具有动态可调偏置设置的磁力计和包括其的电子车辆罗盘制造技术

本发明专利技术披露了一种具有动态可调偏置设置的磁力计和包括其的电子车辆罗盘。磁力计包括用于检测磁场的至少一个传感器，偏置电路和处理器。所述传感器产生具有一种信号特征的输出信号，所述信号特征响应检测的磁场并响应施加的偏置而改变。所述偏置电路响应偏置设置信号动态地偏置所述传感器。处理器被连接用于接收来自所述传感器的输出信号，并和所述偏置电路相连。所述处理器可操作用于产生偏置设置信号，由此控制偏置电路以动态地偏置所述传感器，从而所述输出信号的所述信号特征被保持在相对小的目标范围内。所述处理器按照施加到传感器上的偏置电流设置的函数确定由传感器检测的磁场分量。（*该技术在2022年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术一般涉及一种磁力计，尤其涉及用于车辆中的电子罗盘。
技术介绍
磁力计被用于许多不同的应用中。其中的一种应用是用于车辆的电子罗盘。在这种电子罗盘中，利用磁力计判断车辆相对于地球的磁北极的行驶方向。 一种典型的电子罗盘包括两个磁场传感器，该两个磁场传感器被设置使得它们的轴线处于一个水平面内，使第一传感器的轴线和车辆的纵轴平行，并且使第二传感器的轴线和第一传感器的轴线垂直。然后利用这些传感器检测地球的磁场矢量的垂直的、水平的轴向对准分量的幅值，以使得处理电路可以计算车辆相对于地球磁场矢量的行驶方向。车辆电子罗盘中一直利用几种不同形式的磁力计。这些类型的磁力计的一些例子包括利用磁通门传感器、磁阻传感器和磁感应传感器的磁力计。磁感应传感器可以按包括L/R传感器和LC传感器的不同的形式构成。在所述两种形式的磁感应传感器中，都具有围绕磁心材料缠绕的线圏。这种传感器具有这样一种特性，即其电感响应磁场呈线性地改变，但是只是在外部磁场的值的两个预定的范围内如此。通过观察传感器电感对磁场强度的曲线(例如见图5)，可以看到，所得的曲线基本上围绕磁场强度为零的点对称。因而，通常对传感器线圏施加一个偏置电流，使得在磁心材料周围产生一个人为的磁场。由所述偏置电流产生的人为的磁场和外部磁场相加。方向与由偏置电流产生的人为磁场相同的外部磁场彼此相加，而方向与人为磁场相反的外部磁场则从人为磁场中被减去。因而，借助于测量传感器的电感的改变，可以确定轴向取向的磁场分量的强度。为了测量传感器的电感的改变，提出了一种响应频率随传感器的 电感的改变而发生改变的电路结构。利用这种电路，传感器的电感的 改变产生与传感器的输出信号的频率近似成比例的改变。因而可以测 量频率的改变，以〗更确定外部磁场的强度。在这种磁力计中遇到的 一个问题是，磁心材料的特性随温度和使用年限而变。对这个问题的一种解决方案在欧洲专利No.0045509 Bl 中披露了。该欧洲专利披露了传感器线圏上的偏置电流的极性可以 被反向，使得可以利用两种极性的偏置电流进行测量，从而两个测量 之间的差值相应于外部磁场。这样进行的测量和由温度改变或使用年限引起的磁心材料的任何变化无关。美国专利No.5239264披露了一种类似的技术。本申请的图l和 图2相应于264专利的图3和图4。如图1和图2所示，磁心材料的 导磁率函数u(H)在一个特定的磁场强度范围内作为磁场强度H的函 数而改变。由这些曲线可以看出，所示的曲线一般具有两个区域，其 中导磁率相对于磁场强度的改变而改变。 一个区域具有正的斜率，而另一个区域具有负的斜率。在264专利中，交替地反向直流偏置电流 的极性，从而提供具有两个极性的读数。然后使两个读数彼此相减， 从而获得由那个特定的传感器线圈检测到的地球磁场的一个分量的磁 场强度。在上述的美国专利5239264和欧洲专利0045509B1中，直流偏置 电流保持为恒值，只有偏置电流的极性被反向。在汽车中提供电子罗 盘的一个问题是，汽车可能引起外部磁场的畸变。此外，当车辆通过 一些物体，例如桥梁、地铁、电力线、铁路以及其它物体时，这些物 体可能对由电子罗盘检测的磁场产生干扰。这种磁场干扰可能产生使 得由传感器线圈检测的磁场落在电感对磁场强度曲线的非线性区域内 的磁场。因而，上述专利的磁力计具有一个有限的范围，在该范围内 它们可以精确地检测外部》兹场的强度。因而，需要一种电子罗盘，其能够在比当前常规的磁力计提供的较大的范围内精确地检测磁场分量。
技术实现思路
按照本专利技术的一个实施例，提供一种磁力计，其包括用于检测磁场的传感器；偏置电路和处理器。所述传感器产生具有一种信号特征 的输出信号，所述信号特征响应检测的磁场并响应施加的偏置而改变。 所述偏置电路响应偏置设置信号动态地偏置所述传感器。所述处理器 被连接用于接收来自所述传感器的输出信号，并和所述偏置电路相耦 连。所述处理器可以操作用于产生偏置设置信号，借以控制偏置电路 以便动态地偏置所述传感器，以使得在相对小的目标值的范围内保持 所述输出信号的所述信号特征。所述处理器按照施加到传感器上的偏 置设置的函数来确定由传感器检测的磁场分量。按照本专利技术的另一个实施例，提供一种磁力计，其包括第一传 感器，用于检测一个磁场的第一分量；第二传感器，用于检测所述磁 场的第二分量；偏置电路；以及处理器。每个传感器产生具有一个频 率的输出信号，所述频率响应检测的分量磁场并响应施加的偏置电流 而改变。偏置电路产生用于动态地偏置所述第一和第二传感器的偏置 电流。所述处理器被连接用于接收来自所述传感器输出信号，并和所 述偏置电路相耦连。所述处理器可以操作用于控制偏置电路，以便动 态地改变施加于传感器的偏置电流，使得输出信号的频率被保持在一 个或几个目标频率范围内。所述处理器按照施加于传感器的偏置电流 的函数来确定由所述传感器检测的磁场分量。按照另一个实施例，提供一种用于车辆的电子罗盘，其包括第 一磁场传感器，用于检测一个磁场的第一分量；第二磁场传感器，用 于检测所述磁场的与所述第一分量垂直的第二分量；偏置电路；处理 电路；以及，和所述处理电路相耦连以用于指示车辆的行驶方向的行 驶方向指示器。每个传感器产生一个具有一个信号特征的输出信号， 所述信号特征响应检测的分量》兹场并响应施加的偏置电流而改变。偏 置电路产生用于动态地偏置所述第一和第二传感器的偏置电流。所述21处理器被连接用于接收来自所述传感器输出信号，并和所述偏置电路 相耦连。所述处理器可以操作用于控制偏置电路，以便动态地改变施 加于传感器的偏置电流，以使得输出信号的信号特征被保持在一个或 几个目标范围内。所述处理电路按照施加于传感器的偏置电流的函数 来计算车辆的行驶方向。按照本专利技术的另一个实施例，提供一种用于确定磁场分量的强度的方法，包括以下步骤提供一个磁场传感器，其产生具有一个信号 特征的输出信号，所述信号特征响应检测的磁场分量的强度并响应施 加的偏置设置而改变；动态地改变所述传感器的偏置设置，以使得所 述输出信号的所述信号特征被保持在一个目标范围内；以及，按照所 述传感器的偏置设置的函数来确定检测的磁场分量的强度。按照本专利技术的另一个实施例，提供一种磁力计，其包括用于检 测一个磁场分量的传感器； 一个磁场产生机构；以及一个处理器，所 述处理器被连接用于接收来自传感器的输出信号并与所述磁场产生机 构相耦连。所述传感器产生一个具有一个特征的输出信号，所述特征 在磁场值的第一范围内响应所述检测的磁场分量大体上线性地改变。 所述磁场分量在磁场值的一个第二范围内改变。所述磁场产生机构产 生和任何外部磁场相加的磁场，以使得合成的磁场由所述传感器检测。 所述产生的磁场的强度可选择地改变。所述处理器能够操作用于控制 所述磁场产生机构，以便选择产生的磁场的强度，并由此在所述第一 范围内动态地改变和/或保持所述第二范围。所述处理器还能够操作用 于响应从传感器接收到的输出信号确定由所述传感器检测的磁场分量。按照另一个实施例，提供一种磁力计，其包括具有一个响应磁 场而改变的传感器特征的检测元件；以及， 一个具有用于接收驱动信 号的输入端的放大器。所述检测元件被耦接在所述放大器的一个反馈 环内。所述放大器产生具有一本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种磁力计，包括：　用于检测磁场的传感器，所述传感器产生具有一种信号特征的输出信号，所述信号特征响应检测的磁场并响应施加的偏置而改变；　偏置电路，所述偏置电路响应偏置设置信号动态地偏置所述传感器；以及　处理器，其被连接用于接收来自所述传感器的输出信号，并和所述偏置电路相连，所述处理器能够被操作用于产生偏置设置信号并由此控制所述偏置电路以动态地偏置所述传感器，从而所述输出信号的所述信号特征被保持在一个相对小的目标值的范围内，所述处理器按照施加到所述传感器上的偏置设置的函数来确定由所述传感器检测的磁场分量。

【技术特征摘要】
US 2001-11-20 09/989,5591. 一种磁力计，包括用于检测磁场的传感器，所述传感器产生具有一种信号特征的输出信号，所述信号特征响应检测的磁场并响应施加的偏置而改变；偏置电路，所述偏置电路响应偏置设置信号动态地偏置所述传感器；以及处理器，其被连接用于接收来自所述传感器的输出信号，并和所述偏置电路相连，所述处理器能够被操作用于产生偏置设置信号并由此控制所述偏置电路以动态地偏置所述传感器，从而所述输出信号的所述信号特征被保持在一个相对小的目标值的范围内，所述处理器按照施加到所述传感器上的偏置设置的函数来确定由所述传感器检测的磁场分量。2. 如权利要求1所述的磁力计，其中所述传感器包括一种磁心材 料和围绕所述磁心材料绕制的绕组，其中传感器的电感响应检测的磁 场而改变。3. 如权利要求1所述的磁力计，其中所迷传感器包括 检测元件，其具有响应所述磁场而改变的传感器特征；以及 具有用于接收驱动信号的输入的放大器，所述检测元件被连接在所述放大器的一个反馈环内，所述放大器产生输出信号，其具有至少 部分地响应传感器特征的改变而改变的信号特征。4. 如权利要求3所述的磁力计，其中所述传感器特征是检测元件 的电感。5. 如权利要求3所述的磁力计，其中所述检测元件包括一个电感 器和与所述电感器并联的电容器。6. 如权利要求3所述的磁力计，还包括驱动电路，用于产生所述 驱动信号，其中所述处理器控制所述驱动电路以改变施加于所述放大 器输入的驱动信号。7. 如权利要求6所述的磁力计，其中所迷处理器改变驱动信号的偏置电流，以便将输出信号的信号特征保持在目标范围内，并且其中 所述处理器根据驱动信号的偏置电流确定磁场强度。8. 如权利要求1所述的磁力计，其中所述信号特征是输出信号的相位。9. 如权利要求1所述的磁力计，其中所述信号特征是输出信号的频率。10. 如权利要求1所述的磁力计，其中所述传感器具有作为检测 的磁场的强度的函数而改变的电感。11. 如权利要求1所述的磁力计，其中所述处理器按照施加于所 述传感器的偏置设置和在目标范围内的输出信号的值两者的函数来确 定由所述传感器检测的磁场分量，以便增加读数的分辨率。12. 如权利要求1所述的磁力计，其中所述的偏置设置用于近似 地平衡在传感器响应的两个目标范围的每一个中要被测量的磁场。13. 如权利要求1所述的磁力计，其中，选择所述偏置设置以使 得所述传感器的输出信号处于用于能够获得目标响应值的两个不同的 范围之一的目标范围内。14. 如权利要求13所述的磁力计，其中，随后选择偏置设置以使 得所述传感器的输出信号处于相应于能够获得目标响应值的两个不同 的范围的另一个的第二目标范围内。15. 如权利要求1所述的磁力计，其中所述处理器测量输出信号 响应，并根据现有的偏置设置和输出信号响应确定达到一个目标响应 值所需的偏置。16. 如权利要求1所述的磁力计，其中所述处理器按照能够获得 至少一个目标响应值的两个偏置设置的函数来确定由所述传感器检测 的磁场分量。17. 如权利要求1所述的磁力计，还包括多极点滤波器，其和所 述偏置电路的输出相连，用于滤波要被施加给所述传感器的偏置。18. 如权利要求17所述的磁力计，其中，所述滤波器被配置用于 利用也向偏置确定电阻器提供电流的单级放大器。19. 如权利要求17所述的磁力计，其中所述滤波器的阻尼系数大 于可比的Butterworth滤波器的阻尼系数。20. 如权利要求1所述的磁力计，还包括鉴相电路，其被连接在 所述传感器和所述处理器之间。21. 如权利要求20所述的磁力计，还包括和所述鉴相滤波器的输 出相连的多极点滤波器。22. 如权利要求1所述的磁力计，其中所述传感器是一种谐振传 感器，并且所述磁力计还包括和所述谐振传感器相连的、用于对其提 供激励信号的激励电路。23，如权利要求22所述的磁力计，其中所述激励电路限制激励信 号的幅值，从而阻止所述谐振传感器对激励信号的响应的严重饱和。24. 如权利要求22所述的磁力计，还包括用于在将激励信号施加 给所述谐振传感器之前滤波激励信号的滤波器，所述滤波器使得激励 信号近似为正弦。25. 如权利要求24所述的磁力计，其中所述滤波器是多极点滤波器。26. 如权利要求22所述的磁力计，还包括用于驱动所述谐振传感 器的放大器，所述放大器的输出和所述激励电路的输入相连。27. 如权利要求22所述的磁力计，其中所述处理器通过测量所述 传感器的输出信号相对于激励信号的相位的相移来确定由所述传感器 检测的磁场分量。28. 如权利要求27所述的磁力计，其中所述激励信号对于所述谐 振传感器的操作的标称中心点具有近似等于所述谐振传感器的谐振频 率的频率。29. 如权利要求22所述的磁力计，其中所述处理器通过测量所述 传感器的输出信号的频率来确定由所述传感器检测的磁场分量。30. 如权利要求29所述的磁力计，其中所述激励信号在标称上和 所述谐振传感器的输出信号同相。31. 如权利要求29所述的磁力计，其中所述激励信号相对于所述谐振传感器的输出信号具有标称的恒定相位。32. 如权利要求22所述的磁力计，还包括一个放大器，其中所述 激励信号和由所述偏置电路提供的偏置信号在被施加给所迷谐振传感 器之前由所述放大器线性地相加。33. 如权利要求22所述的磁力计，还包括一个放大器，其中所述 偏置电路通过提供一个直流偏置电流来偏置所述传感器，所述放大器 驱动所述直流偏置电流和所述激励信号两者。34. 如权利要求22所述的磁力计，其中所述谐振传感器包括具有 磁心和绕在所述磁心上的线圏的检测元件，所述偏置电路通过提供直 流偏置电流来偏置所述传感器，并且其中所述直流偏置电流和激励信 号两者都被提供给所述线圏。35. 如权利要求1所述的磁力计，其中所述处理器控制所述偏置 电路以便动态地偏置所述传感器，从而使得所述输出信号的信号特征 被保持在两个目标范围之一中。36. 如权利要求35所述的磁力计，其中所述处理器根据偏置设置 对输出信号特征的曲线的斜率的符号确定输出信号的信号特征落在两 个目标范围的哪一个范围内。37. 如权利要求35所述的磁力计，其中所述传感器能够被所述偏 置电路偏置的总的范围近似跨过用于偏置所述传感器以使得输出信号 特征落在两个目标范围内所需的范围加上用于检测要被测量的外部磁 场强度所需的范围。38. 如权利要求1所述的磁力计，其中所述偏置电路包括脉宽调 制的数模转换器，用于设置所述传感器的偏置电流，所述数模转换器 具有远大于其增量分辨率的精度。39. 如权利要求1所述的磁力计，其中所述处理器对来自所述传 感器的测量进行滤波，从而滤除由流过交流电力线的电流产生的周期 改变的》兹场。40. 如权利要求1所述的磁力计，其中所述处理器使用偏置设置 信号用于基于来自所述传感器的先前读数的、来自所述传感器的测量。41. 如权利要求1所述的磁力计，其中所述处理器启动一个检索 程序，用于查找可确定目标响应的偏置设置。42. —种》兹力计，包括第一传感器，用于检测一个磁场的第一分量；第二传感器，用于检测所述磁场的第二分量，每个所述传感器产 生具有一个频率的输出信号，所述频率响应检测的分量磁场并响应施 加的偏置电流而改变；偏置电路，用于产生动态地偏置所述第一和第二传感器的偏置电 流；以及处理器，其被连接用于接收来自所述传感器的输出信号，并和所 述偏置电路相连，所述处理器可被操作用于控制所述偏置电路，以便 动态地改变施加于所述传感器的偏置电流，从而使得输出信号的频率 被保持在一个或几个目标频率范围内，所述处理器根据施加于所述传 感器的偏置电流来确定由所述传感器检测的磁场分量。43. 如权利要求42所述的磁力计，其中所述第一和第二传感器具 有按照检测的磁场的强度的函数而改变的电感。44. 如权利要求42所述的磁力计，其中所述第一和第二传感器的 每一个包括检测元件，其具有响应所述磁场而改变的传感器特征，所 述传感器还包括具有用于接收驱动信号的输入的放大器，所述检测元 件被选择性地连接在所述放大器的一个反馈环内，所述放大器产生输 出信号，其具有至少部分地响应选择的检测元件的传感器特征的改变而改变的信号特征。45. 如权利要求44所述的磁力计，其中所述传感器特征是检测元 件的电感。46. 如权利要求44所述的磁力计，其中每个所述检测元件包括一 个电感器和与所述电感器并联的电容器。47. 如权利要求44所述的磁力计，还包括驱动电路，用于产生所 述驱动信号，其中所述处理器控制所述驱动器电路，以便改变施加于 所述放大器输入的驱动信号。48. 如权利要求47所述的磁力计，其中所述处理器改变驱动信号 的偏置电流，以便使输出信号的信号特征保持在目标范围内，并且其 中所述处理器根据驱动信号的偏置电流确定磁场强度。49. 如权利要求44所述的磁力计，其中所述信号特征是输出信号 的相位。50. 如权利要求44所述的磁力计，其中所述信号特征是输出信号 的频率。51. 如权利要求42所述的磁力计，其中所述处理器交替地反向由 所述偏置电路产生的偏置电流的极性。52. —种用于车辆的电子罗盘，包括 第一磁场传感器，用于检测一个磁场的第一分量；第二磁场传感器，用于检测所述磁场的与所述第 一分量垂直的第 二分量，每个所述传感器产生一个具有特征的输出信号，所述特征响 应检测的分量》兹场并响应施加的偏置电流而改变；偏置电路，用于产生动态地偏置所述第一和第二传感器的偏置电流；处理电路，其被连接用于接收来自所述传感器的输出信号，并和 所述偏置电路相连，所述处理器可操作用于控制所述偏置电路，以便 动态地改变施加于所述传感器的所述偏置电流，使得输出信号的特征 被保持在一个或几个目标范围内，所述处理电路按照施加于所述传感 器的偏置电流的函数计算车辆的行驶方向；以及和所述处理电路相连用于指示车辆的行驶方向的行驶方向指示器。53. 如权利要求52所述的电子罗盘，其中所述处理电路交替地反 向由所述偏置电路产生的偏置电流的极性。54. 如权利要求52所述的电子罗盘，其中所述特征是输出信号的频率。55. 如权利要求52所述的电子罗盘，其中所述处理器按照施加于 所述传感器的偏置设置和在目标范围内的输出信号的值两者的函数确定由所述传感器检测的磁场分量，以便提高读数的分辨率。56. 如权利要求52所述的电子罗盘，其中所述特征是输出信号的相位。57. 如权利要求56所述的电子罗盘，还包括 信号发生器，用于产生具有预定频率的参考信号；以及 驱动器电路，其和所述信号发生器相连，并和所述偏置电路相连，用于产生驱动信号，所述驱动信号具有与所述预定频率的参考信号组 合的由所述偏置电路建立的直流偏置电流值，所述驱动信号被施加到 所述第一和第二磁场传感器中选择的一个，其中所述处理电路比较输出信号的相位和参考信号的相位，以便 确定相位偏移是否在目标范围内。58. 如权利要求52所述的电子罗盘，其中所述行驶方向指示器是 显示器。59. 如权利要求52所述的电子罗盘，其中第 一和第二磁场传感器 的每一个包括感应检测元件，所述检测元件和一个输出所述输出信号 的放大器相连。60. 如权利要求59所述的电子罗盘，其中每个检测元件被耦接在 所述放大器的一个单独的反馈环中。61. 如权利要求59所述的电子罗盘，其中每个检测元件包括电感 器和与所述电感器并联连接的电容器。62. 如权利要求61所述的电子罗盘，其中每个检测元件被耦接在 所述放大器的一个单独的反馈环中。63. 如权利要求62所述的电子罗盘，还包括传感器选择电路，其 和所述处理电路相连并包括第一和第二开关，所述第一开关和所述第 一磁场传感器的检测元件串联连接，用于选择性地使所述第一磁场传 感器的检测元件和所述放大器耦接或解耦，并且所述第二开关和所述 第二磁场传感器的检测元件串联连接，用于选择性地使所述第二磁场 传感器的检测元件和所述放大器耦接和解耦。64. —种用于确定磁场分量的强度的方法，包括以下步骤提供一个磁场传感器，其产生具有一个信号特征的输出信号，所述信号特征响应检测的磁场分量的强度并响应施加的偏置i殳置而改 变；动态地改变所述传感器的偏置设置，以使得所述输出信号的信号特征被保持在一个目标范围内；以及按照所述传感器的偏置设置的函数确定检测的磁场分量的强度。65. 如权利要求64所述的方法，其中所述偏置设置是施加于传感 器的偏置电流。66. 如权利要求64所述的方法，其中所述信号特征是输出信号的频率。67. 如权利要求64所述的方法，其中所述信号特征是输出信号的相位。68. —种》兹力计，包括用于检测一个磁场分量的传感器，所述传感器产生一个具有特征 的输出信号，所述特征在磁场值的第一范围内响应所述检测的磁场分 量基本上线性地改变，其中所述磁场分量在磁场值的第二范围内改变；磁场产生机构，用于产生和4壬何外部磁场相加的》兹场，以使得合 成的磁场由所述传感器检测，所述产生的磁场的强度可选择地改变； 以及处理器，所述处理器被连接用于接收来自传感器的输出信号并和 所述磁场产生机构相连，所述处理器能够操作用于控制所述磁场产生 机构，以便选择产生的磁场的磁场强度，由此动态地在所述第一范围 内改变和/或保持所述第二范围，所述处理器还能够操作用于响应从所 述传感器接收到的输出信号确定由所述传感器检测的磁场分量。69. —种用于车辆的电子罗盘，包括在权利要求68中限定的磁力 计，还包括第二传感器，用于检测磁场的第二分量，所述第二分量和由另一 个传感器检测的第 一分量垂直；处理电路，用于按照由所述磁力计确定的磁场分量的函数计算车辆的4亍驶方向；以及行驶方向指示器，其和所述处理电路相连，用于指示车辆的行驶方向。70. —种磁力计，包括具有响应磁场而改变的传感器特征的第一检测元件，以及 具有用于接收驱动信号的输入端的放大器，所述第一检测元件被 连接在所述放大器的第一反馈环内，所述放大器产生具有一个信号特 征的输出信号，所述信号特征至少部分地响应...

【专利技术属性】
技术研发人员：蒂莫西R弗兰德，乔恩H贝克特尔，
申请(专利权)人：金泰克斯公司，
类型：发明
国别省市：US[]