CN101802633A - 磁电阻传感器装置及其信号处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于测量磁场的方法和传感器装置(1)，所述传感器装置(1)包括第一电路(4)和第二电路(6)，所述第一电路(4)包括磁敏传感器元件(2)和电流源(5)，所述第二电路(6)包括信号发生器(3)以及用于在传感器元件(2)处产生激励磁场的线圈(3)，其中，可以对传感器元件的输出信号进行处理，使得可以推导出传感器信号的二阶导数以及信号发生器的信号的二阶导数，其中可以对所述传感器信号的二阶导数以及信号发生器的信号的二阶导数进行处理，使得得到可计数信号，所述可计数信号是所述磁场的度量。

Description

磁电阻传感器装置及其信号处理方法

技术领域

本发明涉及根据权利要求1前序部分所述的传感器装置，以及根据权利要求7前序部分所述的方法。

背景技术

转速传感器经常用于测量汽车元件的转速，从而经常用在汽车应用中。这样的应用已知为防抱死制动***(ABS***)、汽车发动机或汽车传动或汽车控制或安全***。

在现有技术中，AMR(各向异性磁电阻)传感器是已知的，并且广泛用于汽车应用领域中。此外，AMR传感器还通常是优选的，因为AMR传感器具有大的感测距离和相对高的灵敏度。然而，这种已知的AMR传感器不能满足在气隙能力(air gap capability)方面提高的需要。特别地，汽车传动应用需要大的感测距离，到目前为止必须使用稀土磁体来实现这一点。

转速传感器的感测距离依赖于许多参数。这些参数之一是传感器的灵敏度。特别地，在传动的被动齿轮的情况下，气隙能力还很大程度上依赖于永磁体的能量。可以通过提高灵敏度或通过使用更强的磁体来扩大感测距离。不利地，由稀土材料构成的强磁体非常昂贵，因此气隙能力受到传感器的灵敏度以及可接受的产品成本的限制。

此外，现有技术中配备有由铁、铁氧体或AlNiCo合金构成的标准磁体的AMR传感器不能提供在诸如汽车传动***等许多应用领域中都需要的气隙能力。

发明内容

本发明的目的是形成一种传感器装置和相应的方法，该装置和方法允许高灵敏度以便实现更大的感测距离，而与包含稀土磁体的传感器装置相比没有那么昂贵。

进一步地，本发明的目的是提高传感器装置的灵敏度，使用弱磁体，以及减少或避免对昂贵稀土磁体的使用。进一步地，在使用稀土磁体的情况下，本发明的目的是与现有技术的灵敏度相比提高灵敏度。

将使用包含权利要求1的特征在内的传感器装置来实现上述目的。此外，将使用根据权利要求7所述的方法来实现关于方法的目的。

本发明的用于测量磁场的传感器装置包括第一电路和第二电路，所述第一电路包括磁敏传感器元件(如，AMR元件)以及电流源或电压源，所述第二电路包括信号发生器以及在传感器元件处产生激励磁场的线圈，此外，可以对传感器元件的输出信号进行处理使得可以推导出传感器信号和信号发生器的信号的二阶导数，可以对传感器信号和信号发生器的信号的二阶导数进行进一步处理使得得到可计数信号，所述可计数信号是所述磁场的度量。

根据本发明，有利的是信号发生器产生振荡信号，例如，锯齿波信号或其他周期信号。

此外，根据本发明，有利的是传感器信号的二阶导数和/或信号发生器的信号的二阶导数被用作相应模数转换器(ADC)的输入信号。

根据本发明的一个实施例，优选的是，至少一个模数转换器的输出信号被用作组合装置的输入信号，用于产生可计数信号。根据本发明的实施例，有利的是，这两个信号被用作组合装置的输入信号。此外，有利的是，组合装置的输出信号包括可由计数器来计数的信号信息。因此，优选地，所计数的信号是外部磁场的度量。

此外，有利的是，磁敏传感器元件是非线性各向异性磁电阻(AMR)器件或巨磁电阻(GMR)器件。

本发明的对用于测量磁场的传感器装置进行处理的方法，所述传感器装置包括第一电路和第二电路，所述第一电路包括磁敏传感器元件(例如，AMR元件)和电流源或电压源，所述第二电路包括信号发生器以及用于在传感器元件处产生激励磁场的线圈，该方法包括以下步骤：对传感器元件的输出信号进行处理，使得推导出传感器信号的二阶导数和信号发生器的信号的二阶导数，所述传感器信号的二阶导数和信号发生器的 信号的二阶导数被进一步处理，使得对信号计数，作为所述磁场的度量。

此外，有利的是，传感器信号的二阶导数和/或信号发生器的信号的二阶导数被用作相应模数转换器(ADC)的输入信号。此外，有利的是，至少一个模数转换器的输出信号被用作组合装置的输入信号，用于产生可计数信号，组合装置的输入信号包括由计数器来计数的信号信息。

附图说明

通过以下结合附图对本发明示例实施例的描述，本发明的上述和其他特征以及优点将变得显而易见，附图中：

图1示出了本发明的传感器装置的示意图；以及

图2示出了表示本发明的装置的功能的图；

图3示出了表示输出信号以及相应的一阶导数和二阶导数的图；

图4示出了表示作为时间函数的信号的图；以及

图5示出了说明本发明的框图。

具体实施方式

图1示出了说明本发明的传感器装置1的示意图。相应地，传感器装置1优选地包括非线性化的AMR元件2和线圈3。在电路4中AMR元件2与电流源5相连或与电流源5切换。电流源5产生电流I_sensor，电流I_sensor使得产生沿着AMR元件2的电压降U_sensor。线圈3是第二电路6的一部分，第二电路6包含产生激励电流I_ext的激励装置7。线圈3在y方向上产生磁周期激励，该磁周期激励必须足够大以至于AMR元件2达到饱和。对于解调，线性激励是有利的，例如锯齿波。

也可以使用电压源5以代替电流源5。在这种情况下，代替电压信号，必须对电流信号进行评估以接收相应的信号信息。以下描述仅描述了电压信号的评估，然而如上所述，电流信号的评估也是可能的。

可以利用如下方法来驱动该设备：通过对相位调制的传感器输出信号进行解调以测量弱磁场。

为此，在y方向上经由激励装置7通过AC激励来驱动非线性化的传感器元件3。为了激励传感器元件3，可以将线圈实现为芯片上线圈3，该芯片上线圈3对磁场进行调制。由于激励大，所以传感器元件3达到饱和并且产生了输出信号，其中该信号的大小与外部磁场无关。然而，外部磁场导致了传感器信号的相位调制，可以以高精度来解调传感器信号。

对于x方向上可忽略的场(H_x→O)，可以通过等式(1)来计算没有Barber电极的AMR传感器3：

$R_{\mathrm{sensor}}=R_0-\mathrm{\ΔR}(1-{\left(\frac{H_y}{H_0}\right)}^2)---\left(1\right)$

在等式(1)中，H₀表示包括所谓的退磁场和各向异性场的常量。在假定x方向上的场可忽略(H_x→O)的情况下，如果|H_y|≥H₀，则传感器3饱和。

如前述的，周期性的线性激励是有利的选择，例如，锯齿波

$H_{\mathrm{exc}}\left(t\right)={\hat{H}}_{\mathrm{exc}}(\frac{2}{T}t-1)---\left(2\right)$

其中

表示自变量(x)的函数，T表示时间常量，t表示时间，其中

${\hat{H}}_{\mathrm{exc}}>H_0---\left(3\right)$

作为锯齿波的代替，任何周期波形用于激励都是可能的。甚至非线性或先验激励(transcendental excitation)也是可能的。

为了产生等式(2)中给出的磁场，使用周期电流

$i_{\mathrm{exc}}\left(t\right)=I_{\mathrm{exc}}(\frac{2}{T}t-1)---\left(4\right)$

在等式(4)中，I_ext(x)表示自变量x的函数，T表示时间常量，t表示时间。

在这些假定条件下，如果|H_y|≥H₀，则传感器3饱和。

在下文中，必须测量的磁场称作外部磁场H_ext。对于适当选择的T，H_ext保持为常量。激励和外部场的叠加导致传感器的磁输入信号：

$H_y\left(t\right)=H_{\mathrm{ext}}+{\hat{H}}_{\mathrm{exc}}(\frac{2}{T}t-1)---\left(5\right)$

如果将等式(5)代入等式(1)，则得到

$R_{\mathrm{sensor}}\left(t\right)=R_0-\mathrm{\ΔR}{\left(\frac{H_{\mathrm{ext}}+{\hat{H}}_{\mathrm{exc}}(\frac{2}{T}t-1)}{H_0}\right)}^2---\left(6\right)$

对于恒定电流I_sensor(I_sensor＝常量)，由以下等式给出传感器3的输出信号

$u_{\mathrm{sensor}}\left(t\right)=R_0{I}_{\mathrm{sensor}}-\mathrm{\Δ}{\mathrm{RI}}_{\mathrm{sensor}}{\left(\frac{H_{\mathrm{ext}}+{\hat{H}}_{\mathrm{exc}}(\frac{2}{T}t-1)}{H_0}\right)}^2---\left(7\right)$

图2在图中示出了激励H_exc、转移特性R(H)、外部磁场H_ext以及输出信号U_sensor之间的关系。

如图2所示，时间间隔Δt₁和Δt₃依赖于H_ext，其中Δt₂是常量：

$\mathrm{\Δ}{t}_1=\frac{T}{2}(1-\frac{H_0+H_{\mathrm{ext}}}{{\hat{H}}_{\mathrm{exc}}})---\left(8\right)$

$\mathrm{\Δ}{t}_2=T\frac{H_0}{{\hat{H}}_{\mathrm{exc}}}---\left(9\right)$

$\mathrm{\Δ}{t}_3=\frac{T}{2}(1-\frac{H_0-H_{\mathrm{ext}}}{{\hat{H}}_{\mathrm{exc}}})---\left(10\right)$

等式(8)和(9)描述了与磁场H_ext相关的输出信号U_sensor的相位调制。根据上述等式，由常量时间间隔Δt₂所限定的脉冲将其位置改变由Δt₁和Δt₃给出的T。

为了得到或提取H_ext，可以应用若干方法：

第一，可以执行PM调制。为此，许多技术是可用的，例如，在AM解调器或PLL解调器之后的鉴别器。

第二，如果仅考虑输出信号的二分之一周期，则以输出信号U_sensor的占空比来给出H_ext。然而，得到外部场的最简单方式是利用计数器(例如，数字计数器)来测量Δt₁或Δt₃。在这种情况下，执行模数转换，其中转换精度依赖于计数器的时钟频率。对于时间测量，这适于修改等式(7)中给出的输出信号。从而得出

$\frac{{\mathrm{du}}_{\mathrm{sensor}}}{\mathrm{dt}}=-\frac{4\mathrm{\Δ}{\mathrm{RI}}_{\mathrm{sensor}}}{T}\frac{{\hat{H}}_{\mathrm{exc}}}{H_0}\frac{H_{\mathrm{ext}}+{\hat{H}}_{\mathrm{exc}}(\frac{2}{T}t-1)}{H_0}---\left(11\right)$ 以及

$\frac{d^2{u}_{\mathrm{sensor}}}{{\mathrm{dt}}^2}=-\frac{8\mathrm{\Δ}{\mathrm{RI}}_{\mathrm{sensor}}}{T^2}{\left(\frac{{\hat{H}}_{\mathrm{exc}}}{H_0}\right)}^2---\left(12\right)$

图3中示出了等式(7)、(11)和(12)的定性行为，其中将U_sensor示为U_output。上面的图示出了作为时间的函数的输出信号。中间的图示出了输出信号的一阶导数，下面的图示出了输出信号的相应的二阶导数。

通过1比特A/D转换，可以将等式(12)和等式(4)转换成数字信号OUT和OSC。如图4所示，对于Δt₁＜T/2，信号OUT和OSC都可以用于产生针对数字计数器的控制信号。

在图5中示出了信号处理单元的简化框图10。图5示出了模块11，其中，传感器2产生传感器信号U_sensor。该传感器信号是由外部磁场H_ext和激励场H_exc来触发的，激励场H_exc是由线圈12和振荡器7的振荡激励13产生的。将在模块14中对该传感器信号进行处理，其中将产生传感器信号的二阶导数d²U_sensor/dt²。在两个模块15和16中，1比特模数转换器(ADC)将模块13和14的信号分别转换成信号OUT和OSC。模块17是组合模块，用于产生可以由计数器18来计数的信号，其中所示计数器18由函数发生器19来触发。

如上所述，可以使用AMR器件。根据其他本发明实施例，也可以将巨磁电阻器件(GMR)用作感测设备。因此，有利的是使用由多层结构构成的GMR器件。

参考标记

1传感器装置

2传感器元件

3线圈

4电路

5电流源或电压源

6电路

7激励装置

10框图

11模块

12线圈

13激励

14模块

15模数转换器

16模数转换器

17组合模块

18计数器

19函数发生器

Claims (11)

1.一种用于测量磁场的传感器装置(1)，包括第一电路(4)和第二电路(6)，所述第一电路(4)包括磁敏传感器元件(2)以及电流源或电压源(5)，所述第二电路(6)包括信号发生器(7)以及在传感器元件(2)处产生激励磁场的线圈(3)，其中，可以对传感器元件的输出信号进行处理使得可以推导出传感器信号和信号发生器的信号的二阶导数，可以对传感器信号和信号发生器的信号的二阶导数进行处理使得得到可计数信号，所述可计数信号是所述磁场的度量。

2.根据权利要求1所述的传感器装置(1)，其中，信号发生器(7)产生振荡信号。

3.根据权利要求1或2所述的传感器装置(1)，其中，传感器信号的二阶导数和信号发生器的信号的二阶导数被用作相应模数转换器的输入信号。

4.根据权利要求3所述的传感器装置(1)，其中，至少一个模数转换器的输出信号被用作组合装置的输入信号，用于产生可计数信号。

5.根据权利要求4所述的传感器装置(1)，其中，组合装置的输出信号包括可由计数器来计数的信号信息。

6.根据前述权利要求中的至少一项所述的传感器装置，其中，磁敏传感器元件(2)是非线性各向异性磁电阻(AMR)器件或巨磁电阻(GMR)器件。

7.一种对用于测量磁场的传感器装置(1)进行处理的方法，所述传感器装置(1)包括第一电路(4)和第二电路(6)，所述第一电路(4)包括磁敏传感器元件(2)和电流源或电压源(5)，所述第二电路(6)包括信号发生器(7)以及用于在传感器元件(2)处产生激励磁场的线圈(3)，其中，对传感器元件的输出信号进行处理，使得推导出传感器信号的二阶导数和信号发生器的信号的二阶导数，对传感器信号的二阶导数和信号发生器的信号的二阶导数进行进一步处理，使得得到可计数信号，所述可计数信号是所述磁场的度量。

8.根据权利要求7所述的方法，其中，信号发生器(7)产生振荡信号。

9.根据权利要求7或8所述的方法，其中，传感器信号的二阶导数以及信号发生器的信号的二阶导数被用作相应模数转换器的输入信号。

10.根据权利要求9所述的方法，其中，至少一个模数转换器(15，16)的输出信号被用作组合装置(17)的输入信号，用于产生可计数信号。

11.根据权利要求10所述的方法，其中，组合装置(17)的输出信号包括由计数器(18)来计数的信号信息。

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