專利名稱：磁性定位方法和結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及利用永磁體進(jìn)行磁性定位方法和結(jié)構(gòu)，其中，在位置傳感器所在的部位測量永磁體的磁通量密度另的矢量和局部梯度，并且由磁通量密度β的矢量和局部梯度計(jì)算永磁體的磁偶極相對于位置傳感器的位置F和方向。這種定位例如是在這樣的應(yīng)用中采用，其中，一個(gè)物體相對于另一個(gè)物體或坐標(biāo)系的位置將被檢測，而這兩者相對移動(dòng)。永磁體和位置傳感器然后相應(yīng)地被緊固在這兩個(gè)物體上，從而能夠經(jīng)由磁性定位確定物體的當(dāng)前的相對位置以及可能的方向。
背景技術(shù)：
磁偶極定位有時(shí)已經(jīng)在地質(zhì)學(xué)、醫(yī)藥以及國防技術(shù)中造成問題。各種不同的方法被用于確定磁性的或能被磁化的物體的位置以及經(jīng)常還有朝向。因而，主要在醫(yī)藥領(lǐng)域但也在地質(zhì)學(xué)領(lǐng)域中，經(jīng)常采用這樣的方法，即在一個(gè)平面內(nèi)沿一個(gè)方向或沿多個(gè)方向掃描磁場，因而獲得一種二維磁象。所述磁象隨后利用肉眼檢查的方式或利用圖象處理的合適的算法被分析，從而確定磁性物體的位置和方向。此外，已知利用磁場的幾何學(xué)特性而從磁性測量的數(shù)據(jù)定位磁偶極。為此目的，磁通量密度的矢量在四個(gè)空間位置被測量，其中所述四個(gè)空間位置并非位于一個(gè)平面內(nèi)。首先，由位于不同平面中的每兩個(gè)位置的位置與磁場矢量確定兩個(gè)平面。這兩個(gè)平面的交叉直線同時(shí)是磁偶極的軸線。磁偶極在該直線上的位置然后由進(jìn)一步的幾何學(xué)研究被確定， 例如在 G. Cauffet 等人的著作““Geometric Construction Technic to Localization of a Magnetic Dipole/r ， C0MPUMAG 2001,13th Conference on the Computation of Electromagnetic Fields，Lyon-Evian“中詳細(xì)說明。在國防技術(shù)、尤其地雷探測和地質(zhì)學(xué)的應(yīng)用中，通過利用離散構(gòu)造的磁場傳感器測量梯度而定位磁偶極，其中所述磁場傳感器能夠通過空間偏差測量兩個(gè)不同的部位之間的磁場的變化、即局部梯度。由這些測量的值，利用磁偶極的反向的梯度張良確定磁偶極的位置。為此目的，一個(gè)平面內(nèi)的梯度的確定是足夠的。該技術(shù)的實(shí)例在以下公開文獻(xiàn)中可見S. Kumar 等人的"Real-Time Tracking Magnetic Gradiometer for Underwater Mine Detection “，OCEANS 04. MTTS/IEEE TECHNO-OCEAN 04，ISBN 0-7803-8669-8/04,2004 ;S. Kumar 等人的"Real-Time Tracking Gradiometer for use in an Autonomous Underwater Vehicle for Buried Minehunting " , OCEANS,2005, Proceedings of MTS/IEEE, ISBN :0-933957-34-3 ；Takaaki Nara 等人的〃 A Closed-Form Formula for Magnetic Dipole Localization by Measurement of Its Magnetic Field and Spatial Gradients"，IEEE TRANSACTIONS ON MAGNETICS, VOL. 42, NO. 10 October 2006, pp. 3291-3293 ；Frahm, C. P.白勺"Inversion of the magnetic field gradient equations for a magnetic dipole field “ ， Naval Coastal Systems Laboratory, Informal Report (1972)，NCSL, pp. 135-172，Panama City, Fla.，或 Μ· C. Jeoffreys 的‘‘DISCRIMINATION AND IDENTIFICATION OF UNEXPL0DED ORDINANCES (USO) USINGAIRBORNE MAGNETIC GRADIENTS" ， Mathematics in Industry Study Groups in South Africa > MISGA 2006, University of the Witwatersrand(23rd-27th January 2006)。在這種情況中并在本申請中，術(shù)語梯度并非意味著矢量計(jì)算的數(shù)學(xué)算符，而實(shí)際上是根據(jù)空間方向(局部求導(dǎo))的導(dǎo)數(shù)(或微分系數(shù))。這些導(dǎo)數(shù)大體上根據(jù)三個(gè)笛卡爾坐標(biāo)方向被確定。然而，其它坐標(biāo)系的采用也基本上是可行的。由測量的磁場以及它們的梯度定位的另一種方法包括不反向場公式、而是借助于回歸確定場公式的參數(shù)，從而公式與測量的數(shù)據(jù)之間的誤差是最小的(最小二乘擬合)。例如，在 S. L. Helwig 等人的"Inversion von ortsaufgelostenffirbelstrommessdaten zur Bestimmung der Lage und Geometrie von Landminen[Inversion of Location-Resolved Eddy Current Measured Data to Determine the Location and Geometry of Landmines]“ ；DGZfP report volume 94-CD, DGZfP Annual Meeting 2005, poster 26 中說明了這種方法。對于緊湊位置傳感器內(nèi)永磁體的磁場測量積分以及永磁體的位置或方向的計(jì)算而言，基于篩選或通過擬合算法的逼近的方法由于高要求的技術(shù)能力而被排除。如果這種位置傳感器將被集成到一芯片內(nèi)，則不會考慮需要不同平面內(nèi)的磁場傳感器的方法。因此， 測量磁通量密度的矢量以及局部梯度(location gradient)的僅僅上述技術(shù)適用于這些應(yīng)用，這是因?yàn)閷τ谠摷夹g(shù)而言在一個(gè)平面內(nèi)布置磁場傳感器就是足夠了的。為此目的，環(huán)形的、圓柱形的或立方形的永磁體被用作為上述永磁體。然而，在這種已知的技術(shù)中，永磁體的線性位置和方向無法彼此相互獨(dú)立地被事先確定。例如，由于安裝過程中磁體的歪斜的磁化或誤差而造成的方位自預(yù)定的方向的偏離也總是影響線性位置的測量。在顛倒的情況中，即如果旋轉(zhuǎn)軸線的位置并非與磁體的軸線和磁場傳感器的位置最佳對正，則這還導(dǎo)致測量的方位相對于實(shí)際方位的偏差。這種橫向靈敏度對于應(yīng)用這種技術(shù)以定位是不利的。此外，確認(rèn)的測量的值最初在該技術(shù)中具有任意標(biāo)度，這源自于結(jié)構(gòu)但是不易確認(rèn)。因此，測量必須大體上被校正。另外，在線性移動(dòng)的過程中，所探測的測量值的線性化對于確認(rèn)線性位置而言是必須的。本發(fā)明的技術(shù)問題包括提出用于磁性定位的方法和結(jié)構(gòu)，其允許磁性傳感器和分析電子器件集成在緊湊的位置傳感器中并且允許彼此相互獨(dú)立地確定線性位置與朝向。

發(fā)明內(nèi)容
該技術(shù)問題通過根據(jù)權(quán)利要求1和8的方法和結(jié)構(gòu)得以解決。該方法和該結(jié)構(gòu)的有利的實(shí)施例在從屬權(quán)利要求中記載或者可以由以下說明和示意性實(shí)施例得出。在所提出的利用永磁體進(jìn)行定位的方法中，利用磁場傳感器在位置傳感器所在的部位測量永磁體的磁通量密度另的矢量和局部梯度。由磁通量密度另的矢量和局部梯度計(jì)算永磁體的磁偶極相對于位置傳感器的位置F和方向。該計(jì)算基于已知的磁偶極公式以已知的方式實(shí)現(xiàn)。所提出的方法與現(xiàn)有技術(shù)的方法的區(qū)別之處在于采用具有均勻磁化強(qiáng)度的球形永磁體。通過采用球形永磁體(其在外部空間內(nèi)具有理想的磁偶極的特性)來定位與確定磁偶極的方向是獨(dú)立的。因而，例如，為了進(jìn)行定位，可以利用源自T.Nara等人"A Closed-Form Formula for Magnetic Dipole Localization by Measurement of ItsMagnetic Field and Spatial Gradients"，IEEE TRANSACTIONS ON MAGNETICS, VOL.42, NO. 10，OCTOBER 2006，pp. 3291-3293的公式。為了選擇位置傳感器上的基準(zhǔn)坐標(biāo)系，這些公式必須唯一地乘以因數(shù)-1。為了確定方向、即磁偶極矩A的矢量，針對偶極場的公式可以通過理論得出并且對mx、my和mz求解。在所提出的方法中，球形永磁體沿其三個(gè)平移自由度的位置以及沿兩個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度的磁化方向可以由測量值被確定。第三旋轉(zhuǎn)自由度無法被確定，這是因?yàn)橛来朋w的磁場繞其磁化軸線是旋轉(zhuǎn)對稱的。所提出的用于定位的結(jié)構(gòu)相應(yīng)地包括球形與均勻磁化的永磁體以及與所述永磁體隔離布置的位置傳感器。位置傳感器設(shè)置成在位置傳感器所在的部位測量永磁體的磁通量密度云的矢量和局部梯度，并且所述位置傳感器具有分析電子器件或分析裝置，所述分析電子器件或分析裝置由所述磁通量密度另的矢量和空間梯度優(yōu)選在所述位置傳感器的基準(zhǔn)系內(nèi)計(jì)算所述永磁體的磁偶極相對于所述位置傳感器的位置F和方向。在所提出的方法和相關(guān)的結(jié)構(gòu)中，位置傳感器優(yōu)選包括多個(gè)3-D磁場傳感器，所述3-D磁場傳感器在一平面內(nèi)布置。因此，所述位置傳感器包括二維布置結(jié)構(gòu)的磁場傳感器，所述磁場傳感器適于沿笛卡爾坐標(biāo)系的所有三個(gè)空間方向測量磁場或磁通量密度，并且由此首先確定永磁體的六個(gè)機(jī)械自由度中的五個(gè)。磁場傳感器在該平面內(nèi)安置，以使得除了磁場或磁通量密度矢量以外，還可以測量在所述傳感器的平面內(nèi)沿笛卡爾方向的梯度。以下兩個(gè)公式優(yōu)選被用于確定所測量的變量，即
權(quán)利要求
1.一種利用永磁體(1)定位的方法，其中所述永磁體(1)的磁通量密度云的矢量和局部梯度在位置傳感器( 所在的部位被測量；并且由所述磁通量密度另的矢量和局部梯度計(jì)算所述永磁體(1)的磁偶極相對于所述位置傳感器O)的位置F和方向，其特征在于，采用具有均勻磁化強(qiáng)度的球形永磁體(1)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，利用多個(gè)3-D磁場傳感器C3)測量所述磁通量密度另的矢量和局部梯度，所述3-D磁場傳感器在所述位置傳感器( 中安置在一平面中，以使得所述3-D磁場傳感器能夠在所述平面內(nèi)沿兩個(gè)笛卡爾空間方向測量局部梯度。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，霍爾傳感器被用作為所述3-D磁場傳感器⑶。
4.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的方法，其特征在于，五個(gè)3-D磁場傳感器(3)被用于測量所述磁通量密度云的矢量和局部梯度，所述五個(gè)3-D磁場傳感器C3)中的四個(gè)在一想像矩形的四個(gè)角處布置，并且剩余一個(gè)在所述想像矩形的中心處布置。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4任一所述的方法，其特征在于，所述磁偶極的位置F通過以下公式被確定，即L1/1S1Bj^ + SrStA-^Bfi9rBr-iret-StSx'SttBt(B,Ss-2'^rSx -BjfSirSrBr^exB1'
6.根據(jù)權(quán)利要求1至5任意所述的方法，其特征在于，所述磁偶極的方向通過以下公式被確定，即“'SKo.yP3-γ -3 ”p -2- ,
7.根據(jù)權(quán)利要求1至6任一所述的方法，其特征在于，所述永磁體(1)和所述位置傳感器( 分別在與之對應(yīng)的物體上布置，所述物體的相對位置和方向?qū)⒁淮_定。
8.一種利用永磁體(1)以及與所述永磁體(1)隔離布置的位置傳感器( 定位的結(jié)構(gòu)，其中，所述位置傳感器( 設(shè)置成在所述位置傳感器( 所在的部位測量所述永磁體 (1)的磁通量密度另的矢量和局部梯度，并且所述位置傳感器具有分析電子器件，所述分析電子器件由所述磁通量密度另的矢量和空間梯度計(jì)算所述永磁體(1)的磁偶極相對于所述位置傳感器O)的位置F和方向，并且所述永磁體(1)是球形的并具有均勻磁化強(qiáng)度。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述位置傳感器(2)具有多個(gè)3-D磁場傳感器(3)，所述3-D磁場傳感器在一平面內(nèi)布置，以使得它們能夠在所述平面內(nèi)沿兩個(gè)笛卡爾空間方向測量局部梯度，以測量所述磁通量密度云的矢量和局部梯度。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述3-D磁場傳感器是霍爾傳感器。
11.根據(jù)權(quán)利要求9或10所述的結(jié)構(gòu)，其特征在于，用于測量所述磁通量密度另的矢量和局部梯度的位置傳感器( 具有五個(gè)3-D磁場傳感器C3)被用于測量所述磁通量密度云的矢量和局部梯度，所述五個(gè)3-D磁場傳感器C3)中的四個(gè)在一想像矩形的四個(gè)角處布置， 并且剩余一個(gè)在所述想像矩形的中心處布置。
12.根據(jù)權(quán)利要求8至11任一所述的結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述分析電子器件設(shè)置成通過以下公式確定所述磁偶極的位置F，即
13.根據(jù)權(quán)利要求8至12任一所述的結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述分析電子器件設(shè)置成通過以下公式確定所述磁偶極的方向，即
14.根據(jù)權(quán)利要求8至13任一所述的結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述位置傳感器⑵是ASIC。
全文摘要
本發(fā)明涉及利用永磁體(1)磁性定位的方法和結(jié)構(gòu)，其中，利用位置傳感器(2)測量永磁體(1)的矢量和局部梯度，由測量值計(jì)算永磁體(1)的磁偶極相對于位置傳感器(2)的位置與方向。具有均勻磁化強(qiáng)度的球形永磁體(1)在該方法和結(jié)構(gòu)中被采用，防止位置與方向確定之間的實(shí)現(xiàn)出現(xiàn)的橫向靈敏度，并且允許沒有事先校正地進(jìn)行測量。
文檔編號G01V3/08GK102449506SQ201080023313
公開日2012年5月9日 申請日期2010年5月21日 優(yōu)先權(quán)日2009年5月25日
發(fā)明者J·紹埃雷爾, M·哈克納, V·彼得斯 申請人:弗勞恩霍弗應(yīng)用技術(shù)研究院