為"傳感器主機"或簡稱"SH")在不需要對常使用。這就被稱為"真正的，，非接觸式扭矩測量原理，其允許軸在兩個 方向上以任何期望的速度自由地旋轉(zhuǎn)。這里根據(jù)本發(fā)明的示例性實施例描述的PCM編碼(PCME)制造 過程提供了其它磁致伸縮技術(shù)不能提供的附加特點(該技術(shù)的獨特性)■信號強度與可選的磁致伸縮編碼過程中的信號強度相比是其三倍 (類似于FAST中的"RS"過程)；■容易并且簡單的軸裝載過程(高制造生產(chǎn)量)；■在磁編碼過程中沒有運動的部件(低制造裝配復(fù)雜度-高MTBF， 和低成本)；■該過程允許NCT傳感器被"微調(diào)"以實現(xiàn)小于1%的目標(biāo)精確度;■制造過程允許軸在相同的處理周期中進行"預(yù)處理"和"后處理" (高制造生產(chǎn)量)；■感測技術(shù)和制造過程是比例性的，因此其適用于所有軸或管直徑；■當(dāng)已經(jīng)組裝完SH時(依賴于可接近性)，可以采用PCM編碼過程 (維護容易)；■最后的傳感器對軸向的軸運動不敏感(實際允許的軸向軸運動依賴 于磁編碼區(qū)域的物理"長度，，)；■當(dāng)沒有力(例如扭矩)施加到SH上時，磁編碼SH保持中性，對 非磁場幾乎沒有影響；■在所有三維坐標(biāo)軸上對機械力敏感。在下文中，將描述SH中的磁通量分布。PCME技術(shù)是利用電流通過SH (傳感器主機或軸)來實現(xiàn)鐵磁材 料的期望的永久磁編碼。為了實現(xiàn)期望的傳感器性能和特點，需要非常專 用的和良好受控的電流。采用DC電流的早期試驗都失敗了，這是因為沒 有理解少量和大量的DC電流是如何通過導(dǎo)體的(在這種情況下，"導(dǎo)體" 是M力傳動軸，也被稱為傳感器主機或簡稱為"SH")。參照圖17所示，其示出了導(dǎo)體中假定的電流密度。普遍假設(shè)當(dāng)電流(DC )通過導(dǎo)體時，導(dǎo)體中的電流密度均勻地分布 在導(dǎo)體的整個橫截面上。參照圖18所示，其示出了形成磁場的小電流，該磁場將導(dǎo)體中的 電流通路束縳起來。根據(jù)我們的經(jīng)驗，當(dāng)少量電流(DC)通過導(dǎo)體時，在導(dǎo)體的中心電 流密度最高。這種現(xiàn)象的產(chǎn)生有兩個主要原因通過導(dǎo)體的電流產(chǎn)生將電 流通路束綽在導(dǎo)體中心的磁場，以及導(dǎo)體中心的阻抗最低。參照圖19所示，其示出了小電流在導(dǎo)體中的典型流動。然而實際上，電流不能沿"直"線從一個連接極流動到另一個連接 極(類似于天空中閃電的形狀)。當(dāng)處于某種電流電平時，所生成的磁場足夠大，使得鐵磁軸材料永久磁化。當(dāng)電流在SH中心的附近或在SH中心流動時，永久存在的磁場 將位于相同的位置上接近于或處于SH中心。當(dāng)向軸施加用于振蕩/往復(fù) 運動的機械扭矩或線性力時，則在軸內(nèi)部存在的磁場將通過根據(jù)所施加的 機械力傾斜其磁通量路徑來進行反應(yīng)。由于永久存在的磁場位于軸表面下 深處的位置，因此可測量到的效應(yīng)就非常小，并且不均勻，因此就不足以 建立可靠的NCT傳感器系統(tǒng)。參照圖20所示，其示出了處于飽和電平的導(dǎo)體中的均勻的電流密度。僅當(dāng)處于飽和電平時，電流密度(當(dāng)施加DC時)均勻地分布在導(dǎo) 體的整個橫截面上。達到這種飽和電平的電流值非常大，并且主要受所使 用的導(dǎo)體的橫截面和導(dǎo)電率(阻抗)的影響。參照圖21所示，其示出了在導(dǎo)體表面以下或在導(dǎo)體表面(趨膚效 應(yīng))傳輸?shù)碾娏?。還普遍假定當(dāng)交流電流(如射頻信號)通過導(dǎo)體時，信號通過導(dǎo)體 的表層，這被稱為趨膚效應(yīng)。所選擇的交流電流的頻率界定趨膚效應(yīng)的"地 點/位置"和"深度"。高頻時，電流正好在導(dǎo)體表面或接近于導(dǎo)體表面?zhèn)?輸(A )，而當(dāng)頻率較4氐時(對于直徑為20mm的SH，頻率處于5到10Hz 的范圍內(nèi))，交流電流將更多地滲入軸橫截面的中心(E)。并且，AC頻 率較高時電流所處區(qū)域中的相對電流密度比AC頻率非常低時軸中心附 近的相對電流密度高(因為電流有更多可用的空間流過)。參照圖22所示，其示出了當(dāng)不同頻率的交流電流通過導(dǎo)體時，電 導(dǎo)體中的電流密度(橫截面與電流方向成90度角)。PCME傳感器技術(shù)期望的磁場設(shè)計是兩個圓形磁場結(jié)構(gòu)，存在于彼 此之上的兩層中("背著")，并且以彼此相反的方向延伸(反向環(huán))。再次參照圖13，其示出了期望的磁傳感器結(jié)構(gòu)兩個首尾相連的磁 環(huán)路位于彼此之上，以彼此相反的方向延伸反向環(huán)"背著，，場設(shè)計。為了使該磁場設(shè)計對將被施加到SH (軸)上的機械應(yīng)力高度敏感， 并且為了生成可能的最大傳感器信號，則期望的磁場結(jié)構(gòu)就必須距離軸表 面最近。使圓形磁場接近于SH的中心將使得用戶可用的傳感器輸出信號 斜率衰減(由于鐵磁軸材料具有比空氣高的多的磁導(dǎo)率，因此大多數(shù)傳感器信號將通過鐵磁軸材料傳輸)，并增加傳感器信號的不均勻性(與軸旋轉(zhuǎn)有關(guān)，并且與軸關(guān)于次傳感器的軸向運動有關(guān))。參照圖23，其示出了存在于軸表面附近的磁場結(jié)構(gòu)和存在于軸中心 附近的磁場結(jié)構(gòu)。當(dāng)采用AC (交流電流時)，由于所產(chǎn)生的磁場極性不斷變化，因此 可能難于實現(xiàn)期望的SH的永久磁編碼，因此其更多地作為消磁系統(tǒng)。PCME技術(shù)要求強電流("單極性"或DC，以防止消除期望的磁場 結(jié)構(gòu))正好在軸表面下傳輸(以確保傳感器信號在軸外部均勻和可測量)。 此外還需要形成反向環(huán)"背著，，的磁場結(jié)構(gòu)。可以通過一個接一個地將兩個反向環(huán)磁場結(jié)構(gòu)容納于軸中而將其 置于軸中。首先內(nèi)層將被容納在SH中，接著利用較弱的磁力將外層容納 在SH中(防止意外地中和內(nèi)層以及消除內(nèi)層)。為了達到這個目的，可 以如根據(jù)FAST技術(shù)的專利中所述，釆用已知的"永久，，磁編碼技術(shù)，或 者采用電流編碼和"永久"磁編碼的組合。一個簡單且快得多的編碼過程"僅"釆用電流來實現(xiàn)期望的反向環(huán) "背著"磁場結(jié)構(gòu)。這里最具有挑戰(zhàn)性的部分是生成反向環(huán)磁場。均勻的電流將生成均勻的磁場，該磁場以與電流方向成卯度角圍 繞電導(dǎo)體延伸(A)。當(dāng)將兩個導(dǎo)體并排放置時(B),則這兩個導(dǎo)體之間 的磁場看起來會抵消掉彼此的效應(yīng)(C)。盡管磁場仍然存在，但是在靠 近故置的兩個導(dǎo)體之間沒有可檢測到的(或可測量的)磁場。當(dāng)并排放置 多個電導(dǎo)體時(D)，"可測量的，，磁場看起來圍繞"扁平"形狀導(dǎo)體表面 的外面延伸。參照圖24，其示出了均勻的電流流過導(dǎo)體橫截面時，從導(dǎo)體橫截面 看去的磁效應(yīng)。"扁平的"或矩形的導(dǎo)體現(xiàn)在^:彎成"U"形。當(dāng)電流通過"U"形 導(dǎo)體時，流過"U"形外部范圍的磁場抵消掉"U"內(nèi)半部中可測量的效 應(yīng)。參照圖25，當(dāng)電流流過導(dǎo)體時，"U"形導(dǎo)體內(nèi)的區(qū)域看起來是磁"中 和"的。當(dāng)沒有W^應(yīng)力施加到"U"形導(dǎo)體的橫截面上時，則看起來在"U" 內(nèi)部不存在磁場(F)。但是當(dāng)彎曲或扭轉(zhuǎn)"U"形導(dǎo)體時，磁場將不再沿 著其原始路徑(與電流成卯度角)。根據(jù)所施加的機械力，磁場開始稍微改變其路徑。這時，在導(dǎo)體的表面、在"u"形的內(nèi)部和外部能夠感測和 測量由M應(yīng)力產(chǎn)生的磁場矢量。注意僅在非常專用的電流電平時應(yīng)用 這種現(xiàn)象。同樣的力施加到"O"形的導(dǎo)體設(shè)計上。當(dāng)均勻的電流通過"O" 形導(dǎo)體(管)時，"O"(管)內(nèi)部的可測量的磁效應(yīng)彼此抵消(G)。參照圖26所示，當(dāng)電流流過導(dǎo)體時，"O"形導(dǎo)體的內(nèi)部區(qū)域看起 來是磁"中和"的。然而，當(dāng);W^應(yīng)力施加到"O"形導(dǎo)體(管)時，明顯的是在"O" 形導(dǎo)體內(nèi)側(cè)存在磁場。內(nèi)部相反方向的磁場(以及外部磁場)開始關(guān)于所 施加的扭矩應(yīng)力傾斜。可以明確地感測和測量這種傾斜的場。下文將描述編碼脈沖設(shè)計。才艮據(jù)本發(fā)明方法的示例性實施例，為了實現(xiàn)SH內(nèi)期望的磁場結(jié)構(gòu) (反向環(huán)、背著場設(shè)計)，將單極性電流脈沖通過軸(或SH)。通過使用 "脈沖"可以實現(xiàn)期望的"趨膚效應(yīng)"。通過使用"單極性，，電流方向(不 改變電流方向)，將不會意外地消除所產(chǎn)生的磁效應(yīng)。對于實現(xiàn)期望的PCME傳感器設(shè)計，所采用的電流脈沖形狀是最關(guān) 鍵的。每個^t必須被準(zhǔn)確地和可重復(fù)地控制電流上升時間、恒定的電 流"on"時間、最大電流幅值，以及電流下降時間。此外，電流在整個軸 表面上非常均勻地流進和流出是非常重要的。下文將描述矩形電流脈沖形狀。參照圖27，其示出了矩形電流脈沖。矩形電流脈沖具有快速上升的正邊沿和快速下降的電流邊沿。當(dāng)矩 形電流脈沖通過SH時，上升沿負責(zé)形成PCME傳感器的目標(biāo)磁結(jié)構(gòu)， 而矩形電流脈沖的水平的"on"時間和下降沿是具有反向生成性的。參照圖28，其示出了矩形電流編碼脈沖寬度(恒定的電流"on"時 間)與傳感器輸出信號斜率之間的關(guān)系。在下面的實例中，矩形電流脈沖用于在直徑為15mm、 14CrNil4的 軸中生成和容納反向環(huán)"背著"場。脈沖電流的最大值約為270安培。對 脈沖"on"的時間進行電子控制。由于編碼脈沖上升沿和下降沿中的高頻 成分，因此該試驗不能真正表示用于編碼SH的實際DC的效果。因此當(dāng) 通過1000ms的"on"時間的恒定電流時，傳感器輸出信號斜率曲線最后在20mV/Nm之上變平。不采用快速上升的電流脈沖邊沿(例如采用受控的斜坡坡度)，則 傳感器輸出信號斜率將非常差(低于10mV/Nm)。注意在該試驗(釆 用14CrNil4 )中，信號的滯后大約是FS信號的0.95%( FS = 75Nm扭矩)。參照圖29，其示出了連續(xù)使用若干矩形電流脈沖增加傳感器輸出信 號斜率。當(dāng)連續(xù)使用若干矩形電流編碼脈沖時，可以增加傳感器輸出信號斜 率。與其它編碼脈沖形狀相比，矩形電流脈沖的快速下降的電流脈沖信號 斜率將阻礙傳感器輸出信號斜率達到最優(yōu)的性能水平。這意味著在僅有幾 個電流脈沖(2到IO個)施加到SH (或軸)上之后，傳感器輸出信號斜 率將不再增加。下文描述了流出的電流脈沖形狀。流出電流脈沖不具有恒定電流"on"時間，并且不具有快速的下降 沿。因此SH的磁編碼中最主要的和最能感受到的效應(yīng)是該類型電流脈沖 的快速上升沿。參照圖30所示，當(dāng)生產(chǎn)PCME傳感器時，急劇的電流上升沿和典 型的放電曲線提供了最好的效果。參照圖31，其示出了借助于確定正確的脈沖電流的PCME傳感器 輸出信號斜率的優(yōu)化。在脈沖電流值非常低的一端(對于直徑為15mm，釆用14CrNil4 軸材料的軸是0到75A),放電電流脈沖類型沒有強到足以M在鐵磁軸 內(nèi)部生成永久磁場所需要的磁閾值。當(dāng)增加脈沖電流幅值時，雙環(huán)磁場結(jié) 構(gòu)開始在軸表面之下形成。當(dāng)脈沖電流幅值增加時，次傳感器系統(tǒng)的可達 到的扭矩傳感器輸出信號幅值也增加。在400A到425A附近，可以實現(xiàn) 最佳的PCME傳感器設(shè)計(兩個反向流動的磁區(qū)域達到其距離彼此的最 佳距離，以及對應(yīng)于最佳傳感器性能的適當(dāng)?shù)耐棵芏?。參照圖32，其示出了編碼脈沖期間，具有最佳的PCME電流密度 和位置的傳感器主機(SH)橫截面。當(dāng)進一步增加脈沖電流的幅值時，絕對的、與扭矩力相關(guān)的傳感器 信號幅值將進一步增加一段時間(曲線2)，而PCME典型的傳感器的整 體性能將下降(曲線1 )。當(dāng)流過幅值為卯0A的脈沖電流時(對于直徑為15mm的軸)，絕對的、與扭矩力相關(guān)的傳感器信號幅值也開始下降(曲 線2),而此時PCME傳感器的性能則非常差(曲線l)。參照圖33，其示出了傳感器主機(SH)的橫截面和脈沖電流電平 不同并逐漸增加時的電脈沖電流密度。當(dāng)電流占據(jù)了SH的較大部分橫截面時，內(nèi)環(huán)區(qū)域和外(接近于軸 表面)環(huán)區(qū)域之間的間隔就變得更大。參照圖34所示，當(dāng)反向環(huán)"背著"場設(shè)計之間的間隔變窄時(A)， 將實現(xiàn)更佳的PCME傳感器性能。期望的雙反向環(huán)磁場結(jié)構(gòu)不太可能在扭矩力下生成閉環(huán)結(jié)構(gòu)，這就 導(dǎo)致次傳感器信號幅值的下降。參照圖35所示，使電流-放電曲線變平也會增加傳感器輸出信號斜率。當(dāng)增加電流脈沖放電時間(使電流脈沖更寬)時(B)，傳感器輸出 信號斜率將增加。然而為了減小電流脈沖下降沿的斜率，所需要的流量非 常大。利用大電流幅值(優(yōu)化值)與盡可能慢的放電時間的組合來實現(xiàn)盡 可能最大的傳感器輸出信號斜率可能更實際。下文將描述主傳感器處理構(gòu)架中的電連接i殳備。PCME技術(shù)(應(yīng)該注意術(shù)語"PCME"技術(shù)用于指本發(fā)明的示例性 實施例)依賴于在應(yīng)該生成主傳感器的地方使非常大的脈沖調(diào)制電流通過 軸。當(dāng)軸的表面非常干凈并且導(dǎo)電率很高時，多點銅或金連接可能足以實 現(xiàn)期望的傳感器信號均勻性。重要的是每個連接點到軸表面的阻抗相同。 在纜線連接到主要的電流連接點(I)之前確保其長度(L)相同時，可以 最佳地實現(xiàn)上述要求。參照圖36，其示出了到軸表面的簡單的電多點連接。然而，在大多數(shù)情況下，僅能夠通過確保每個連接點上的阻抗相同 和恒定來實現(xiàn)可靠的和可重復(fù)的多點電連接。利用被按壓的彈簧，被削尖 的連接器將穿透軸表面上可能的氧化層或隔離層(可能由手指印產(chǎn)生)。參照圖37，其示出了多通道的電連接固定裝置，其具有彈簧加載的 接觸點。當(dāng)對軸進行處理時，最重要的是電流以可能的最均勻的方式注入軸 中或從軸中流出。上述視圖示出了被固定裝置圍繞軸支撐的彼此分離的幾個電連接器。這種設(shè)備被稱為軸處理支撐夾(或sphc)。 sphc中需要 的電連接器的數(shù)量依賴于軸的外徑。外徑越大，需要的連接器則越多。從 一個連接點到下一個連接點的電連接器之間的間隔必須相同。這種方法被 稱為均勻"點"接觸。參照圖38,其示出了增加電連接點的數(shù)量將有助于脈沖調(diào)制電流的 $"和流出。同時也增加了所要求的電控制系統(tǒng)的復(fù)雜度。參照圖39，其示出了如何打開sphc來進行筒單的軸裝載的實例。下文將描述主傳感器處理構(gòu)架中的編碼方案。利用施加到旋轉(zhuǎn)軸上的永磁體或利用通過期望的軸部分的電流可 以實現(xiàn)對主軸的編碼。當(dāng)釆用永磁體時，需要非常復(fù)雜的連續(xù)的步驟來將 兩層閉環(huán)磁場在軸中置于彼此之上。當(dāng)采用pcme過程時，電流必須以 可能的最均勻的方式流入和流出軸以實現(xiàn)期望的性能。參照圖40所示，兩個sphc (軸處理支撐夾)乾改置在計劃的感測 編碼區(qū)域的邊界上。通過一個sphc,脈沖電流(i)將流入軸中，而在 第二個sphc處，脈沖電流(i)將流出軸。兩個sphc之間的區(qū)域?qū)⒊?為主傳感器。這種特定的傳感器工藝將產(chǎn)生單場(SF)編碼區(qū)域。這種i殳計的一 個優(yōu)點(與下面描述的設(shè)計相比)是這種設(shè)計對關(guān)于次傳感器設(shè)備位置的 任何軸向的軸運動不敏感。這種設(shè)計的缺點是當(dāng)采用軸向(或成一直線) 放置的mfs線圏時，系統(tǒng)將對雜散磁場(例如地球磁場)敏感。參照圖41所示，當(dāng)釆用軸向(或成一直線)放置的mfs線圏時， 雙場(df)編碼區(qū)域(指具有相反極性并排放置的兩個獨立作用的傳感 器區(qū)域)使得能夠消除均勻雜散磁場的影響。然而，這種主傳感器設(shè)計也 縮小了軸向上(相對于mfs線圏的位置)軸運動的容許范圍。利用pcme 技術(shù)，有兩種產(chǎn)生雙場(df)編碼區(qū)域的方式。順序處理，其中相繼地 生成磁編碼部分；以及并行處理，其中同時生成兩個磁編碼部分。順序雙場設(shè)計的第一處理步驟是對傳感器的一個部分進行磁編碼 (與單場程序相同)，而兩個sphC之間的間隔必須是主傳感器區(qū)域期望 的最終長度的一半。為了簡化對該處理的說明，將位于最終的主傳感器區(qū) 域中心的sphc稱為中心sphc (c-sphc ),將位于中心sphc左側(cè)的 sphc稱為l-sphc。參照圖42所示，順序雙場編碼的第二處理步驟釆用位于主傳感器區(qū)域中心的SPHC (稱為OSPHC )以及位于中心SPHC另一側(cè)(右側(cè)) 的第二SPHC,該第二SPHC被稱為R-SPHC。重要的是在兩個處理步驟 中，中心SPHC (C-SPHC)中電流的方向相同。參照圖43所示，最終的主傳感器區(qū)域的性能依賴于兩個編碼區(qū)域 相對于彼此放置的接近程度。而這就依賴于所采用的中心SPHC的設(shè)計。 C-SPHC的直線空間接觸范圍越窄，則雙場PCME傳感器的性能越好。圖44示出了才艮據(jù)本發(fā)明的另一示例性實施例的脈沖應(yīng)用。如可以 從上圖中看出的，脈沖被施加到軸的三個位置上。由于電流分布于中間電 極的兩側(cè)，而電流I在該中間電極^^軸，因此在側(cè)面電極離開軸的電流 僅是在中間電極流入軸的電流的一半，即1/2 1。電核i^示為環(huán)狀，其尺 度適合于軸的外表面的尺度。然而，應(yīng)該注意到，可以采用其它電極，例 如包括多個銷電極的電極，這在本說明書的后面將進行描述。參照圖45所示，當(dāng)沒有扭矩或線性運動應(yīng)力施加到軸上時，雙場 PCME傳感器設(shè)計的兩個傳感器截面的磁通量方向是已知的。反向流的 磁通量環(huán)路不會彼此互相作用。參照圖46所示，當(dāng)以特定的方向施加扭矩力或線性應(yīng)力時，則磁 通量環(huán)路開始在軸內(nèi)部以增加的傾斜角度延伸。當(dāng)傾斜的磁通量達到 PCME部分的邊界時，則磁通線與反向的磁通線互相作用，如圖所示。參照圖47所示，當(dāng)施加的扭矩方向改變時(例如從順時針變?yōu)槟?時針)，則PCM編碼的軸內(nèi)的反向流的磁通量結(jié)構(gòu)的傾斜角度也將改變。下文將描述用于軸處理的多通道電流驅(qū)動器。當(dāng)不能保證電流路徑到軸表面的阻抗絕對相同時，則電流控制的驅(qū) 動器級可以用于克服這種問題。參照圖48，其示出了用于小直徑傳感器主機(SH)的六通道同步 脈沖電流驅(qū)動器系統(tǒng)。隨著軸直徑的增加，電流驅(qū)動器的通道數(shù)也增加。下文將描述銅制(bras)環(huán)接觸和對稱"點"接觸。當(dāng)軸直徑相對較小，軸表面干凈且在期望的感測區(qū)域內(nèi)沒有任何氧 化作用時，則可以選擇簡單的"銅制"環(huán)(或銅環(huán))接觸方法來處理第一 傳感器。參照圖49所示，可以釆用緊密地配合到軸表面上的銅制環(huán)(或銅 環(huán))，對電線進行焊接連接。兩個銅制環(huán)(銅環(huán))之間的區(qū)域是編碼區(qū)域。然而，當(dāng)采用對稱的"點"接觸方法時，可實現(xiàn)的RSU的性能則 低得多。下文將描述熱點(hot spotting)的概念。標(biāo)準(zhǔn)的單場(SF) PCME傳感器具有非常差的熱點性能。SF PCME 傳感器部分(當(dāng)施加扭矩時)的外部磁通量分布(profile)對周圍環(huán)境中 可能的變化(關(guān)于鐵磁材料)非常敏感。由于沒有很好地界定SF編碼傳 感器部分的磁邊界(不"受限，，)，因此它們能夠朝在PCME傳感器區(qū)域 附近故置鐵磁材料的方向"延伸"。參照圖50所示，PCME處理的磁化感測區(qū)域?qū)梢钥拷袦y區(qū)域 的邊界的鐵磁材料非常敏感。為了降低熱點傳感器的敏感度，就必須通過對PCME傳感器部分的 邊界進行限制，以對其更好地界定(它們不再能夠移動)。參照圖51，其示出了具有兩個"限制場區(qū)域"的PCME處理的感 測區(qū)域， 一個位于感測區(qū)域的一側(cè)。通過將限制區(qū)域靠近感測區(qū)域的兩側(cè)放置，感測區(qū)域邊界被限定到 非常具體的位置上。當(dāng)鐵磁材料接近感測區(qū)域時，其可以對限制區(qū)域的外邊界產(chǎn)生影響，但是對感測區(qū)域的邊界產(chǎn)生非常有限的影響。才艮據(jù)本發(fā)明的示例性實施例，存在多種處理SH (傳感器主機)以 得到單場(SF)感測區(qū)域和兩個限制區(qū)域的方法，其中感測區(qū)域每側(cè)有 一個限制區(qū)域。相繼地處理每個區(qū)域(順序處理)，或者同時處理兩個或 三個區(qū)域(并行處理)。并行處理提供了更均勻的傳感器(減少寄生場)， 但是需要更高電平的電流來得到目標(biāo)傳感器信號斜率。參照圖52，其示出了為了減少(或者甚至消除)熱點，在主感測區(qū) 域的兩側(cè)具有限制區(qū)域的單場(SF) PCME傳感器的并行處理實例。當(dāng)已經(jīng)限定傳感器中心區(qū)域時，雙場PCME傳感器對熱點的影響較 不敏感。然而，通過在雙場傳感器區(qū)域的兩側(cè)放置限制區(qū)域可以進一步減 小剩余的熱點敏感性。參照圖53，其示出了在兩側(cè)具有限制區(qū)域的雙場(DF) PCME傳感器。當(dāng)不允許有或不能有限制區(qū)域時(例如，受限的可用軸向間隔)， 則感測區(qū)域必須被磁屏蔽，以不受外部4失磁材料的影響。下文將說明轉(zhuǎn)動信號均勻性(RSU)。
根據(jù)當(dāng)前的理解，RSU傳感器性能主要依賴于流入和流出SH表面 的電流沿圓周的均勻性，以及電流i認點和流出點之間的物理間隔。電流 i"點和流出點之間的間隔越大，則RSU的性能越好。
參照圖54所示，當(dāng)各個沿圓周布置的電流流入點之間的間隔相對 于軸直徑相對較大時(并且沿圓周布置的電流流出點之間的間隔也相同地 大時)，就會產(chǎn)生非常差的RSU性能。在這種情況下，PCM編碼部分的 長度就必須盡可能大，否則產(chǎn)生的磁場將會沿圓周不均勻。
參照圖55所示，通i^艮寬PCM編碼部分，沿圓周的磁場分布在電 流流入點和電流流出點之間的中間位置將變得更均勻(最終幾乎達到最 佳)。因此在電流流入點和電流流出點之間的中點處的PCME傳感器的 RSU性能最佳。
下面將描述NCT傳感器系統(tǒng)的基本設(shè)計問題。
不需要探究PCM編碼技術(shù)的具體細節(jié)，該感測技術(shù)的終端用戶需 要了解一些設(shè)計細節(jié)，這種設(shè)計細節(jié)使得用戶能夠在其應(yīng)用領(lǐng)域中應(yīng)用和 使用這種感測概念。下述內(nèi)容描述了基于磁致伸縮的NCT傳感器(如主 傳感器、次傳感器，以及SCSP電子設(shè)備)的基本元件，各個組件的樣子， 以及當(dāng)將該項技術(shù)集成到已有的產(chǎn)品中時需要進行何種選擇。
原則上，PCME感測技術(shù)可以用于生產(chǎn)獨立的傳感器產(chǎn)品。然而， 在已有的工業(yè)應(yīng)用中，幾乎沒有或根本沒有"獨立，，產(chǎn)品的可用空間。在 已有的產(chǎn)品中可以釆用PCME技術(shù)，而不需要重新設(shè)計最終產(chǎn)品。
當(dāng)獨立的扭矩傳感器設(shè)備或位置檢測傳感器設(shè)備應(yīng)用于發(fā)動機傳 動系統(tǒng)時，整個系統(tǒng)可能需要進行主要的設(shè)計改變。
在下文中，參照圖56,示出了 PCME傳感器在發(fā)動機軸上的可能位置。
圖56示出了根據(jù)本發(fā)明的示例性實施例的扭矩傳感器在例如汽車 的變速箱中的可能設(shè)置的位置。圖56的上部表示根據(jù)本發(fā)明的示例性實 施例的PCME扭矩傳感器的i殳置。圖56的下部表示如在本發(fā)明的示例性 實施例中的沒有集成在變速箱的輸入軸中的獨立的傳感器設(shè)備的i殳置。
如可以從圖56的上部看出的，根據(jù)本發(fā)明的示例性實施例的扭矩 傳感器可以集成到變速箱的輸入軸中。換句話說，主傳感器可以是輸入軸的一部分。換句話說，輸入軸可以被磁編碼，使得其變?yōu)橹鱾鞲衅骰騻鞲?器元件自身。次傳感器，即線圏，可以例如被容納在靠近輸入軸的編碼區(qū) 域的軸承部分中。因此，對于在功率源和變速箱之間設(shè)置扭矩傳感器，不 必中斷輸入軸并在引向發(fā)動機的軸和引向變速箱的另 一軸之間設(shè)置獨立
的扭矩傳感器，如圖56的下部所示。
由于編碼區(qū)域集成在輸入軸中，因此例如對于汽車，就可能在不對 輸入軸進行任何改變的情況下i史置扭矩傳感器。例如，在航空器的部件中， 這就變得非常重要，其中航空器的每個部件在被允許用于航空器之前需要 進行大量的測試。由于沒有改變當(dāng)前的軸，因此才艮據(jù)4^發(fā)明的這種扭矩傳 感器被并入航空器或渦輪機的軸中，可能甚至不需要這些大量的測量。并 且，不會對軸的材料產(chǎn)生任何材料影響。
而且，如可以從圖56中看出，由于在離開功率源的軸和到變速箱 的輸入軸之間設(shè)置獨立的扭矩傳感器變得非常明顯，因此根據(jù)本發(fā)明的示 例性實施例的扭矩傳感器可以允許減小變速箱和功率源之間的距離。
下面將說明傳感器組件。
如圖57所示，根據(jù)本發(fā)明的示例性實施例，非接觸式磁致伸縮傳 感器(NCT傳感器)可以由三個主要的功能元件組成主傳感器、次傳 感器，以及信號調(diào)節(jié)和信號處理(SCSP)電子設(shè)備。
根據(jù)應(yīng)用類型(數(shù)量和質(zhì)量要求、目標(biāo)制造成本、制造工藝流程)， 客戶可以選擇購買單獨的組件在其自己的管理下構(gòu)造傳感器系統(tǒng)，或者可
以轉(zhuǎn)包各個模塊的生產(chǎn)。
圖58示出了非接觸式扭矩感測設(shè)備的組件的示意性說明。然而也 可以在非接觸位置感測設(shè)備中實現(xiàn)這些組件。
在年生產(chǎn)量目標(biāo)是幾千單位時，將"主傳感器磁編碼過程"集成到 客戶制造過程中可能更加高效。在這種情況下，客戶需要購買專用的"磁 編碼設(shè)備"。
在高產(chǎn)量的應(yīng)用中，成本和制造過程的完整性非常重要，通常是 NCTE僅提供構(gòu)造非接觸式傳感器所需要的各個基本組件和設(shè)備
■ IC (表面安裝封裝專用的電子電路)；
■ MFS線圏(作為次傳感器的一部分)；
■傳感器主機編碼設(shè)備(將磁編碼用于軸=主傳感器)。根據(jù)所要求的量，已經(jīng)組裝的MFS線圏可以設(shè)置在框架上，并且 如果期望的話，可以電連接到具有連接器的線束上。同樣地，可以以PCB 的形式，在PCB中嵌入或不嵌入MFS線圈，提供全部功能的SCSP (信 號調(diào)節(jié)和信號處理)電子i殳備。
圖59示出了感測設(shè)備的組件。
如可以從圖60看出的，需要的MFS線圏的數(shù)量依賴于希望的傳感 器性能和物理傳感器設(shè)計的機械公差。在良好設(shè)計的傳感器系統(tǒng)中僅需要 兩個MFS線圏，該傳感器系統(tǒng)具有完善的傳感器主機(SH或磁編碼軸) 以及最小的來自不希望的雜^t磁場的干擾。然而，如果SH關(guān)于次傳感器 位置徑向或軸向運動超過零點幾毫米，則需要增加MFS線圏的數(shù)量以實 現(xiàn)期望的傳感器性能。
下文將說明控制和/或計算電路。
根據(jù)本發(fā)明的示例性實施例，SCSP電子設(shè)備由NCTE專用IC、許 多外部無源和有源電子電路、印刷電路板(PCB),以及SCSP外殼或箱 體組成。根據(jù)使用SCSP單元的環(huán)境，需要適當(dāng)?shù)孛芊庠撓潴w。
根據(jù)專用需求，NCTE (根據(jù)本發(fā)明的示例性實施例)提供了許多 不同的專用電路
■基本電路；
■具有集成的電壓調(diào)節(jié)器的基本電路； ■寬信號帶寬電路； ■可選的高壓和短路保護設(shè)備； ■可選的故障檢測電路。
圖61表示單通道、低成本的傳感器電子設(shè)備方案。
如可以從圖61中看出的，可以設(shè)置例如包括線圏的次傳感器單元。 例如，參照圖60所示，這些線圏^t設(shè)置為用于當(dāng)扭矩施加于主傳感器單 元上時，感測從主傳感器單元，即傳感器軸或傳感器元件發(fā)出的磁場的變 化。次傳感器單元連接到SCST中的基本IC上?；綢C通過電壓調(diào)節(jié) 器連接到正的電源電壓?；綢C還接地?；綢C用于將模擬輸出提供 給SCST外部，該模擬輸出對應(yīng)于施加到傳感器元件上的應(yīng)力所產(chǎn)生的磁 場的變化。圖62示出了具有有集成的故障檢測電路的雙通道、短路保護系統(tǒng) 設(shè)計。這種設(shè)計包括5個ASIC設(shè)備并且提供高度的系統(tǒng)安全性。當(dāng)在傳 感器系統(tǒng)的任何地方出現(xiàn)導(dǎo)線斷路時，故障檢測IC識別MFS線圏的故 障或"基本IC"的電子設(shè)備驅(qū)動器級中的故障。
下面將說明次傳感器單元。
才艮據(jù)圖63中所示的一個實施例，次傳感器可以由以下元件組成1 到8個MFS (磁場傳感器)線圏、定位和連接板、具有連接器的線束， 以及次傳感器外殼。
MFS線圏可以安裝到定位板上。通常定位板允許以適當(dāng)?shù)姆绞胶附?/連接每個MFS線圏的兩個連接線。線束連接到定位板上。這種完整組裝 的MFS線圏和線束則被次傳感器外殼嵌入或支撐。
MFS線圈的主要元件是芯線，該芯線需要由類似于無定形材料的材 料制成。
根據(jù)使用次傳感器單元的環(huán)境，組裝的定位板需要由保護材料遮 蓋。當(dāng)周圍溫度變化時，這種材料不能在MFS線圏上產(chǎn)生機械應(yīng)力或壓 力。
在工作溫度不會超過110攝氏度的應(yīng)用中，客戶可以選擇將SCSP 電子設(shè)備(ASIC )放置在次傳感器單元(SSU)的內(nèi)部。盡管ASIC設(shè)備 能夠在高于+ 125攝氏度的溫度下工作，但是補償與溫度相關(guān)的信號偏差 和信號增益的變化將變得更加困難。
推薦的MFS線圏和SCSP電子設(shè)備之間的最大線纜長JLA 2米。 當(dāng)采用合適的連接線纜時，可以實現(xiàn)長達10米的距離。為了避免多通道 應(yīng)用中的信號串?dāng)_(在同一主傳感器位置工作的兩個獨立的SSU =冗余傳 感器功能)，應(yīng)該考慮SSU和SCSP電子i殳^^之間的專用屏蔽線纜。
當(dāng)計劃生產(chǎn)次傳感器單元(SSU)時，生產(chǎn)者需要確定要通過轉(zhuǎn)包 購買SSU哪個部分/哪幾個部分，以及自己進行那些制造步驟。
下文將描述次傳感器單元制造選項。
當(dāng)將NCT傳感器集成到定制的工具或標(biāo)準(zhǔn)傳動系統(tǒng)中時，系統(tǒng)制 造商可以從下面選擇幾個選項
■定制的SSU (包括線束和連接器)；
■選擇的模塊或組件；可以在客戶的管理下進行最后的SSU組裝和系統(tǒng)測試；
■僅有基本組件(MFS線圏或MFS芯線、專用IC)，并且自己生 產(chǎn)SSU。
圖64示出了次傳感器單元組件的示例性實施例。 下面說明主傳感器的設(shè)計。
SSU (次傳感器單元)可以M置在磁編碼SH (傳感器主機)的外 部，或者當(dāng)SH為中空時，M置在SH內(nèi)部?？蓪崿F(xiàn)的傳感器信號幅值 具有相等的強度，但是當(dāng)SSU^Lit置在中空軸內(nèi)部時，信噪比性能好得 多。
圖65示出了主傳感器和次傳感器幾何布置的兩種配置。
當(dāng)磁編碼處理應(yīng)用于SH (軸)的直的且平行的部分時，可以實現(xiàn) 改進的傳感器性能。對于直徑為15mm到25mm的軸，磁編碼區(qū)域的最 理想的最小長度是25mm。如果該區(qū)域可以長達45mm (增加防護區(qū)域)， 則傳感器性能將得到進一步提高。在復(fù)雜和高度集成的傳動(變速箱)系 統(tǒng)中，難于找到這種空間。在更理想的環(huán)境中，磁編碼區(qū)域可以短至 14mm，但是這就具有不能實現(xiàn)所有期望的傳感器性能的風(fēng)險。
參照圖66所示，根據(jù)本發(fā)明的示例性實施例，SSU(次傳感器單元) 和傳感器主機表面之間的間隔應(yīng)該保持盡可能地小，以實現(xiàn)最佳的可能的 信號質(zhì)量。
下面將描述主傳感器編碼裝置。
在圖67中示出了一個實例。
根據(jù)選擇的磁致伸縮感測技術(shù)，相應(yīng)地處理和對待傳感器主機 (SH)。該技術(shù)(ABB、 FAST、 FT、 Kubota、 MDI、 NCTE、 RM、西 門子……)彼此很不相同，因此所需要的處理裝置也很不相同。 一些可用 的磁致伸縮感測技術(shù)不需要對SH進行任何物理變化，僅依賴于磁處理 (MDI、 FAST、 NCTE)。
MDI技術(shù)是兩級處理，F(xiàn)AST技術(shù)是三級處理，NCTE技術(shù)是被稱 為PCM編碼的一級處理。
應(yīng)該注意，在磁處理之后，傳感器主機(SH或軸)就變成"精確 測量"設(shè)備，需要對其進行相應(yīng)的處理。在將經(jīng)過處理的SH,皮小心M 置在其最終位置之前，磁處理就是最后的步驟了 。在下列情況下，磁處理應(yīng)該是客戶生產(chǎn)過程(自己進行磁處理)的
完整部分
■高生產(chǎn)量(例如幾千)；
■沉重地或難于搬運的SH (例如，高運輸成本)；
■非常特殊的質(zhì)量和驗收要求(例如，國防應(yīng)用)。
在所有其它情況中，由具備資格的和被授權(quán)的轉(zhuǎn)包商，例如NCTE， 對SH進行磁處理可能是更加成本有效的。對于"自己"磁處理，需要專 用的制造設(shè)備?？梢酝耆謩拥亍胱詣拥?，以及完全自動地操作這種設(shè) 備。根據(jù)復(fù)雜度和自動化水平，這種設(shè)備可能的花費在2萬歐元到高于 50萬歐元。
在下文中，參照圖68A、圖68B所示，將描述用于>^化可>^化物體 6803以生成磁編碼區(qū)域的裝置6800。
裝置6800包括用于電接觸可磁化物體6803的不同部分的電連接元 件6801。而且，i殳置連接到電連接元件6801、并用于將不同的電信號施 加到可磁化物體6803的不同部分以在不同部分生成不同的磁編碼區(qū)域的 電信號供應(yīng)單元6802。
更詳細地，兩個電連接元件6801連接到可磁化物體6803圓周的左 側(cè)部分，其中電流^可以^L引入該部分。而兩個其它的電連接元件6801 連接可磁化物體6803的右側(cè)部分，以將例如具有相反方向的電流L引入 該部分。兩個其它的電連接元件6801接觸可/^化物體6803圓周的上部， 以在可>#化物體6803表面的相應(yīng)部分引入電流12。并且，還通過兩個另 外的電連接元件6801將電流12引入可>^化物體6803圓周的底部，以在該 表面部分中生成另一個可獨立確定和限定的^^化強度。
電流L、 12的方向不同，極性和幅值可以被獨立地調(diào)節(jié)，并且可以 同時或相繼地4皮施加到可磁化物體6803表面的不同部分上。
采用這種測量，可以在可磁化物體6803的表面上限定與電連接元 件6801的接觸相關(guān)的不同磁表面部分。這就可以在可磁化物體6803的表 面生成磁化圖案，其在圖74B中示出。
圖68B表示可磁化物體6803表面的磁化部分的表面投影。
如可以在圖68B中看出的，可以在表面上生成類似于棋盤的圖案。 相鄰部分的極性和/或磁場密度或在給定部分中產(chǎn)生的磁化強度可以不同。
圖68A、圖68B中所示的配置產(chǎn)生了表面磁化圖案，當(dāng)設(shè)置在可磁 化物體6803圓周表面附近的磁場檢測器對該磁化圖案進行采樣或掃描 時，該圖案由多個正弦函數(shù)的組成。
換句話說，圖68A、 68B表示"撒數(shù)信號的多周期圖案"。
當(dāng)磁編碼傳感器主機旋轉(zhuǎn)360度時，"撒數(shù)信號的多周期圖案"的 旋轉(zhuǎn)角度傳感器提供接近正弦形或偽正弦形輸出信號的兩個或更多個完 整周期。
為了得到多周期的磁化圖案，PCME編碼信號需要以兩種或更多種 交變的方式通過傳感器主機。可以用對鐵磁軸的磁處理來實現(xiàn)圖68A、圖 68B所示的方案。如果旋轉(zhuǎn)i殳備6803 (例如動力轉(zhuǎn)向軸的傳動軸)具有 鐵磁特性，則磁處理可以用于該軸。
根據(jù)圖68A、圖68B所示的磁化方案，可以一個接一個地，或者同 時施加不同的電流Ii、 12。
特別地，盡管未在圖68A中示出，但^1對于每對電連接元件6801 采用單獨的電信號供應(yīng)單元6802可能是有利的。
例如，電流I2和^可以彼此分離。這意味著需要使用兩個獨立電流 源來確保在I和12之間沒有電流串?dāng)_。
參照圖68B，所示的棋盤是通過釆用圖68A中所示的方法生成的。 這意味著盡管僅有4個電流路徑用于磁編碼，但是4x4的場結(jié)構(gòu)自動形 成。相信其原因是只有內(nèi)部的兩個棋盤結(jié)構(gòu)(列)是直接通過從一個連接 器流到另 一個電接觸件的電流生成的。外部的兩個棋盤列可以由其自己生 成，而不需要流過該區(qū)域的電流。這與軸端(直接的磁編碼區(qū)域之外的部 分)和線纜之間的介電常數(shù)有關(guān)。
參照圖69,其示意性地示出了才艮據(jù)本發(fā)明的示例性實施例的傳感器 設(shè)備6900。傳感器i殳備6卯0特別適用于確定動態(tài)力，例如扭矩，并且包 括具有多個磁編碼區(qū)域的可運動物體6卯1。特別地，磁編碼區(qū)域的數(shù)量 是偶數(shù)，并且優(yōu)選地，這種區(qū)域以類似于棋盤的圖案設(shè)置，在圖69中用 虛線表示的、并被標(biāo)記"+ "和"-"的不同區(qū)域示意性表示這種圖案。 磁編碼區(qū)域關(guān)于可運動物體沿其圓周布置。傳感器設(shè)備6卯0還包括多個 磁場檢測器6卯2，在圖69中僅示意性地示出一個磁場檢測器。磁場檢測 器的數(shù)量是P, ,=>eN|r>G}，其中ys(2卜tet(5:),"eN，即n是正整數(shù)，a是磁編碼區(qū)域的數(shù)量。正如磁編碼區(qū)域那樣，磁場檢測器沿可運動物體 的圓周放置。如圖70中的示意性表示的，后面將進行描述。根據(jù)本發(fā)明， 多組磁編碼區(qū)域可以位于可運動物體上，即，第二、第三等行的沿圓周的 磁化區(qū)域可以相鄰于所示的磁編碼區(qū)域來設(shè)置，以形成如圖68B示意性 表示的真正的類似于棋盤的結(jié)構(gòu)。在這種情況下，對于每組磁編碼區(qū)域設(shè) 置了多個磁場檢測器，所述多個磁場檢測器受到上述限制。
磁場檢測器6卯0耦合到物理^信息確定單元6卯3。物理^t信 息確定單元6卯3包括幾個元件。這些元件之一是信號調(diào)節(jié)信號處理單元 6904，其被耦合到多個磁場檢測器并用于處理所檢測到的信號和生成經(jīng)過 處理的檢測信號。
經(jīng)過處理的信號被提供給速度檢測單元6卯6和可編程濾波器6卯5。 速度檢測單元6卯6還連接到可編程濾波器6卯5,用于確定可運動物體 6901的速度以及將對應(yīng)于所確定速度的速度信號提供給可編程濾波器 6卯5。這種速度信號可以被用作可編程濾波器6卯5的濾波器信號。
可編程濾波器6905用于才艮據(jù)SCSP單元6卯4的經(jīng)過處理的信號以 及速度檢測單元6906的速度信號來生成一信號。接著濾波器單元6卯5的 這種信號被提供給整流器6卯7，整流器6卯7也是物理參數(shù)信息確定單元 6卯3的一部分。整流器6卯7的輸出信號表示與施加到可運動物體6901 上的扭矩相應(yīng)的信號。
參照圖70,其示意性地示出了可運動物體7000的橫截面。圖70中 所示的可運動物體包括示意性示出的、并用"+ "或"-"標(biāo)記的8個磁 編碼區(qū)域。而且，在圖70的四個部分中示出了不同數(shù)量的磁場檢測器7001 到7009。在左上部，示出3個磁場檢測器7001到7003。在右上部，示出 了 5個磁場檢測器7001到7005。在左下部，示出了 7個磁場檢測器7001 到7007。在右下部，示出了 9個磁場檢測器7001到7009。磁場檢測器可 以沿可運動物體的圓周被等距地隔開或者被不均勻地隔開。
在下文中，參照圖71所示，描述了編碼技術(shù)的示例性實施例。這 種技術(shù)要求將被磁處理的可磁化物體，即軸，由鐵磁材料制造。在圖71A 中，示意性地示出了軸7100 ，圍繞軸7100設(shè)置多條導(dǎo)線7101 、 7102 、 7103 以及7104。根據(jù)該實施例，圍繞軸7100共設(shè)置不接觸軸7100的六條導(dǎo) 線。當(dāng)對磁編碼區(qū)域進行編碼時，電流L流過這些導(dǎo)線。在圖71B中示 出了通過軸7100和導(dǎo)線的橫截面。上述磁編碼技術(shù)將產(chǎn)生永磁性的6個周期的正弦波圖案，當(dāng)磁編碼 軸旋轉(zhuǎn)約360度時，即當(dāng)軸旋轉(zhuǎn)大約一周時，這種正弦波圖案可以被檢測 到。在編碼過程中平行于軸延伸的電導(dǎo)線盡可能靠近軸放置時，正弦波圖 案的幅值和正弦形狀的對稱性增加。然而，這些導(dǎo)線并不^:要建立到軸表 面的電連接。
當(dāng)將PCME脈沖信號用于磁編碼時，可以實現(xiàn)最佳的效果。在完成 磁編碼后，不再需要電導(dǎo)線并且可以將其移除。為了針對每個正弦波得到 相同的信號幅值，重要的是每條導(dǎo)線中平行于軸的軸向流過的電流具有相 同的值，即具有相同的電流值。
到達和來自于編碼"線架"的準(zhǔn)確的導(dǎo)線路徑是關(guān)鍵。圖71不能 表示出可能的最佳導(dǎo)線路徑，其更多地具有符號特征。
圖72示意性地示出了由MFS設(shè)備獲取的信號曲線圖，MFS設(shè)備感 測圖71中示意性描述的軸。該曲線圖表示對軸旋轉(zhuǎn)約360度并利用切向 設(shè)置的MFS設(shè)備獲取信號時的6個正弦波周期。在圖72的X軸上，示 出了被3除過的旋轉(zhuǎn)位置，即，例如數(shù)值55與165度相關(guān)。在Y軸上以 任意單位示出了相對輸出信號。
雖然結(jié)合圖71所描述的磁編碼原理對于構(gòu)itit度或角位置傳感器 來說可能是理想的，但是其也允許測量機喊力。然而，獲取和處理信號的 方法對于克服RSU (轉(zhuǎn)動信號均勻性)和信號極性改變的問題來說相對 復(fù)雜。優(yōu)選地，如圖69中的示意性描述，信號整流器用于測量機械力。 例如，當(dāng)僅采用一個MFS設(shè)備，并且軸根本不運動時，即在靜態(tài)扭矩測 量的情況下，在統(tǒng)計學(xué)上MFS設(shè)備能夠鎖定于餘溪位置，即在"零"信 號值點，因此將不能檢測到任何機喊力?？商鎿Q地，當(dāng)軸以特定的速度旋 轉(zhuǎn)并且不使用信號整流器時，交變的正扭矩信號和負扭矩信號能夠彼此抵 消掉。
在下文中，參照圖73所示，描述了編碼技術(shù)的另一個示例性實施 例。這種技術(shù)類似于圖71中所示的技術(shù)，但是包括兩組導(dǎo)線。將被磁處 理的軸也必須由鐵磁材料制造而成。在圖73A中示意性地示出了軸7300， 多條導(dǎo)線7301、 7302、 7303以及7304圍繞軸730(H殳置。才艮據(jù)該實施例， 一共6條導(dǎo)線圍繞軸7300設(shè)置而不接觸軸7100，在這6條導(dǎo)線中僅示出 4條導(dǎo)線。這些導(dǎo)線形成了第一組導(dǎo)線，即第一線架，電流L流過第一組 導(dǎo)線，同時對磁編碼區(qū)域進行編碼。與圖71A中所示的實施例相反，第 二組導(dǎo)線，即第二線架圍繞軸7300設(shè)置。電流12流過這些導(dǎo)線7305、7306以及7307，同時進行編碼，電流I2與電流^的強度相同但是方向相反。 以交替的方式放置第一組導(dǎo)線和第二組導(dǎo)線，即在每兩條屬于第一組的導(dǎo) 線中間設(shè)置一條屬于第二組的導(dǎo)線。通it^幾何上將導(dǎo)線設(shè)置在第一線架 的導(dǎo)線之間，并且使相同強度的編碼電流以相反方向通過這些導(dǎo)線，在進 行了磁編碼之后，可實現(xiàn)的傳感器信號增益至少為僅采用一個線架以對軸 進行磁編碼時的兩倍。在兩個線架處或附近的任何位置都不允許該兩個相 反的電流路徑使彼此變短。
在每個線架中使用的導(dǎo)線數(shù)量確定圍繞感測軸表面設(shè)置多少個信 號周期(正弦波)。基本上，對于平行于軸設(shè)置多少電流路徑?jīng)]有限制。 然而，如果這個數(shù)量變得過大，則最后得到的信號幅值就變得較小，因此， 這就意味用于檢測和測量角位置信號的MFS設(shè)備必須接近于軸表面放 置。最后當(dāng)電導(dǎo)線路徑的數(shù)量變得非常大時，磁極性變化周期彼此非常接 近，從而最后的信號增益非常小，并且所使用的MFS設(shè)備的物理幾何結(jié) 構(gòu)太大以致于不能在信號極性變化之間進行區(qū)分，即任何事情都變得"昏 暗"和電不可分辨。
圖74示意性地示出了當(dāng)對可磁化編碼的區(qū)域進4亍編碼時，利用一 條導(dǎo)線實現(xiàn)的磁化。在圖74A中，軸7400的橫截面被表示為設(shè)置了導(dǎo)線 7401,其中導(dǎo)線7401與軸7400不直揍接觸。而且，在圖74A中示意性 地示出了由流過導(dǎo)線7401的電流產(chǎn)生的磁場的等勢線7402和7403。在 進行磁編碼后，移除導(dǎo)線7401，產(chǎn)生的磁場線將在軸中閉合，即將在軸 7400的表面之下重新結(jié)合。在圖74B中示出了這種情況。即，PCME編 碼脈沖將磁化軸表面的上層。右邊的圖74C示出了可以在軸表面檢測到 的希望的磁通效應(yīng)7405及其方向。這種初始磁化的深度依賴于電導(dǎo)線距 離軸表面放置的接近程度以及最佳平衡的PCME脈沖的最大電流值，這 里最佳平衡意味采用快速的脈沖上升時間和緩慢的脈沖下降時間。在 PCME脈沖完成之后，磁化的軸表面瞬時形成其自己的磁環(huán)路，這在圖 74C中和圖74C下的放大視圖中示意性地描述。不這樣做將意味著在軸 表面內(nèi)部不會存在永久磁場。借助于徑向敏感的MFS設(shè)備和切向敏感的 MFS設(shè)備可以檢測和測量正好位于軸表面下的這種軸內(nèi)磁環(huán)路的效應(yīng)。
圖75示意性地示出了當(dāng)對與圖73中所示的設(shè)置對應(yīng)的磁編碼區(qū)域 進行編碼時，利用每個都包括四條導(dǎo)線的兩個線架實現(xiàn)的磁化。這種情況 類似于結(jié)合圖74描述和說明的情況。在圖75A中，示出了在周圍設(shè)置第 一組導(dǎo)線7501、 7502、 7503以及7504的軸7500的橫截面。第二組導(dǎo)線7505、 7506、 7507以及7508也圍繞軸7500設(shè)置，其中所有導(dǎo)線都與軸 7500不直接接觸。而且，在圖75A中示意性地描述了分別流過導(dǎo)線7501 和7502的電流^產(chǎn)生的磁場的等勢線7509和7510。當(dāng)對軸7500進行編 碼時，方向相反幅值相同的電流12被引導(dǎo)通過第二組導(dǎo)線。這也由等勢線 7511和7512示意性地示出。
也就是說，圖75示出了采用以下設(shè)置時軸表面之上和之下的效果 四條導(dǎo)線平行于軸放置，每隔卯度角圍繞軸放置。這四條導(dǎo)線中的電編 碼電流相等并以相同的方向流動，當(dāng)將導(dǎo)線放置在這些導(dǎo)線的每個之間 時，電流值相同但方向相反。
而且，圖75A是在主要的PCME編碼時刻，角度和機械力感測區(qū) 域中心的軸橫截面。在進行PCME編碼并且在軸表面下形成穩(wěn)定和永久 的磁環(huán)路通量結(jié)構(gòu)7513、 7514、 7516以及7517后得到圖75B。而圖75C 和圖75D示出了在軸表面可以檢測到的期望的磁通效應(yīng)和其方向。
圖76示意性地示出了導(dǎo)線的另一個示例性實施例，利用該導(dǎo)線可 以對軸7600的可磁編碼區(qū)域進4亍磁編碼。在圖76A中，編碼導(dǎo)線7601、 7602、 7603、 7604以及7605圍繞軸表面被均勻地隔開。在進行編碼之前， 一條導(dǎo)線例如7605被拿掉，從而缺少的導(dǎo)線將會在剩余的導(dǎo)線之間留下 更寬的間隔。這種更寬的間隔將會導(dǎo)致這種情況，即MFSi殳備檢測到的 數(shù)字化的模擬感測信號更清楚地突出了缺少的脈沖。在圖76中還示出了 數(shù)字化的模擬信號。這是一種有助于識別"絕對"角位置的可能的編碼技 術(shù)。
當(dāng)僅采用一個MFS設(shè)備時，軸需要旋轉(zhuǎn)約360度以確保已經(jīng)定位 缺少的"脈沖"。從那時起，角度傳感器鎖定于旋轉(zhuǎn)軸的絕對位置。當(dāng)采 用兩個或多個MFS設(shè)備時，可以相應(yīng)地減少所需要的軸的旋轉(zhuǎn)運動。即， 當(dāng)釆用兩個MFS設(shè)備時，軸需要旋轉(zhuǎn)360 - l別度。當(dāng)釆用三個或 多個MFSi殳備時，則可以立即識別旋轉(zhuǎn)軸的絕對位置。即，不需要對軸 進行旋轉(zhuǎn)來識別缺少的脈沖。
代替一個缺少的齒，通過以正確的間隔放置編碼導(dǎo)線可以復(fù)制任何 其它值得考慮的信號圖案。例如對數(shù)間隔，即兩個連續(xù)導(dǎo)線之間的距離以 對數(shù)方式增加的間隔。
圖77示意性地示出了一個示例性的實施例，其中感測軸是管7700。 圖77A示意性地示出了感測軸7700,四條導(dǎo)線7701、 7702、 7703以及7704用于產(chǎn)生磁編碼區(qū)域。在管狀軸的情況下，當(dāng)對軸進行編碼時優(yōu)選 地將導(dǎo)線放置在軸的內(nèi)部。在編碼期間當(dāng)導(dǎo)線M置在管狀軸內(nèi)部時，在 進行測量時，優(yōu)選地將磁場傳感器7705、 7706、 7707以及7708也放置在 管的內(nèi)部。這在圖77B中示意性地示出。
也就是說，當(dāng)感測軸是管時，可以在管的內(nèi)部或外部進行磁編碼。 在管內(nèi)部進行磁編碼的情況下，當(dāng)將MFSi殳^^放置在管的內(nèi)部時，就實 現(xiàn)了最佳的信號檢測效果。在編碼過程發(fā)生的同側(cè)，磁通量圖案具有最準(zhǔn) 確的間隔限定。因此，當(dāng)對管狀軸進行編碼時，優(yōu)選地將電耦合元件，例 如導(dǎo)線放置在管狀軸的一側(cè)，在進行測量時將磁場傳感器放置在與電耦合 元件相同的一側(cè)。
圖78示意性地示出了用于軸7800的編碼技術(shù)的另一個示例性實施 例，其中導(dǎo)線7801、 7802、 7803、 7804、 7805以及7806在軸7800的一 端附近彎曲。只要線架的電阻抗不限制PCME編碼脈沖的效率，就可以 采用這種技術(shù)，電導(dǎo)線需要平行于軸通過。也就是說，必須平行于軸通過 的電導(dǎo)線可以在一端被彎曲并平行于軸地返回，但是移動了期望的角度
值。然而，由于導(dǎo)線阻抗可以高于其它所描述的線架該:計中的導(dǎo)線阻抗，
因此可實現(xiàn)的角度傳感器的信號幅值就可以更低。
圖79示出了對軸7卯0進行編碼時設(shè)置兩個線架的另一個示例性實 施例。包括幾條導(dǎo)線7卯1、 7902、 7卯3以及7卯4的第一線架被設(shè)置為與 包括導(dǎo)線7卯5、 7卯6、 7卯7以及7卯8的第二線架相鄰，其中第一線架的 導(dǎo)線中的電流方向與第二線架的導(dǎo)線中的電流方向相反，這由導(dǎo)線上的箭 頭示意性地示出。
也就是說，為了執(zhí)行"不同模式，，的信號處理，可以采用幾種選擇。 圖79中所示的一種是將兩個編碼區(qū)域并排放置但是輸出信號極性相反。 釆用以相同的方向進行檢測并乾故置在兩個編碼傳感器區(qū)域之上的兩個 MFS設(shè)備，使得當(dāng)從彼此中減去輸出信號時能夠消除任何不希望的干擾 磁信號。即，輸出信號是輸出信號-MFSrMFS2。
圖80示意性地示出了關(guān)于軸8000的磁場傳感器的示例性i殳置。在 圖80A中，示出了所謂的切向設(shè)置，其中磁場檢測器8001和8002的縱 軸與軸8000的縱軸垂直并且與軸8000的圓周相切。在圖80B中，示出 了所謂的徑向"^殳置，其中MFS 8001和8002的縱軸與軸的縱軸垂直并且 處于軸的半徑方向上。兩個MFS設(shè)備的切向和徑向設(shè)置使得能夠檢測角 度軸信息。在圖80C中，示出了所謂的軸向設(shè)置，其中軸的縱軸與MFS8001和8002的縱軸平行。以軸向區(qū)別的MFS "&備的i殳置對于測量施加 到磁編碼軸上的;W^應(yīng)力是最理想的。
在圖81中，示出了輸出信號的示意圖。當(dāng)以最佳方式圍繞磁編碼 軸表面設(shè)置若干MFS設(shè)備、并建立所使用的MFS設(shè)備的絕對信號輸出 的平均值時可以保證幾乎不變的輸出信號，這與相對軸旋轉(zhuǎn)無關(guān)。最佳方 式取決于圍繞360度的軸表面設(shè)置的磁信號周期的數(shù)量，并且還取決于將 要使用的MFS設(shè)備的數(shù)量。
在該實例中，四個MFS設(shè)備間隔22.5度的旋轉(zhuǎn)角度圍繞軸放置， 同時在軸表面編碼兩個完整的磁信號周期。MFS設(shè)備的角位置被示意性 地表示為圖81中的垂直線8100、 8101、 8102以及8103。請注意，舉例 來說，用因數(shù)4.5壓縮X軸，使得值40對應(yīng)于180度的位置。在Y軸上， 用任意單位表示單個MFS測量到的輸出信號。如果所使用的MFS i史備 的物理尺度不允許它們彼此如此靠近，則它們可以改為放置在另一個>^信 號周期的相同的相對位置上。例如，線8102表示的MFS可以改為設(shè)置在 與值10對應(yīng)的位置，即值50處。
在圖82中，示出了輸出信號的其它示意圖。如已經(jīng)提到的，當(dāng)建立所使 用的MFS設(shè)備的絕對信號輸出的平均值時，可以保證幾乎不變的輸出信 號，這與相對的軸旋轉(zhuǎn)無關(guān)。在圖82的上圖中，四個MFS ,皮i史置在標(biāo)記 為8201、 8202、 8203以及8204的位置處，而在下圖中，四個MFS ,皮i殳 置在標(biāo)記為8205、 8206、 8207以及8208的位置處。在圖82中，以因數(shù) 4.5壓縮X軸，Y軸以任意單位表示輸出信號。盡管在圖81和圖82中 MFS的位置不同，但是計算出的輸出信號是相同的，這些輸出信號是通 過將四個MFS設(shè)備設(shè)置在如圖81和圖82的三個圖中所示的角位置處得 到的計算出的輸出信號是相同的。即，所施加的扭矩可以由下式確定
丄 & |MFSl| + |MFS2| + |MFS3| + |MFS4|
其中MFS1、 MFS2、 MFS3以及MFS4是由相應(yīng)的磁場傳感器設(shè)備 測量的信號，即扭矩可以通過計算磁場傳感器設(shè)備信號的數(shù)學(xué)平均而確 定。
在圖83中，示意性示出了四個磁場傳感器i殳備關(guān)于軸8300的兩種 不同的i殳置選擇。原則上，四個磁場傳感器8301、 8302、 8303以及8304 可以以任何期望的設(shè)置來放置。也就是說，圖83表示當(dāng)采用上述關(guān)系式確定扭矩時，如何圍繞軸 表面設(shè)置四個MFS設(shè)備(在相同的軸橫截面上)以實現(xiàn)相同的輸出信號 結(jié)果的兩種選擇。MFS設(shè)備在軸向敏感，其測量扭矩應(yīng)力。軸現(xiàn)在可以 自由旋轉(zhuǎn)，扭矩信號幅值僅能稍微變化。為了實現(xiàn)更穩(wěn)定的輸出信號，優(yōu) 選地增加MFS設(shè)備的數(shù)量。
圖84示意性地示出了編碼技術(shù)的另一個示例性實施例。盡管目前 所示的磁編碼是通過將電導(dǎo)線"平行于"感測軸8400放置而產(chǎn)生的，但 是編碼導(dǎo)線也可以全部或部分在切向方向上圍繞軸纏繞。在圖84A所示 的實例中，兩條導(dǎo)線8401和8402中的每條導(dǎo)線圍繞軸表面纏繞幾乎180 度的角度，并且不直接接觸軸8400。圍繞軸纏繞的兩條導(dǎo)線中的電流以 關(guān)于軸表面相反的方向延伸。
圖84A示出了截面圖，圖84B示出了軸8400的透視圖。在圖84B 中，每隔幾毫米就會有另一條導(dǎo)線圍繞軸8400纏繞，從而從一條導(dǎo)線到 下一條導(dǎo)線，導(dǎo)線中的電流方向翻轉(zhuǎn)為相反的方向，即，從一條導(dǎo)線到下 一^"相鄰的導(dǎo)線，電流方向改變。在圖84B中，示意性地示出六對導(dǎo)線， 其中只有部分導(dǎo)線被標(biāo)記為8401、 8402、 8403、 8404、 8405、 8506。當(dāng) 然線對的數(shù)量可以更多。在軸表面產(chǎn)生的磁圖案對應(yīng)于棋盤狀圖案。
對根據(jù)圖84的實施例的磁編碼進行優(yōu)化，以便非常精確地測量軸 的軸向運動(相對于靜止的MFS設(shè)備)、角旋轉(zhuǎn)(當(dāng)編碼導(dǎo)線沒有纏繞 360度，而只是180度時)，以及施加到軸上的機械力。
然而，編碼圖案變得越復(fù)雜，則信號檢測和信號處理就會變得越復(fù)雜。
本發(fā)明的一個特征是，由磁編碼區(qū)域限定的結(jié)構(gòu)可以基本表現(xiàn)出每 個期望的形式。特別地，在可磁化元件中生成的磁場結(jié)構(gòu)可以是不均勻的， 即該結(jié)構(gòu)不必關(guān)于可>^化元件均勻。而且，該結(jié)構(gòu)可以關(guān)于可^^化元件徑 向、軸向或切向設(shè)置。特別地，PCME技術(shù)使得能夠在可磁化元件中產(chǎn) 生基本上每種期望的圖案。
應(yīng)該注意到，術(shù)語"包括"并不排除其它元件或步驟，"一個"并 不排除多個。同時可以對根據(jù)不同實施例描述的元件進行組合。
應(yīng)該注意到，權(quán)利要求中的附圖標(biāo)記不應(yīng)看作對權(quán)利要求范圍的限制。
權(quán)利要求
1、一種用于磁化可磁化元件以生成磁化編碼區(qū)域的裝置，所述裝置包括用于電耦合可磁化元件的至少兩個不同部分的電耦合元件；連接到所述電耦合元件并適于將至少兩個不同電信號耦合到所述至少兩個不同部分以在可磁化元件的所述至少兩個不同部分中生成至少兩個不同的磁編碼區(qū)域的電信號供應(yīng)單元。
2、 如權(quán)利要求l所述的裝置，其中電耦合元件是接觸所述至少兩個不同部分的電連接元件，以及其中所述至少兩個不同電信號的耦合是將所述至少兩個不同的電信 號施加到所述至少兩個不同部分上。
3、 如權(quán)利要求l所述的裝置，其中電耦合元件是用于以非歐姆方式耦合到所述至少兩個不同部分 的電非歐姆元件，以及式引入到所述至少兩個不同部分。
4、 如權(quán)利要求3所述的裝置，其中電耦合元件是與可磁化元件的軸平行設(shè)置的導(dǎo)線。
5、 如權(quán)利要求3所述的裝置，其中電耦合元件是與可磁化元件的軸相切設(shè)置的導(dǎo)線。
6、 如權(quán)利要求5所述的裝置，其中所述至少兩個不同的電信號的強U本相同。
7、 如權(quán)利要求3到6中任一項所述的裝置，其中電耦合元件被設(shè)置于第一電耦合元件組和第二電耦合元件組中， 其中預(yù)定強度的電信號被施加到第 一組的電耦合元件上，并且具有該預(yù)定 強度的電信號被施加到第二組的電耦合元件上，其中被施加到第一組的信 號具有與被施加到第二組的信號相反的方向。
8、 如權(quán)利要求7所述的裝置，其中，在第一組的每兩個電耦合元件之間設(shè)置第二組的一個電耦合元件。
9、 如權(quán)利要求1到8中任一項所述的裝置，其中耦合元件圍繞可磁化元件被等間隔地設(shè)置，或不等間隔地布置， 或以對數(shù)關(guān)系間隔設(shè)置。
10、 如權(quán)利要求1到9中任一項所述的裝置，其中對電耦合元件進行連接以形成電耦合元件組，其中每個電耦合元 件組被分配給所述至少兩個不同部分中的相應(yīng)的一個，其中電耦合元件組 中的至少一個電連接元件用于將相應(yīng)的電信號從電信號供應(yīng)單元導(dǎo)向到 相應(yīng)的部分，并且電耦合元件組中的至少另 一個電耦合元件用于將相應(yīng)的 電信號W目應(yīng)的部分引導(dǎo)回電信號供應(yīng)單元。
11、 如權(quán)利要求1到10中任一項所述的裝置，該裝置適用于以可運動物體的至少兩個部分中的變化的磁場強度來 生成磁編碼區(qū)域。
12、 如權(quán)利要求1到11中任一項所述的裝置，該裝置適用于以可運動物體的至少兩個部分中的變化的磁極性來生 成磁編》馬區(qū)域。
13、 如權(quán)利要求1到12中任一項所述的裝置，其中所述裝置用于磁化管狀的可磁化元件，使得在所述可磁化元件表 面的平面投影中，磁編碼區(qū)域的磁場強度和/或極性可以形成棋盤狀結(jié)構(gòu)。
14、 如權(quán)利要求1到13中任一項所述的裝置， 其中所述裝置用于根據(jù)下述制造步驟制造至少兩個磁編碼區(qū)域 將第一電流脈沖施加到相應(yīng)部分；其中所述裝置還用于施加第一電流脈沖，使得在沿相應(yīng)部分的縱軸的 第一方向上存在第一電流；其中所述第一電流脈沖使得所述電流脈沖的施加在所述相應(yīng)部分中 生成磁編碼區(qū)域。
15、 如權(quán)利要求14所述的裝置，其中所述裝置還用于將第二電流脈 沖施加到相應(yīng)部分上；以及用于施加所述第二電流脈沖以^f吏得在沿所述相應(yīng)部分的縱軸的第二 方向上存在第二電流。
16. 如權(quán)利要求15所述的裝置，其中所述裝置用于使所述第一電流 脈沖和第二電流脈沖中的每一個都具有上升沿和下降沿，其中上升沿比下降沿陡。
17. 如權(quán)利要求15或16所述的裝置， 其中第一方向與第二方向相反。
18. 如權(quán)利要求1到17中任一項所述的裝置，還包括多個電信號供 應(yīng)單元，其中每個電信號供應(yīng)單元用于將電信號施加到一個指定的部分。
19. 如權(quán)利要求1到17中任一項所述的裝置，還包括用于將電信號 施加到所有部分上的單個電信號供應(yīng)單元。
20. 如權(quán)利要求1到19中任一項所述的裝置，還包括用于耦合可磁 化元件的a個不同部分的電耦合元件，其中
21. —種用于確定可運動物體的至少一個物理參數(shù)信息的傳感器設(shè) 備，所述傳感器設(shè)備包括被設(shè)置在所述可運動物體上的至少兩個磁編碼區(qū)域；至少兩個磁場檢測器；物理參數(shù)信息確定單元；其中當(dāng)隨所述可運動物體運動的所述至少兩個磁編碼區(qū)域通過所述 至少兩個磁場檢測器的周圍區(qū)域時，所述至少兩個磁場檢測器用于檢測由 所述至少兩個磁編碼區(qū)域生成的信號；其中所述物理參數(shù)信息確定單元用于根據(jù)所檢測的信號來確定可運 動物體的至少一個物理參數(shù)信息。
22.如權(quán)利要求21所述的傳感器設(shè)備，包括設(shè)置在可運動物體上的 OC個磁編碼區(qū)域，其中fl = 2.",ne7V ,還包括P個磁場檢測器，其中
23.根據(jù)權(quán)利要求21或22所述的傳感器設(shè)備，其中所述至少一個物 理^lt是從由下述構(gòu)成的組中選擇的可運動物體的位置、施加到可運動 物體上的扭矩、施加到可運動物體上的拉力、施加到可運動物體上的彎曲 力、施加到可運動物體上的剪力、施加到可運動物體上的動態(tài)力、可運動物體的速度、可運動物體的角位置、可運動物體的速度信息，以及可運動 物體的功率。
24. 如權(quán)利要求23所述的傳感器設(shè)備，其中所述物理^lt信息確定 單元包括與所述至少一個磁場檢測器耦合、并用于處理所述檢測到的信號 和生成經(jīng)過處理的檢測信號的信號調(diào)節(jié)信號處理單元。
25. 如權(quán)利要求24所述的傳感器設(shè)備，所述物理參數(shù)信息確定單元 還包括第一確定元件；以及濾波器元件；其中所述第 一確定元件用于根據(jù)所述經(jīng)過處理的檢測信號來提供指 示信號，其中所述指示信號表示第一物理參數(shù)信息，并且作為過濾器信號 ,皮傳遞到所述濾波器元件；其中所述濾波器元件用于根據(jù)所述經(jīng)過處理的檢測信號和所述濾波 器信號提供表示第二物理^lt信息的輸出信號。
26. 如權(quán)利要求25所述的傳感器設(shè)備，其中所述第一物理參數(shù)是可 運動物體的速度信息和/或所述第二物理參ltA動態(tài)力。
27. 如權(quán)利要求25或26所述的傳感器設(shè)備，其中所述物理^lt信息 確定單元還包括適于對所述濾波器元件的輸出信號進行整流的整流器。
28. —種用于磁^f匕可磁^f匕元件以生成磁編碼區(qū)域的方法，所述方法包 括以下步驟用電信號供應(yīng)單元電連接可磁化元件的至少兩個不同部分；借助于所述電信號供應(yīng)單元將至少兩個不同的電信號耦合到所述至 少兩個不同部分，以在可磁化元件的所述至少兩個不同部分中生成至少兩 個不同的磁編碼區(qū)域。
29. —種確定可運動物體的物理參數(shù)信息的方法，所述方法包括當(dāng)隨可運動物體運動的所述至少兩個磁編碼區(qū)域通過所述至少兩個 磁場檢測器的周圍區(qū)域時，借助于至少兩個磁場檢測器來檢測通過至少兩 個磁編碼區(qū)域生成的信號；根據(jù)檢測到的信號確定所述可運動物體的物理參數(shù)信息。
全文摘要
一種用于磁化可磁化元件以生成磁編碼區(qū)域的裝置，該裝置包括用于電接觸可磁化元件的至少兩個不同部分的電連接元件，以及連接到該電連接元件并用于將至少兩個不同電信號施加到所述至少兩個不同部分以在該可磁化元件的所述至少兩個不同部分中生成至少兩個不同的磁編碼區(qū)域的電信號供應(yīng)單元。
文檔編號G01L3/10GK101287978SQ200680025213
公開日2008年10月15日 申請日期2006年7月11日 優(yōu)先權(quán)日2005年7月11日
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