CN102822630B - 用于位置测量的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于利用磁体（2）并利用检测该磁体（2）的磁场强度的传感器（3）来进行位置测量的方法。该磁体（2）和/或该传感器（3）与可移动元件（4）协同作用。该可移动元件（4）对应于坐标系中的坐标（x,y,z）的位置能够根据由该传感器（3）所检测的、由该磁体（2）所生成的磁场（5）来确定。该传感器（3）确定在该传感器（3）中的一个位置（7）上作用的、该磁场（5）的磁场强度在三个线性无关的空间方向（6）中的分量（Bx,By,Bz）。该磁体（2）生成可解析描述的磁场（5）。在该磁场（5）的半空间中沿坐标系的坐标轴（6）的每个坐标x,y,z单独地并明确地通过由该传感器（3）所检测的、磁场强度在坐标系的所有空间方向（6）中的分量（Bx,By,Bz）的组合来确定。

Description

用于位置测量的方法
技术领域
本发明涉及用于位置测量的一种方法以及一种与此有关的装置。
背景技术
这种方法可以用作在磁性工作的位置传感器中进行三维位置确定的分析方法。
在DE 10 2008 024 103 A1中公开了利用磁体以及利用检测该磁体的磁场强度的传感器来进行位置测量的一种装置，其中该磁体和/或该传感器与可移动元件协同工作。借助该可移动元件可以致使在该传感器与该磁体之间的相对移动，使得能够根据由该传感器所检测的、由该磁体所生成的磁场对应于在坐标系中的坐标（x,y,z）来确定该可移动元件的位置。为此该传感器确定在该传感器中的一个位置或同一位置上作用的、该磁场的磁场强度在三个线性无关的空间方向上的分量（Bx,By,Bz）。该磁体如此来选择，使得其生成可解析描述的磁场。
发明内容
本发明所基于的任务是提供针对这种装置来用于位置测量的一种方法，该方法以简单的方式和方法来运行。
该任务通过一种用于利用磁体并利用检测该磁体的磁场强度的传感器来进行位置测量的方法以及通过一种与此有关的装置而得到解决。该磁体和/或该传感器与可移动元件协同作用，其中借助该可移动元件能够致使在该传感器与该磁体之间的相对移动，使得能够对应于坐标系中的坐标根据由该传感器所检测的、由该磁体所生成的磁场来确定该可移动元件的位置，其中该磁体生成可解析描述的磁场，并且其中该传感器确定在该传感器中的一个位置上作用的、该磁场的磁场强度在三个线性无关的空间方向中的分量，其中在该磁场的半空间中沿该坐标系的坐标轴的每个坐标x,y,z单独地并明确地通过由该传感器所检测的、所述磁场强度在该坐标系的所有空间方向中的分量的组合来确定，其中所述坐标由对应于相应坐标轴的磁场强度、与位置有关的磁场量B0以及恒定的***量之间的一种商关系来描述，其中该***量包括所述磁体的磁导率常数和偶极距，以及该磁场量B0包括在一个空间方向上的分量以及磁场强度的大小。
在本发明的方法中，在磁场半空间中沿坐标系的坐标轴的每个坐标x,y,z单独并明确地通过由传感器所检测的、磁场强度在该坐标系的全部空间方向中的分量（Bx,By,Bz）的组合确定。从而为了进行相应的位置确定，在传感器中的一个位置上测量磁场强度的分量Bx,By,Bz就足够了，也即仅仅测量一个三值组，然后由该三值组以简单的方式和方法就能够计算该空间位置的坐标x,y,z。从而能够确定的是，本发明的方法仅需要微小的设备耗费并且非常快速地工作。
用于位置确定的该方法可以进一步简化，其方式是，作为可解析描述的磁场使用基本上理想的偶极子场。为此优选地设置直径与圆柱高度之比约为1：1的圆柱磁体的场，因为这种圆柱磁体可以简单而造价合理地制造。但作为偶极子场也可以使用球磁体的场。
该方法可以进行改进，使得坐标x,y,z由对应于相应坐标轴的磁场强度（Bx,By,Bz）、与位置有关的磁场量B0和恒定的***量之间的一种商关系来描述。在此该***量包括磁体的磁导率常数和偶极距。磁场量B0再次包括在一个空间方向上的分量（Bx,By,Bz）和磁场强度的大小。因为在此仅涉及简单的计算步骤，所以具有微小功率的造价合理的微处理器就足够进行其计算了。
在此尤其按照如下来确定坐标：
其中，并且其中pz表示磁体的偶极距，以及μ0表示磁导率常数。
在其中采用磁性工作的装置来进行位置测量的一些设备中，可能由于安装情况而在设备中引起磁场干扰。从而在这种应用情况下磁体生成了磁场，该磁场至少在一个不位于传感器和磁体之间的面上被扭曲。这样的面、例如在设备中的金属面尤其可以致使磁场的屏蔽。为了在这种情况下也保证正确的位置确定，用于位置测量的方法可以按照如下来设计。在第一步骤中，在未扭曲磁场的半空间中沿坐标系的坐标轴的每个坐标x,y,z被设定为起始值。在第二步骤中，由关于致使扭曲的面而面对称、尤其镜像对称的至少两个未扭曲磁场的布置来描述磁场模型。最后在第三步骤中，在该磁场模型中从起始值开始通过由传感器所检测的、磁场强度在该坐标系以及该磁场模型的所有空间方向上的分量（Bx,By,Bz）的迭代组合来进行位置确定。在此还能确定的是，该方法以简单的方式和方法实现了位置确定。
符合目的地按照前述针对未受干扰磁场的方法把在未扭曲磁场的半空间中沿坐标轴的每个坐标x,y,z设定为起始值。但在简单的情况下，自由选择地把未扭曲磁场的半空间中沿坐标轴的每个坐标x,y,z设定为起始值，也就足够了。
在另一扩展中，其中该扩展的特征是关于位置确定进行简单的分析，该磁场模型可以被选择为两个基本上理想的偶极子场的镜像对称磁场，关于至少一个致使扭曲的面镜像对称并且在一侧是极性反转的。另外还规定，该磁场模型包括面常数，以考虑致使扭曲的至少一个面的边界面效应。例如该面常数考虑了在实际中经常存在的、通过金属面对磁场的不理想的并从而不完全的屏蔽。
尤其可以按照如下来确定磁场模型：
其中r=(x,y,z)表示磁体的位置向量，rs=(xs,ys,zs)表示镜像磁体的位置向量，以及η表示致使扭曲的面以及位于该面之后的半空间的有效作用的磁导率。
按照本发明的方法工作的一种位置测量装置可以有利地在具有金属机壳的装置中采用。例如在此它可以是洗涤处理设备。该设备具有尤其至少部分地由金属构成的机壳以及可旋转悬挂于机壳中的滚筒。于是滚筒在机壳中的相对位置通过前述的方法确定。例如在洗衣机中位置测量可以用于洗衣滚筒的负载识别和/或用于洗衣滚筒的振动行为的检测。于是有利地可在具有标准宽度60cm的洗衣机机壳中实现具有7或8kg衣物的容纳能力的较大滚筒。这通过如下来实现，即能够测量滚筒关于机壳的位置。基于该信号，洗衣机控制装置可以识别滚筒在机壳上的旋转碰撞，并进行对应的反应。
本发明所获得的优点尤其在于，能够根据简单的分析方法以微小的耗费并造价合理地实现位置测量。因此可以在造价敏感的大众商品、象家用设备、电动工具等中采用位置测量。位置测量仍然非常精确地工作，而且比以前更精确，并且也是敏感的，使得该位置测量可以使用在安全重要的应用中、例如在汽车中。最后它还是比以前更快速的一种分析方法。
附图说明
在附图中示出了具有不同改进和扩展的本发明的实施例，并在下文中来详细阐述。其中：
图1以原理图形式示意性示出了具有磁体和传感器的位置测量装置，
图2示意性示出了具有包括磁体和传感器的位置测量装置的洗衣机，
图3示出了被金属面扭曲的磁场，以及
图4示出了考虑了在金属面上扭曲的磁场模型。
具体实施方式
在用作原理图的图1中示出了位置测量装置1，其包括磁体2和检测该磁体2的磁场强度的传感器3。该磁体2和/或该传感器3与仅仅示意示出的可移动元件4协同作用，由此使得借助该可移动元件4可以致使在该传感器3与该磁体2之间的相对移动。目前该磁体2设置在该可移动元件4上，而传感器3位置固定地设置。显然也可以相反地把该传感器3设置在可移动元件4上以及该磁体2位置固定地设置，但这不再继续考虑。该磁体2如此来构造，使得其生成可解析描述的磁场5。如借助图1中所示的磁场5的磁场线所示，它在此是基本上理想的偶极子场，其中该偶极子磁场5由直径与圆柱高度之比约为1：1的圆柱磁体2来生成。该偶极子磁场5也可以借助球磁体来生成，但这不再继续示出。
该可移动元件4对应于坐标系中坐标x,y,z的位置可以根据由该传感器3所检测的、由该磁体2所生成的磁场5来确定，其中该坐标系目前是笛卡尔坐标系。为此位置测量装置1按照如下的、用于位置测量的方法来工作。
首先在传感器3中确定在唯一的感应点7上并从而在同一个位置7上作用的、该磁场5的磁场强度在三个线性无关的空间方向6中的分量，即所谓的B场分量Bx,By,Bz，如在图1中示意性所示。在该磁场5的半空间中单独并明确地通过由该传感器3所检测的、该磁场强度在该坐标系的所有空间方向6中的分量Bx,By,Bz的组合来确定沿该坐标系一个坐标轴的每个坐标x,y,z，其中该半空间当前在图1中是位于磁体2右侧的半空间。为了确定坐标x,y,z而采用了与相应坐标轴相对应的磁场强度Bx,By,Bz、与位置有关的磁场量B0以及恒定的***量之间的一种商关系。该***量包括磁体2的磁导率常数或磁场常数μ0和偶极距pz。该磁场量B0包括在一个空间方向6上的分量Bx,By,Bz以及磁场强度B的大小。坐标x,y,z尤其可以借助如下的商关系来确定：
其中和以及。通过对应的转换，用于确定坐标的公式还可以如下来简化：
在图2中示出了位置测量装置1在家用设备中的使用，而且在仅示意示出的洗涤处理设备中，例如具有机壳10的洗衣机8。该洗衣机8具有洗衣滚筒9，该洗衣滚筒可旋转地安放在轴承装置4上。该轴承装置4自身通过悬挂装置11固定在该洗衣机8中，使得该滚筒9的振动、运动等被传输到该轴承装置4。轴承装置4从而体现为可移动元件，其中磁体2与该轴承装置协同作用。为此磁体2设置在固定于该可移动元件4的支架12中。传感器3具有传感器机壳13，该传感器机壳固定在该支架12附近，并分配给磁体2地固定在洗衣机9中相对于该可移动元件4而固定设置的元件上，而且固定在机壳10的机壳后壁14上。由该位置测量装置1所确定的滚筒9的坐标x,y,z被传输给洗衣机8中的微计算机，在此然后借助对洗衣滚筒9的驱动装置的对应控制来平衡振动、谐振等。
洗衣机8的机壳10由金属机壳组成。但金属以屏蔽的方式致使该磁场5的变化。因为传感器3位于金属机壳后壁14附近，所以由磁体2所生成的磁场5在至少一个不位于该传感器3与该磁体2之间的面14上被扭曲，其方式是，该磁体2的磁场线在该面14上被如此偏转，使得这些磁场线继续延伸到该面14中，如在图3中示意性所示。为了考虑这种效应，用于利用磁体2并利用检测磁场强度的传感器3进行位置测量的方法、也即对滚筒9在机壳10中的相对位置的确定按照如下而被扩展。
在第一步骤中，在未扭曲磁场5的半空间中沿坐标系的坐标轴6的每个坐标x,y,z被设定为起始值x0,y0,z0。优选地，对应于用于针对未受干扰磁场5来进行位置确定的方法按照前述公式（1*）、（2*）和（3*）把未扭曲磁场5的半空间中沿坐标轴6的每个坐标x,y,z设定为起始值x0,y0,z0。另一方面也可以以合适方式自由选择地把在未扭曲磁场5的半空间中沿坐标轴6的每个坐标x,y,z设定为起始值x0,y0,z0。
在第二步骤中，由关于致使扭曲的面14而面对称的、尤其镜像对称的至少两个未扭曲磁场5、5`的布置来描述磁场模型，如在图4中所示。符合目的地该磁场模型包括镜像对称的磁场5、5`，其中该磁场5由磁体2来生成，而该磁场5`由同样的、关于面14的镜像磁体2`来生成。在图4中所示的磁场5、5`从而是两个基本上理想的偶极子场，它们关于至少一个致使扭曲的面14镜像对称，并在一侧是极性反转的。该磁场模型还可以包括面常数η，该面常数用于考虑致使扭曲的至少一个面14的边界面效应。该面常数η例如考虑的是，机壳后壁14的实际金属不是理想的“磁导体”。也就是说，考虑的是在该机壳后壁14的实际情况中一定量的磁场线也延伸到该机壳后壁14之外，从而η是机壳后壁的有效作用的磁导率。
最后在第三步骤中在该磁场模型中进行真正的位置确定。该位置确定从起始值x0,y0,z0开始通过由传感器3所检测的、磁场强度在坐标系和磁场模型的所有空间方向6中的分量Bx,By,Bz的迭代组合来确定。也就是说，首先该起始值x0,y0,z0被用在该磁场模型中，并由此确定第一近似值x1,y1,z1。该第一近似值x1,y1,z1接着被再次用在该磁场模型中，并由此确定第二近似值x2,y2,z2。迭代现在被一直继续，直到针对位置的两个连续的近似值xn-1,yn-1,zn-1和xn,yn,zn大致相等，也即例如直至得到
其中ε是预定的、确定该分析方法的期望精确度的界限。
尤其可以如下来确定该磁场模型，其中该磁场模型由按照图4的磁体2和镜像磁体2`的布置组成：
在此表示磁体2的偶极距，μ0表示磁导率常数，r=(x y z)表示磁体2的位置向量，rs=(xs,ys,zs)表示镜像磁体2`的位置向量，以及η表示致使扭曲的面14以及在该面之后的半空间的有效作用的磁导率。已经证明，对于洗衣机8中机壳后壁14的常用材料η的值大约为0.7。
本发明并不局限于所描述的以及所示的实施例。更确切地说，其还包括在本发明范畴内的所有专业改进。从而用于位置测量的方法除了可以应用在其它家用设备中，也可以应用在汽车中，例如在汽车锁中，用于底盘识别，用于多媒体操作元件等。此外该测量方法还提供了其他许多应用可能性以在生产和自动化技术中进行一般的位置识别。
附图标记列表：
1：位置测量装置
2：磁体/圆柱磁体
2`：镜像磁体
3：传感器
4：可移动元件/轴承装置
5：磁场/偶极子磁场/偶极子场
5`：（镜像对称的）磁场/偶极子场
6：空间方向/坐标轴
7：位置（在传感器中）/感应点
8：洗衣机
9：洗衣滚筒/滚筒
10：（洗衣机的）机壳
11：悬挂装置
12：支架（用于磁体）
13：传感器机壳
14：机壳后壁/面

Claims (13)

1.一种用于利用磁体（2）并利用检测该磁体（2）的磁场强度的传感器（3）来进行位置测量的方法，其中该磁体（2）和/或该传感器（3）与可移动元件（4）协同作用，其中借助该可移动元件（4）能够致使在该传感器（3）与该磁体（2）之间的相对移动，使得能够对应于坐标系中的坐标（x,y,z）根据由该传感器（3）所检测的、由该磁体（2）所生成的磁场（5）来确定该可移动元件（4）的位置，其中该磁体（2）生成可解析描述的磁场（5），并且其中该传感器（3）确定在该传感器（3）中的一个位置（7）上作用的、该磁场（5）的磁场强度在三个线性无关的空间方向（6）中的分量（Bx,By,Bz），其特征在于，在该磁场（5）的半空间中沿该坐标系的坐标轴的每个坐标x,y,z单独地并明确地通过由该传感器（3）所检测的、所述磁场强度在该坐标系的所有空间方向（6）中的分量（Bx,By,Bz）的组合来确定，
其中所述坐标（x,y,z）由对应于相应坐标轴的磁场强度、与位置有关的磁场量B0以及恒定的***量之间的一种商关系来描述，其中该***量包括所述磁体（2）的磁导率常数和偶极距，以及该磁场量B0包括在一个空间方向（6）上的分量（Bx,By,Bz）以及磁场强度的大小。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，按照如下来确定所述坐标：
其中
并且其中pz表示该磁体（2）的偶极距，以及μ0表示磁导率常数。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，作为可解析描述的磁场（5）设置基本上理想的偶极子场。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，设置直径与圆柱高度之比为1：1的圆柱磁体（2）的场。
5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，设置球磁体的场。
6.一种用于利用磁体（2）并利用检测磁场强度的传感器（3）来进行位置测量的方法，其中该磁体（2）和/或该传感器（3）与可移动元件（4）协同作用，并且其中借助该可移动元件（4）能够致使在该传感器（3）与该磁体（2）之间的相对移动，使得能够对应于坐标系中的坐标（x,y,z）根据由该传感器（3）所检测的、由该磁体（2）所生成的磁场（5）来确定该可移动元件（4）的位置，其中该磁体（2）生成磁场（5），该磁场至少在一个不位于该传感器（3）与该磁体（2）之间的面（14）上扭曲，并且其中该传感器（3）确定在该传感器（3）中的一个位置（7）上作用的、该磁场（5）的磁场强度在三个线性无关的空间方向（6）中的分量（Bx,By,Bz），其特征在于，在第一步骤中，在未扭曲磁场（5）的半空间中沿该坐标系的坐标轴的每个坐标x,y,z被设定为起始值（x0,y0,z0），在第二步骤中，由关于致使扭曲的面（14）而面对称的至少两个未扭曲磁场（5，5`）的布置来描述磁场模型，并且在第三步骤中在该磁场模型中从该起始值（x0,y0,z0）开始通过由该传感器（3）所检测的、所述磁场强度在该坐标系和该磁场模型的所有空间方向（6）上的分量（Bx,By,Bz）的迭代组合来进行位置确定。
7. 根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述磁场（5）至少在一个不位于该传感器（3）与该磁体（2）之间的面（14）上被屏蔽。
8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，在第二步骤中由关于致使扭曲的面（14）而镜像对称的至少两个未扭曲磁场（5，5`）的布置来描述磁场模型。
9.根据权利要求6至8之一所述的方法，其特征在于，根据权利要求1、2、3或4所述的一种方法把在未扭曲磁场（5）的半空间中沿坐标轴的每个坐标x,y,z设定为起始值（x0,y0,z0）。
10.根据权利要求6至8之一所述的方法，其特征在于，所述磁场模型是两个基本上理想的偶极子场（5，5`）的镜像对称的磁场，其关于至少一个致使扭曲的面（14）镜像对称并在一侧极性反转。
11.根据权利要求6至8之一所述的方法，其特征在于，所述磁场模型包括面常数，以考虑致使扭曲的至少一个面（14）的边界面效应。
12.根据权利要求6至8之一所述的方法，其特征在于，所述磁场模型按照如下来确定：
其中μ0表示磁导率常数，表示磁体（2）的偶极距，r=(x,y,z)表示磁体(2)的位置向量，rs=(xs,ys,zs)表示镜像磁体(2`)的位置向量，以及η表示致使扭曲的面（14）以及位于该面之后的半空间的有效作用的磁导率。
13.一种洗涤处理设备，其具有机壳（10）以及可旋转悬挂在该机壳（10）中的滚筒（9），其特征在于，该滚筒（9）在该机壳（10）中的相对位置通过根据权利要求1至12之一工作的方法确定。
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