CN103968860B - 绝对式磁旋转编码器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种绝对式磁旋转编码器，包括旋转轴，多个可随所述旋转轴旋转的转轮，与所述多个转轮一一对应的多个编码单元，和为所述多个编码单元提供磁场偏置的一个或多个永磁体组件。每个编码单元包括其上的结构设置可使其磁导率随相对于所述旋转轴的位置的不同而不同的导磁性编码器圆盘，和包括多个磁传感器的传感器单元。传感器单元用于感应导磁性编码器圆盘的导磁率，输出表征所述导磁性编码器圆盘相对位置的感应信号。根据所述传感器单元的感应信号，每个编码单元输出表征所对应转轮选定的旋转位置的数值。根据本发明，可以得到成本更低，更简单，具有更精确的磁编码器圆盘的绝对式磁旋转编码器。

Description

绝对式磁旋转编码器
技术领域
本发明涉及旋转编码器。更具体地，本发明涉及一种改进的绝对式磁旋转编码器。
背景技术
现有的编码器可用于水电表抄表以及其他需要长时间远程监测总流量任何地方。它们包括在其中的气体或液体流动时在旋转的转轮。监测的转轮的旋转圈数，可以给出在任何时间通过转轮的总流量的直接测量。常见的编码器类型例如有光学、电学接触、和电感编码器。绝对编码器是所有编码器的一个子集，它们提供任何时间每个转轮的旋转位置信息，而不需要监测由转轮的运动导致的脉冲。编码器通常包括典型的转轮并提供相应的输出。虽然有其他可能计数方式，每个转轮通常具有10个不同的数字，例如编码器转轮编号可以从0到9。除了有电子数值输出外，还可能提供可视化的读数。一种常见的编码器配置有至少一个转轮，如果记录时间是几十年或更长，则需要更多的转轮。至少一个转轮安装在一起，第一个转轮转一整圈，就会使第二个转轮转0.1圈，也可以是其他的旋转比例。同样，除了最后的转轮，第N转轮的完整的旋转，使第N+1转轮旋转0.1圈。这种多轮组装就可以记录几十年的读数。
现有的编码技术还包括光传输编码，光反射编码和电接触编码。光学方法受到来自污垢和光污染的问题，由于光源和光探测器所需的电子元件导致费用较高。电接触编码器随着时间的推移老化遭受可靠性低的问题。其他在现有领域的编码技术还有交替磁化的磁性目标和磁电感的探测器。磁性目标是更昂贵的，他们的本身的精密度受限于材料的永久磁化的能力。
因此，需要一种成本更低，更简单，可能更精确的磁编码器圆盘将对流量计和电表行业有益。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术存在的以上问题，提供一种改进的电子绝对磁旋转编码器技术。具体的技术改进包括以下内容：1）使用可磁化的“软磁”性材料在磁编码器圆盘上比在永磁体上更容易形成结构变化2）带有可以在磁转变附近降低输出噪声的磁性开关电路，3）包括可选的磁通量闭合装置，用于降低相邻转轮的磁“串声”，4）根据在敏感轴平面内的圆盘附近模拟和测量所得到的磁场值来调整圆盘结构的几何设计，5）设计既能编码又能解码10个不同旋转位置的4-传感器和5-传感器。
为实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明通过以下技术方案实现：
一种磁旋转编码器，包括
旋转轴，
多个可随所述旋转轴旋转的转轮，
与所述多个转轮一一对应的多个编码单元，和
为所述多个编码单元提供磁场偏置的一个或多个永磁体组件，
其特征在于，
每个编码单元包括：
导磁性编码器圆盘，其上的结构设置可使其磁导率随相对于所述旋转轴的位置的不同而不同，和
包括设置在同一感应平面内的多个磁传感器的传感器单元，用于感应导磁性编码器圆盘的导磁率，输出表征所述导磁性编码器圆盘相对位置的感应信号，所述感应平面大致垂直于所述旋转轴，
对于所述导磁性编码器圆盘和所述传感器单元，两者当中一个随所述转轮一同旋转，另一个保持不动。
根据所述传感器单元的感应信号，每个编码单元输出表征所对应转轮选定的旋转位置的数值。
优选地，所述一个或多个永磁体组件的磁化强度方向和所述导磁性编码器圆盘的磁化强度方向分别与所述旋转轴的轴向大致平行，并且每一传感器的感应轴与所述旋转轴的径向大致平行。
优选地，每个传感器单元包括4个或5个磁阻传感器，每个转轮选定10个旋转位置。
优选地，该磁旋转编码器包括与所述多个编码单元一一对应设置的多个永磁体组件。
优选地，该磁旋转编码器包括分别为两个编码单元提供偏置的多个永磁体组件。
优选地，每一永磁体组件包括至少一个环形永磁体或环形布置的多个永磁体。
优选地，每一编码单元进一步包括由软磁材料制成的磁通闭合装置。
优选地，所述导磁性编码器圆盘的结构包括形成在所述导磁性编码器圆盘中的至少一个槽。
优选地，所述导磁性编码器圆盘的结构包括形成在所述导磁性编码器圆盘中的至少一个凸起和/或调整片。
优选地，所述永磁体组件的制成材料为选自钡铁氧体、钴铁氧体、钕铁硼、铁氧体中的一种。
优选地，所述导磁性编码器圆盘的制成材料为选自镍铁导磁合金、软铁、高导磁合金、软钢、软磁铁氧体中的一种。
优选地，每个编码单元中，导磁性编码器圆盘和所述磁传感器单元之间间隙的最小距离为0.1-4mm。
根据本发明，可以得到成本更低，更简单，具有更精确的磁编码器圆盘的磁旋转编码器。
附图说明
图1A-1D示出根据本发明实施例1的磁旋转编码器组装示意图。
图2A-2E示出根据本发明实施例2的磁旋转编码器组装示意图。
图3A-3B是实施例3的磁旋转编码器中一个编码单元的示意图。
图4A-4B是实施例4的磁旋转编码器中一个编码单元的示意图。
图5A-5B是实施例5的磁旋转编码器中一个编码单元的示意图。
图6A-6B是实施例7的磁旋转编码器中一个编码单元的结构示意图。
图7A-7C是实施例7的磁旋转编码器中一个编码单元的编码原理。
图8A-8B是实施例7的磁旋转编码器中一个编码单元中的一个传感器的响应曲线。
图9A-9B是实施例8的磁旋转编码器中一个编码单元的结构示意图。
图10A-10C是实施例8的磁旋转编码器中一个编码单元的编码原理。
图11A-11B是实施例8的磁旋转编码器中一个编码单元中的一个传感器的响应曲线。
图12是有孔、调整片和凸起区域的编码器圆盘。
具体实施方式
下面参照附图并结合优选实施例来对本发明进行详细说明。各图中，相同或相似的附图标记标识相同或相似的部件。
图1A-1D示出根据本发明的一种多轮旋转编码器组装示意图，分别示出具有5-转轮的绝对式磁旋转编码器的不同的视角图。图1中的旋转编码器包括旋转轴107，5个可随旋转轴107一起旋转的转轮101,102，…，105，与转轮一一对应的5个编码单元，和为一个或多个编码单元提供磁场偏置的永磁体114。旋转编码器包括旋转部分和固定部分，旋转部分能刚性支持编码器圆盘，在外力矩作用下与转轮一起随所述旋转轴旋转，固定部分不能随旋转轴旋转，可安装在固定支架上。每个编码单元包括导磁性编码器圆盘110和传感器组件117。导磁性编码器圆盘110具有一定的几何结构，并设置为相对于传感器组件的感应表面旋转。在为导磁性编码器圆盘110提供磁偏置的同时，永磁体114中的设置能使传感器组件中的各传感器不处于饱和操作方式。形成在PCB112上带有磁滞性质的磁性开关输出电路，将来自传感器的感应信号生成简单的两状态输出信号，并可减少传感器在磁场转换时发生旋转的电子输出噪声。导磁性编码器圆盘110上的结构设置使得其磁导率随其相对于旋转轴107的位置的不同而不同。编码器圆盘110具有与转轮的多个选定旋转位置相对应的多个选定位置。在随角度旋转的多个选定位置中的每一位置，该具有几何结构的导磁性编码器圆盘为传感器组件中的多个传感器提供唯一的一组磁场。传感器组件117包括设置在同一感应平面内的多个磁传感器116，该感应平面垂直于旋转轴。当传感器组件117相对于对应圆盘旋转时，传感器组件感应对应的导磁性编码器圆盘的导磁率，输出表征该导磁性编码器圆盘选定位置的感应信号。编码器圆盘的角度位置与传感器组件相关，可以产生数字代码，由此给传感器组件提供磁空间编码。根据所述传感器组件的感应信号，每个编码单元输出表征对应转轮选定旋转位置的数值。
例如，该旋转编码器提供了记录最右边的转轮101转过的轮换的总数可视化方式和电子方式。可视化记录是从每个转轮上的例如最顶端开始。因此，当目前的读数为00019圈时，这意味着最右边的计数转轮101已经转了一个整圈即将完成第二圈。我们将它命名为“100”，因为这代表以10为基数的量级。从右倒数第二个计数转轮102，被命名为“101”，从右倒数第三个转轮103，被命名为“102”。从右倒数第四个计数转轮104，被命名为“103”。从右倒数第三个计数转轮105，被命名为“104”。
转轮102的转动与转轮101的转动以10：1的关系联系在一块儿。这意味着100转轮101每转10圈使101转轮102转1圈。以同样的方式，101转轮102每转10圈使102转轮103转1圈。更普遍的是，10N转轮每转10圈使相邻的10N+1转轮转1圈，N为自然数。虽然此图显示了5-转轮编码器，同样的描述可以很容易地应用到具有任意数量计数转轮的编码器上。
实施例1
在根据本发明优选实施例1的旋转编码器中，永磁铁与编码单元一一对应。
如图1所示，每一个计数转轮都有一个永磁铁与其对应，也即每个编码单元与永磁铁一一对应。图1A是转轮组件5的右视图，图1B是旋转编码器100的主视剖面图。为了更容易看清楚转轮的主要两个部分，将转轮的右视图分为图1C和1D两部分。在该例中，图1C所示的是固定部分，图1D是所示的旋转部分。所有转轮101，102，…，105绕杆106旋转，杆106与旋转轴107同轴。为了能让导磁性编码器圆盘110和转轮101一起绕轴107旋转，可将导磁性编码器圆盘110安装在转轮101上。磁铁114不以旋转的方式安装，而是固定在一外部支架上，印刷电路板（PCB）112也是固定的。五个磁传感器116.1、116.2、116.3、116.4、116.5被物理连接到PCB112上，PCB112也为传感器116提供电学连接。该例中，PCB112和传感器116结合在一起被称为传感器组件117，传感器组件117和固定磁铁114可形成固定装置122。
圆盘110具有一结构变化113。这种结构变化是在导磁性编码器圆盘110里形成的不同的几何结构。这种几何结构可以使磁场发生变化，该磁场可由附近相对于圆盘绕轴107旋转的传感器测得。这种结构变化必须是精确的，以便实现本发明的技术方案。上述结构变化被构造为，在角度旋转的10个位置中的每一位置，具有结构变化的导磁性编码器圆盘为5个传感器提供唯一的一组磁场。这种磁性编码器设计的更多细节将会在后面的图中进行详细说明。圆盘110和转轮101一起形成了旋转组件121，该旋转组件按转轮旋转方向118绕轴107旋转。
实施例2
在根据本发明优选实施例2的旋转编码器中，两个计数转轮可以共享一个磁铁。
如图2所示，实施例2中固定磁铁114的布置不同于实施1中的永磁铁布置。图2A是编码单元的右视图，图2B是旋转编码器200的主视剖面图。为了能更容易看清楚转轮，编码单元以及磁铁等各个部分的位置关系，将图2A进一步分为2C-2E三个图示出。图2C和图2E分别是两个固定部分，图2D是转轮的旋转部分。在图2中，一个磁铁114可为两个传感器组件提供偏置，每个磁铁114产生的磁场可由其两侧的两个传感器组件117所测得。在这种安排下，例如磁铁114形成了一个单独的固定装置123。旋转装置121可与图1中一样构造，传感器组件117也形成为固定装置122’。
在一个多转轮旋转编码器中，该实施例的方案节约了空间和成本。
该实施例可与其他实施例结合使用。
实施例3
在根据本发明优选实施例3的编码单元中，磁铁位于转轮上，可和编码器圆盘一起随转轮绕旋转轴旋转，而包括5个传感器的传感器组件由固定装置保持位置，如图3所示。
图3A是一个编码单元的右视图，图3B是沿图3A中A方向的剖面图。为了能更能看清楚其他元件，PCB112仅在图3A中有一轮廓图。在这种布置安排下，磁铁114设置在转轮101上，和圆盘110极为贴近甚至相接触，这些元件一起绕轴107旋转。在图3中，PCB112例如是矩形的。可以理解，PCB112不仅能为传感器116.1-116.5提供电连接，还可为转轮装置提供结构支撑。
传感器116中的有源元件靠近导磁性编码器圆盘设置，它们在垂直于旋转轴的方向具有灵敏性。通过感应元件并且平行于每一个传感器感应轴的平面称之为感应平面124。在本图中，每一个传感器的感应轴都设计成与旋转轴的径向平行，感应轴与每个传感器的短边方向相对应。如非特殊说明，在下文中都将采用这种方案。
该实施例中磁铁114的布置与图1和图2中所示的环形磁铁形状类似。磁铁114的磁化强度184方向与旋转轴107大致平行，并且与在磁铁114内部的分布一致。磁铁114的杂散磁场的磁场线也与旋转轴107大致平行。导磁性编码器圆盘110随转轮旋转，旋转得到的旋转表面在圆盘平面125处，与感应平面124平行。这两个平面彼此相隔开来，平面124和125之间具有间隙，在图中以G126所示。该间隙被设置为既方便两个感应平面和圆盘之间的相对旋转，又使传感器对圆盘的导磁率有敏感和精确的感应。采用单一的整体环形磁铁设计，5个传感器中的每一个传感器尽管角度位置不同，但磁铁在每个传感器位置处的磁场效应是相同的。通过观察环形磁铁114和传感器116的角对称便可以理解这个情形。随着圆盘110的旋转，传感器里磁场的任何变化都仅是由于圆盘的几何结构113所造成的。
一些可能用于永磁铁114的材料包括钡铁氧体、钴铁氧体、钕铁硼、铁氧体以及任何一种其他常见的永磁性材料。在一个饱和磁场移除后，这些常见的永磁性材料仍然有很强的磁场强度，并且需要一个相对大的磁场来使其磁场强度达到饱和。一些可能用于导磁性编码器圆盘110的材料有镍铁导磁合金、软铁、高导磁合金、软钢、软磁铁氧体。这里，“软磁”是指滞留的净磁场强度相对于饱和磁场强度很小，并且一个相对较小的磁场就能使磁场强度达到饱和。
实施例4
在根据本发明优选实施例4的编码单元中，包括5个小的永磁铁的磁铁组件形成在固定装置上，传感器组件包括5个传感器，如图4所示。图4A是实施例4中编码单元的右视图，图4B是沿图4A中A方向的剖面图。为了能更清楚看清其他元件，机械支架131仅在图4A中有一轮廓图，5个小的永磁铁114.1、114.2、114.3、114.4、114.5以及PCB112也只有一轮廓图。在这种布置安排下，小的永磁铁114.1-114.5放在机械支架131上，使其对称轴与旋转轴107平行，并且对称轴能通过相应的传感器116.1-116.5。磁铁114和传感器116均位于机械固定装置上。在本图中，PCB112是圆形的。它能为传感器116.1-116.5提供电连接，在结构上，PCB112依附于机械支架131并且由其支撑。
在本实施例中，传感器组件的设置和前面实施例3相同。传感器116.1-116.5中的有源元件靠近导磁性编码器圆盘设置，这些元件在垂直于旋转轴的平面有灵敏性。通过传感器元件并且大致平行于每一个传感器感应轴的平面称之为感应平面124。在本图中，每一个传感器的感应轴都设计成与径向平行，这与每个传感器的短边方向相对应。编码器圆盘距传感器感应平面最近的旋转表面位于平面125处，平面124和125之间的空间称之为间隙G126。
在本实施例中，永磁铁关于旋转轴环形布置的偏置设计与图1和图2中所示的环形磁铁形状有些差异。每个永磁铁组件包括多个永磁铁，每个永磁铁与一个传感器对应。磁铁114.1、114.2、114.3、114.4、114.5各自的磁化强度方向184.1、184.2、184.3、184.4、184.5均与旋转轴107的方向平行，并且与磁铁114.1-114.5内部方向相一致。虽然磁铁114.1-114.5的杂散磁场中有一些磁场线弯曲不可避免，但也与旋转轴107大致平行。导磁性编码器圆盘110旋转以使其旋转表面在圆盘平面125处，与感应平面124平行。这两个平面以设定的间隙G126彼此相隔开来，该间隙优选为0.1-4mm。由于磁铁114.1-114.5牢牢地安装在固定传感器组件117上，所以传感器的角度位置虽有所不同，但有了这5个小的磁铁偏置设计，5个传感器中的每一个传感器上永磁铁的磁场效应都是相同的。随着圆盘110的旋转，任何传感器里磁场的变化都仅是由于圆盘110中结构变化113所造成。
这个磁偏置设计有在间隙126之外的偏置磁铁114.1-114.5，也就是磁铁114.1-114.5位于传感器116.1-116.5远离圆盘110的一侧，而不是像实施例3中那样在圆盘110远离传感器的那一侧。
本实施例4中可选择的磁铁材料和圆盘材料和实施例3相同。在本实施例中，介绍了一传感器对应一小永磁体的情形，精确来说是5个传感器-5个永磁体。原则上来说，这种情形适用于任何数量的传感器和永磁体，后面的一个实施例将会描述4个传感器-4个永磁体的情形。
实施例5
在根据本发明优选实施例5的编码单元中，包括形成在旋转装置上的1个大环形磁铁，和在固定装置上的4个传感器，如图5所示。图5A是实施例5中编码单元的右视图，图5B是沿图5A中A方向的剖面图。在这个实施例中，增加了可选的磁性闭通量板133，并且仅仅使用4个传感器116.6-116.9；与实施例3相比，环形磁铁114和圆盘110之间的间隙增大。在本图中，PCB112是圆形的，它为传感器116.6-116.9提供电连接。
本实施例中的感应装置设计和前面的实施例4相类似，但与实施例4明显不同之处在于只有4个传感器而不是5个。传感器116.6-116.9中的有源元件靠近导磁性编码器圆盘设置，这些元件在平行于PCB的表面具有灵敏性。通过感应元件并且平行于每一个传感器感应轴的平面称之为感应平面124。在本图中，每一个传感器的感应轴都设计成与径向平行，这与每个传感器的短边方向相对应。离传感器最近的圆盘表面是在圆盘平面125处，平面124和125之间的空间称之为间隙，设定的距离如G126所示。
在本实施例中，磁铁114的形状与图1和图2中环形磁铁的形状相类似，磁铁偏置设计与实施例3类似。磁铁114的磁化强度矢量184的方向与旋转轴107的方向平行，并且与在磁铁114内部的分布一致。虽然磁铁114的杂散磁场中有一些磁场线弯曲不可避免，但磁场线也与旋转轴107大致平行。导磁性编码器圆盘110旋转以使其旋转表面在圆盘平面125处，与感应平面124平行。这两个平面以设定的间隙G126彼此相隔开来，该间隙优选为0.1-4mm。由于磁铁116.6-116.9牢牢地安装在固定传感器组件117上，所以传感器的角度位置虽有所不同，但有了这个大的环形磁铁设计，4个传感器中的每一个传感器上磁铁的磁场效应都是相同的。通过观察对应于传感器116.6-116.9的环形磁铁114的角对称情况便可以理解此情形。随着圆盘110的旋转，任何传感器里磁场的变化都仅是由于圆盘110中结构变化113所造成。
在本实例中，加了磁性闭通量板133。这个板是由软磁材料制成，这与那些用于圆盘110的材料有些类似，但不一定完全相同。磁性闭通量板133是用来减少偏置磁铁114在远离间隙G126的背侧的磁通量的磁阻路径。这一闭通量板可以降低组件例如组件102及其他的组件中在其它转轮处的杂散磁场；可以降低包括外部磁场的其它场源的磁场干扰；以及提高磁通量从磁铁114到指定区域之间传递的效率。
实施例5中所选择的磁铁和圆盘材料与实施例3中相同，磁性闭通量板133所选择材料与软导磁性编码器圆盘110的材料类似。
该实施例可结合其他实施例使用。
实施例6
在本实施例6中，在固定装置上有4个传感器和4个小永磁体。本实施例没有用一个附图来精确表示，它结合了图4和图5中的设计。传感器116.6-116.9的位置和图5A中相同，这4个传感器相对于旋转轴107有相同的角度位置。4个小永磁体的位置借鉴了图4A和图4B中所示的小永磁***置的设计。从图4中可以看出，小永磁体114.1-114.5安装在支架131的背面，它们的中心直接在传感器116.1-116.5的中心。为了使这种设计适用于本实施例，4个小永磁体的位置中心与4个传感器116.6-116.9的中心相同。在本实施例中，没有大的环形磁铁114。
在接下来的实施例7和实施例8中，对磁场偏置设计和磁性编码器设计进行进一步说明。在图6、图7和图8中显示的为实施例7的5-传感器设计。在图9、图10和图11中显示的为实施例8的4-传感器设计。
实施例7
图6A和图6B显示的是圆盘110、磁铁114和传感器116.1-116.5的右视图和剖面图，以便清楚说明磁场偏置设计和磁性编码器设计以及磁场传感器的位置和方向与这些设计的关系。从图6A得到剖面图D，如图6B所示。下面标有R的水平轴是由经过图6A中θ=0°和θ=180°两位置的直线所得到。图6B中的垂直轴Z轴方向和旋转轴107方向相同，都指向图6A的平面外。
图6A标注了几个半径值。圆盘110的内半径是166RDI，外半径是167RDO。环形磁铁114的内半径是164RMI，外半径是165RMO。结构变化113.1和113.2的内外半径分别是162RVI和163RVO。称之为190轨迹的虚线圆的内半径是RTrack161。轨迹190是显示环形磁铁114和圆盘110径向对称的非物理标记。RTrack161正好是166RDI和167RDO的平均值，也是162RVI和163RVO的平均值。应当理解，通常情况下并不需要这种对称性，本发明在此以这种结构为例进行说明，以简化对那些物体附近磁场的描述以及理解。
图6B是磁场偏置的实例。磁铁114是一永磁铁，它的磁化强度184的方向平行于Z轴和旋转轴107，这一方向用磁铁114上的实心箭头表示。导磁性圆盘110是软磁性材料圆盘，这意味着如果加上一外磁场，它仅仅只有显著的内部磁化强度。圆盘磁化强度182表示圆盘110的内部磁化强度，它用白色空心箭头表示。再参考图6A的图形，就能看出在θ=0°位置处，有一传感器116.1并且在圆盘110中有结构变化113.1，而在θ=180°位置处，既没有传感器，也没有结构变化，这些区别在图形底部中就能看出来。
在大振幅磁场可由附近的平行板永磁铁产生的情况下，这种磁场里存在的可磁化的软磁铁磁板的特性在文献里很常见。圆盘110的磁化强度182平行于磁铁114的磁化强度184，在这两个磁化平行板里的磁场181’也平行于磁化强度184。对于与板的半径尺寸相比两板很靠近的情形，上面的说法便可成立。在靠近磁铁114的边缘，磁场181’并非分布均匀，并且是从磁铁里传播出去。在半径RTrack处，磁铁114的中心磁场是匀强磁场。磁场181’的这种现象显示在图6B右侧中。
与之相反，在图6B左侧，磁铁114和圆盘110之间的磁场181在半径RTrack处是非匀强磁场，这是由于结构变化113.1存在的原因。结构变化113.1导致不能像图右侧那样有一平行板。相反，磁感应线倾向于沿着低磁阻方向传播，也就是说，沿着有最大磁导率的材料所在路径传播。这个路径有点像图左侧中所显示的磁感应线181。说明一下，在图中没有明显显示的地方是有磁感应线的，磁感应线是从圆盘110的顶部流出，从磁铁114的底部流入，省略的磁感应线构成了完整的由永磁铁114产生的磁通量环。
传感器116.1-116.5这样布置是为了在它们所在位置的具体角度处，它们的轴向灵敏度能与径向R平行。它们在Z轴方向和θ方向没有灵敏度。图6A显示了每一个传感器所在位置的角度和它们的灵敏度方向，以[传感器：灵敏度角度（度）]表示，[116.1，0]，[116.2，72]，[116.3，144]，[116.4，216]，[116.5，288]。他们所在位置的半径也要比161RTrack稍微大一些。根据图6B，可以看见在RTrack外的磁场在比半径R大的左半边θ=00向外弯曲，在右半边θ=1800根本不弯曲。磁场在径向的正方向弯曲意味着平行于径向正方向θ=00有一小部分磁场。在传感器位置的径向分量BRadial的磁性模拟结果便是下图8中所描绘的曲线191。传感器116.1设计成对分量BRadial有灵敏度，但对分量Bz没有。如果图6B右侧θ=1800处的一个传感器在大于半径RTrack处，将不能测到任何磁场，这是由于在θ=1800处，BRadial=0。总之，随着圆盘110相对于固定传感器116.1-116.5旋转，由传感器测得的磁场振幅很小，但当一个特定传感器在结构变化附近的时候，磁场振幅值大于零，传感器离结构变化越远，振幅值越接近于零。
因此，当圆盘绕着传感器旋转的时候，磁传感器能探测软导磁性圆盘上是不是有结构变化。这种效应被用来设计磁性编码器。按预定角度位置设置的每一个传感器都能提供电信号，圆盘位置不同，所对应的电信号也不相同。电子电路能将磁传感器的模拟信号转化为数字信号，例如，1代表有结构变化，0代表没有结构变化。并且如果制作一组结构变化，例如结构变化113,1和113.2，那么当编码器转轮101和圆盘110一同相对于固定传感器旋转时，在编码器转轮101的10个位置中，每一个位置从传感器116.1-116.5得到的一系列信号都是不同的。
这样一个编码方案的总图，如图7所示。图7A显示了圆盘110相对于传感器116.1-116.5的10个不同角度位置。在图7B的表中，“数字”一栏中的数字对应于10个位置中每一位置在转轮上显示的的编号。“角度”一栏显示出从θ=00开始的旋转角度θ的数值。“传感器编号”一栏显示了对于给定角度位置的固定电路板上传感器的编号。“传感器输出值”一栏显示5个传感器中每一传感器的信号输出。这5个值组合在一起形成了每一个角度处的代码值“1”和“0”的组合。这些5位数字代码便是图7A中每一个圆环上面的标记。例如数字4上排，右侧从θ=00开始沿着顺时针转：传感器116.1和116.4不对应结构变化，传感器116.2、116.3和116.5对应结构变化。当旋转角度值为θ=144°时就会出现这种情况，并且输出代码为10010。
图8示出5-开关传感器的输出和磁场之间的关系曲线。当圆盘旋转角度从θ=00到θ=3600整个一圈，在θ=00处的传感器116.1所测得的以及预期存在的磁场如图8A所示。图中轴的下方是圆盘110的旋转角度，左边轴是从磁场模型得到的磁感应强度分量BRadial。磁场（高斯）-角度（度）关系曲线是图中标有菱形标志的粗实线，即曲线191。右边轴是磁开关传感器的传感器输出电压，在说明里已经对该传感器进行描述了。传感器输出电压（伏特）—角度（度）的关系曲线用图中的细曲线192表示。
在图8B中包含了一个商业数字磁开关对施加的磁场的典型响应。这个开关将磁场的模拟信号转换为数字2-状态电子信号输出。水平轴是磁场（高斯），纵轴是开关传感器输出电压（伏特）。数字磁开关的输出电压和施加的磁场之间的关系曲线在图中便是曲线193。需要说明的是曲线上存在磁滞现象。当施加的磁感应强度为负值时，输出电压为低值VL。随着磁感应强度的增大，变为正值，并且增大到超过定义的磁场工作点BOP，传感器输出值会从低值转变为高值VH。然后，随着磁感应强度从大的正值逐渐减小，输出值又变回到磁场重置点BRP时的低值VL。磁场的两个转换阈值BOP和BRP便是上半图中的虚线194和195所示。因此，当传感器的外磁场曲线191穿过虚线BOP和BRP时，传感器输出值如图中的曲线193所示。
本发明的使用方法有很多种，包括本实施例中涉及的基本概念的变形。例如，可以用“1”和“0”表示不同的数字代码；可以用逆时针取代顺时针旋转；传感器可以绕轮子旋转，而圆盘保持固定。虽然所有这种类型的装置在这没有进行明确详细的描述，但这些装置仍在本发明的精神和保护范围之内。
实施例8
与实施例7相比，实施例8有以下两个不同之处：使用了4个传感器而不是5个，并且在编码器的圆盘设计里有3个结构变化。这些概念将会在图9、图10和图11里进行描述。
图9A和图9B显示的是圆盘110’、磁铁114和传感器116.6-116.9的右视图和剖面图。这是为了解释磁场偏置设计和磁性编码器设计，以及与这些设计相关的磁场传感器的位置和方向。从图9A得到剖面图E，如图9B所示。下面标有R的水平轴是由经过图9A中θ=0°和θ=180°两位置的直线所得到。图9B中的垂直轴Z轴方向和旋转轴107方向相同，都指向图9A的平面外。
图9A中标注了几个半径值。圆盘110’的内半径是166RDI，外半径是167RDO。环形磁铁114的内半径是164RMI，外半径是165RMO。结构变化113.5、113.6和113.7的内外半径分别是162RVI和163RVO。称之为190轨迹的虚线圆的内半径是RTrack161。轨迹190是显示环形磁铁114和圆盘110径向对称的非物理标记。RTrack161正好是166RDI和167RDO的平均值，也是162RVI和163RVO的平均值。应当理解，通常情况下并不需要这种对称性，本发明在此以这种结构为例进行说明，以简化对那些物体附近磁场的描述以及理解。
图9B是磁场偏置的实例。磁铁114是一永磁铁，它的磁化强度184的方向平行于Z轴和旋转轴107，这一方向用磁铁114上的实心箭头表示。导磁性圆盘110’是软磁性材料圆盘，这意味着如果加上一外磁场，它仅仅只有显著的内部磁化强度。圆盘磁化强度182’表示圆盘110’的内部磁化强度，它用白色空心箭头表示。再参考图9A的图形，就能看出在θ=0°位置处，有一传感器116.6并且在圆盘110’中有结构变化113.5，而在θ=180°位置处，有传感器116.8，但没有结构变化，这些区别在图形底部中就能看出来。
在大振幅磁场可由附近的平行板永磁体产生的情况下，这种磁场里存在的可磁化的软磁铁磁板的特性在文献里很常见。圆盘110’的磁化强度182’平行于磁铁114的磁化强度184，在这两个磁化平行板里的磁场181’也平行于磁化强度184。对于与板的半径尺寸相比，两板很靠近的情形，上面的说法便可成立。在靠近磁铁114的边缘，磁场181’并非均匀分布，并且是从磁铁里传播出去。在半径RTrack处，磁铁114的中心磁场是匀强磁场。磁场181’的这种现象显示在图9B右侧中。
与之相反，在图9B左侧，磁铁114和圆盘110’之间的磁场181在半径RTrack处是非匀强磁场，这是由于结构变化113.5存在的原因。结构变化113.5导致不能像图右侧那样有一平行板。相反，磁感应线倾向于沿着低磁阻方向传播（也就是说，沿着有最大磁导率的材料所在路径传播）。这个路径有点像图左侧中所显示的磁感应线181。说明一下，在图中没有明显显示的地方是有磁感应线的，磁感应线是从圆盘110’的顶部流出，从磁铁114的底部流入，省略的磁感应线构成了完整的由永磁铁114产生的磁通量环。
传感器116.6-116.9布置为使得它们的轴向灵敏度能够以与它们所在位置的具体角度与径向R平行。它们在Z轴方向和θ方向没有灵敏度。图9A显示了每一个传感器所在位置的角度和它们的灵敏度方向。以[传感器：灵敏度角度（度）]：[116.6，0]，[116.7，72]，[116.8，180]，[116.9，288]。他们所在位置的半径也要比161RTrack稍微大一些。根据图9B，就能看见在RTrack外的磁场在比半径R大的左半边θ=00向外弯曲，在右半边θ=1800根本不弯曲。磁场在径向的正方向弯曲意味着平行于径向正方向θ=00有一小部分磁场。在传感器位置的径向分量BRadial的磁性模拟结果便是图11中所描绘的曲线191’。传感器116.6和116.8设计成对分量BRadial有灵敏性，但对分量Bz没有。如果图9B右侧θ=1800处的传感器116.8在大于半径RTrack处，将不能测到任何磁场，这是由于在θ=1800处，BRadial=0。总之，随着圆盘110’相对于固定传感器116.6-116.9旋转，传感器测得的磁场振幅很小，但当一个特定传感器在结构变化附近的时候，磁场振幅值大于零，传感器离结构变化越远，振幅值越接近于零。
因此，当圆盘绕着传感器旋转的时候，磁传感器能探测软导磁性圆盘上是不是有结构变化。这种效应被用来设计磁性编码器。按预定角度位置设置的每一个传感器都能提供电信号，圆盘所对应的电信号也不相同。电子电路能将磁传感器的模拟信号转化为数字信号，例如，1代表有结构变化，0代表没有结构变化。并且如果制作一系列结构变化例如结构变化113,5、113.6和113.7，那么当编码器转轮101和圆盘110’一同相对于固定传感器旋转时，在编码器转轮101的10个位置中，每一个位置从传感器116.6-116.9得到的一系列信号都是不同的。
这样一个编码方案的总图，如图10所示。图10A显示了圆盘110’相对于传感器116.6-116.9的10个不同角度位置。在图10B的表中，“数字”那栏中的数字显示出10个位置处的转轮序号。“角度”那栏显示出从θ=00开始的旋转角度θ的数值。“传感器编号”那栏显示了对于给定角度位置的固定电路板上传感器的编号。“传感器输出值”那栏显示4个传感器中每一传感器的信号输出值。这4个值组合在一起形成了每一个角度处的代码值“1”和“0”的组合。这4位数字代码便是附图10A中每一个圆环上面的标记。例如数位4（上排，右侧）从θ=00开始沿着顺时针：传感器116.6和116.7没有结构变化，传感器116.8和116.9有结构变化。当旋转角度值为θ=144°时就会出现这种情况，并且输出代码值为0011。
图11示出4-开关传感器的输出和磁场之间的关系曲线。当圆盘旋转角度从θ=00到θ=3600整个一圈，在θ=00处的传感器116.6所测得的以及预期存在的磁场，如附图11A所示。图中轴的下方是圆盘110’的旋转角度，左边轴是从磁场模型得到的磁感应强度分量BRadial。磁场（高斯）—角度（度）关系曲线是图中标有菱形标志的粗实线，即曲线191’，右边轴是磁开关传感器的传感器输出电压，在技术里已经对该传感器进行描述了。传感器输出电压（伏特）—角度（度）的关系曲线用图中的细曲线192’表示。
在图11B中包含了一个商业数字磁开关对施加的磁场之间的典型响应。这个开关将磁场的模拟信号转换为数字2-状态电子信号输出。水平轴是磁场（高斯），纵轴是开关传感器输出电压（伏特）。数字磁开关的输出电压和施加的磁场之间的关系曲线在图中便是曲线193。需要说明的是曲线上存在磁滞现象。当施加的磁感应强度为负值时，输出电压为低值VL。随着磁感应强度的增大，变为正值，并且增大到超过定义的磁场工作点BOP，传感器输出值会从低值转变为高值VH。然后，随着磁感应强度从大的正值逐渐减小，输出值又变回到磁场重置点BRP时的低值VL。磁场的两个转换阈值BOP和BRP便是上半图中的虚线194和195所示。因此，当传感器的外磁场曲线191穿过虚线BOP和BRP时，传感器输出值如图中的曲线193所示。
为了能创造磁性编码器所需要的信号，弯曲永磁铁中的磁通量的方法有多种，如图12所示。在顶部那一行的图所表达的概念和图9中相同，都是使用有沟槽的圆盘。在中间那一行的图显示的是另一种可能的调整方法，就是使永磁性圆盘在外边缘弯曲而形成调整片，当调整片慢慢靠近传感器，在传感器周围就能产生弯曲磁通量。在底部那一行的图显示的又是另外一种调整方法，就是对永磁性圆盘进行冲压从而形成凸起的区域，当凸起的区域慢慢靠近传感器，在传感器周围就能产生弯曲磁通量。
本发明的使用方法有很多种，包括本实施例中涉及的基本概念的变形。例如，传感器的数量可以是任一数目，不仅仅是本发明中提到的4个和5个传感器实施例；在永磁性圆盘里的结构变化的数量和形状也可以不同。虽然所有这些类型的装置在本发明中没有进行明确详细的描述，但这些装置仍在本发明的精神和保护范围之内。
本发明对用最简单的坐标轴和几何对称尽可能作了解释，这使得对磁场偏置和磁感应的解释更容易理解。但是，本发明所叙述的对称和正交性的程度不能限制在任何本发明所适用的范围之内。尤其是像圆盘110上的磁铁182、磁铁114的磁化强度184、感应平面124、编码器圆盘平面125以及间隙126这样的设计元件不需要恰好平行或者垂直于指定的几何体。在实际的传感***里，校准程序和软件为许多机械和磁性缺陷作了修整。一般地，本发明中包括像“大致平行”或者“大致垂直”这样的说法应该是可以理解的，用这样的叙述是为了允许有+/-30度的对准公差。简单地说，就像间隙126的尺寸能允许有它指定距离的+/-30%的变化。
以上借助优选实施例对本发明进行了详细说明，但是本发明不限于此。本技术领域技术人员可以根据本发明的原理进行各种修改。因此，凡按照本发明原理所作的修改，都应当理解为落入本发明的保护范围。

Claims (11)

1.一种绝对式磁旋转编码器，包括
旋转轴，
多个可随所述旋转轴旋转的转轮，
与所述多个转轮一一对应的多个编码单元，和
为所述多个编码单元提供磁场偏置的一个或多个永磁体组件，
其特征在于，
每个编码单元包括：
导磁性编码器圆盘，其上的结构设置可使其磁导率随相对于所述旋转轴的位置的不同而不同，和
包括设置在同一感应平面内的多个磁传感器的传感器单元，用于感应导磁性编码器圆盘的磁导率，输出表征所述导磁性编码器圆盘相对位置的感应信号，所述感应平面大致垂直于所述旋转轴，
对于所述导磁性编码器圆盘和所述传感器单元，两者当中一个随所述转轮一同旋转，另一个保持不动，
根据所述传感器单元的感应信号，每个编码单元输出表征所对应转轮选定的旋转位置的数值；
所述永磁体组件的制成材料为选自钕铁硼、铁氧体中的一种，且
所述导磁性编码器圆盘的制成材料为选自镍铁导磁合金、软铁、高导磁合金、软钢、软磁铁氧体中的一种。
2.如权利要求1所述的绝对式磁旋转编码器，其特征在于，所述一个或多个永磁体组件的磁化强度方向和所述导磁性编码器圆盘的磁化强度方向分别与所述旋转轴的轴向大致平行，并且每一传感器的感应轴与所述旋转轴的径向大致平行。
3.如权利要求1所述的绝对式磁旋转编码器，其特征在于，每个传感器单元包括4个或5个磁阻传感器，每个转轮选定10个旋转位置。
4.如权利要求1所述的绝对式磁旋转编码器，其特征在于，该磁旋转编码器包括与所述多个编码单元一一对应设置的多个永磁体组件。
5.如权利要求1所述的绝对式磁旋转编码器，其特征在于，该磁旋转编码器包括分别为两个编码单元提供偏置的多个永磁体组件。
6.如权利要求1所述的绝对式磁旋转编码器，其特征在于，每一永磁体组件包括至少一个环形永磁体或环形布置的多个永磁体。
7.如权利要求1所述的绝对式磁旋转编码器，其特征在于，每一编码单元进一步包括由软磁材料制成的磁通闭合装置。
8.如权利要求1所述的绝对式磁旋转编码器，其特征在于，所述导磁性编码器圆盘的结构包括形成在所述导磁性编码器圆盘中的至少一个槽。
9.如权利要求1所述的绝对式磁旋转编码器，其特征在于，所述导磁性编码器圆盘的结构包括形成在所述导磁性编码器圆盘上的至少一个凸起和/或调整片。
10.如权利要求1所述的绝对式磁旋转编码器，其特征在于，所述铁氧体为钡铁氧体或者钴铁氧体。
11.如权利要求1所述的绝对式磁旋转编码器，其特征在于，每个编码单元中，导磁性编码器圆盘和所述传感器单元之间间隙的最小距离为0.1-4mm。
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