专利名称：磁性定位方法和结构的制作方法
技术领域：
本发明涉及利用永磁体进行磁性定位方法和结构，其中，在位置传感器所在的部位测量永磁体的磁通量密度另的矢量和局部梯度，并且由磁通量密度β的矢量和局部梯度计算永磁体的磁偶极相对于位置传感器的位置F和方向。这种定位例如是在这样的应用中采用，其中，一个物体相对于另一个物体或坐标系的位置将被检测，而这两者相对移动。永磁体和位置传感器然后相应地被紧固在这两个物体上，从而能够经由磁性定位确定物体的当前的相对位置以及可能的方向。
背景技术：
磁偶极定位有时已经在地质学、医药以及国防技术中造成问题。各种不同的方法被用于确定磁性的或能被磁化的物体的位置以及经常还有朝向。因而，主要在医药领域但也在地质学领域中，经常采用这样的方法，即在一个平面内沿一个方向或沿多个方向扫描磁场，因而获得一种二维磁象。所述磁象随后利用肉眼检查的方式或利用图象处理的合适的算法被分析，从而确定磁性物体的位置和方向。此外，已知利用磁场的几何学特性而从磁性测量的数据定位磁偶极。为此目的，磁通量密度的矢量在四个空间位置被测量，其中所述四个空间位置并非位于一个平面内。首先，由位于不同平面中的每两个位置的位置与磁场矢量确定两个平面。这两个平面的交叉直线同时是磁偶极的轴线。磁偶极在该直线上的位置然后由进一步的几何学研究被确定， 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“中详细说明。在国防技术、尤其地雷探测和地质学的应用中，通过利用离散构造的磁场传感器测量梯度而定位磁偶极，其中所述磁场传感器能够通过空间偏差测量两个不同的部位之间的磁场的变化、即局部梯度。由这些测量的值，利用磁偶极的反向的梯度张良确定磁偶极的位置。为此目的，一个平面内的梯度的确定是足够的。该技术的实例在以下公开文献中可见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)。在这种情况中并在本申请中，术语梯度并非意味着矢量计算的数学算符，而实际上是根据空间方向(局部求导)的导数(或微分系数)。这些导数大体上根据三个笛卡尔坐标方向被确定。然而，其它坐标系的采用也基本上是可行的。由测量的磁场以及它们的梯度定位的另一种方法包括不反向场公式、而是借助于回归确定场公式的参数，从而公式与测量的数据之间的误差是最小的(最小二乘拟合)。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 中说明了这种方法。对于紧凑位置传感器内永磁体的磁场测量积分以及永磁体的位置或方向的计算而言，基于筛选或通过拟合算法的逼近的方法由于高要求的技术能力而被排除。如果这种位置传感器将被集成到一芯片内，则不会考虑需要不同平面内的磁场传感器的方法。因此， 测量磁通量密度的矢量以及局部梯度(location gradient)的仅仅上述技术适用于这些应用，这是因为对于该技术而言在一个平面内布置磁场传感器就是足够了的。为此目的，环形的、圆柱形的或立方形的永磁体被用作为上述永磁体。然而，在这种已知的技术中，永磁体的线性位置和方向无法彼此相互独立地被事先确定。例如，由于安装过程中磁体的歪斜的磁化或误差而造成的方位自预定的方向的偏离也总是影响线性位置的测量。在颠倒的情况中，即如果旋转轴线的位置并非与磁体的轴线和磁场传感器的位置最佳对正，则这还导致测量的方位相对于实际方位的偏差。这种横向灵敏度对于应用这种技术以定位是不利的。此外，确认的测量的值最初在该技术中具有任意标度，这源自于结构但是不易确认。因此，测量必须大体上被校正。另外，在线性移动的过程中，所探测的测量值的线性化对于确认线性位置而言是必须的。本发明的技术问题包括提出用于磁性定位的方法和结构，其允许磁性传感器和分析电子器件集成在紧凑的位置传感器中并且允许彼此相互独立地确定线性位置与朝向。

发明内容
该技术问题通过根据权利要求1和8的方法和结构得以解决。该方法和该结构的有利的实施例在从属权利要求中记载或者可以由以下说明和示意性实施例得出。在所提出的利用永磁体进行定位的方法中，利用磁场传感器在位置传感器所在的部位测量永磁体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计算永磁体的磁偶极相对于位置传感器的位置F和方向。该计算基于已知的磁偶极公式以已知的方式实现。所提出的方法与现有技术的方法的区别之处在于采用具有均勻磁化强度的球形永磁体。通过采用球形永磁体(其在外部空间内具有理想的磁偶极的特性)来定位与确定磁偶极的方向是独立的。因而，例如，为了进行定位，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。为了选择位置传感器上的基准坐标系，这些公式必须唯一地乘以因数-1。为了确定方向、即磁偶极矩A的矢量，针对偶极场的公式可以通过理论得出并且对mx、my和mz求解。在所提出的方法中，球形永磁体沿其三个平移自由度的位置以及沿两个旋转自由度的磁化方向可以由测量值被确定。第三旋转自由度无法被确定，这是因为永磁体的磁场绕其磁化轴线是旋转对称的。所提出的用于定位的结构相应地包括球形与均勻磁化的永磁体以及与所述永磁体隔离布置的位置传感器。位置传感器设置成在位置传感器所在的部位测量永磁体的磁通量密度云的矢量和局部梯度，并且所述位置传感器具有分析电子器件或分析装置，所述分析电子器件或分析装置由所述磁通量密度另的矢量和空间梯度优选在所述位置传感器的基准系内计算所述永磁体的磁偶极相对于所述位置传感器的位置F和方向。在所提出的方法和相关的结构中，位置传感器优选包括多个3-D磁场传感器，所述3-D磁场传感器在一平面内布置。因此，所述位置传感器包括二维布置结构的磁场传感器，所述磁场传感器适于沿笛卡尔坐标系的所有三个空间方向测量磁场或磁通量密度，并且由此首先确定永磁体的六个机械自由度中的五个。磁场传感器在该平面内安置，以使得除了磁场或磁通量密度矢量以外，还可以测量在所述传感器的平面内沿笛卡尔方向的梯度。以下两个公式优选被用于确定所测量的变量，即
权利要求
1.一种利用永磁体(1)定位的方法，其中所述永磁体(1)的磁通量密度云的矢量和局部梯度在位置传感器( 所在的部位被测量；并且由所述磁通量密度另的矢量和局部梯度计算所述永磁体(1)的磁偶极相对于所述位置传感器O)的位置F和方向，其特征在于，采用具有均勻磁化强度的球形永磁体(1)。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，利用多个3-D磁场传感器C3)测量所述磁通量密度另的矢量和局部梯度，所述3-D磁场传感器在所述位置传感器( 中安置在一平面中，以使得所述3-D磁场传感器能够在所述平面内沿两个笛卡尔空间方向测量局部梯度。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，霍尔传感器被用作为所述3-D磁场传感器⑶。
4.根据权利要求2或3所述的方法，其特征在于，五个3-D磁场传感器(3)被用于测量所述磁通量密度云的矢量和局部梯度，所述五个3-D磁场传感器C3)中的四个在一想像矩形的四个角处布置，并且剩余一个在所述想像矩形的中心处布置。
5.根据权利要求1至4任一所述的方法，其特征在于，所述磁偶极的位置F通过以下公式被确定，即L1/1S1Bj^ + SrStA-^Bfi9rBr-iret-StSx'SttBt(B,Ss-2'^rSx -BjfSirSrBr^exB1'
6.根据权利要求1至5任意所述的方法，其特征在于，所述磁偶极的方向通过以下公式被确定，即“'SKo.yP3-γ -3 ”p -2- ,
7.根据权利要求1至6任一所述的方法，其特征在于，所述永磁体(1)和所述位置传感器( 分别在与之对应的物体上布置，所述物体的相对位置和方向将要被确定。
8.一种利用永磁体(1)以及与所述永磁体(1)隔离布置的位置传感器( 定位的结构，其中，所述位置传感器( 设置成在所述位置传感器( 所在的部位测量所述永磁体 (1)的磁通量密度另的矢量和局部梯度，并且所述位置传感器具有分析电子器件，所述分析电子器件由所述磁通量密度另的矢量和空间梯度计算所述永磁体(1)的磁偶极相对于所述位置传感器O)的位置F和方向，并且所述永磁体(1)是球形的并具有均勻磁化强度。
9.根据权利要求8所述的结构，其特征在于，所述位置传感器(2)具有多个3-D磁场传感器(3)，所述3-D磁场传感器在一平面内布置，以使得它们能够在所述平面内沿两个笛卡尔空间方向测量局部梯度，以测量所述磁通量密度云的矢量和局部梯度。
10.根据权利要求9所述的结构，其特征在于，所述3-D磁场传感器是霍尔传感器。
11.根据权利要求9或10所述的结构，其特征在于，用于测量所述磁通量密度另的矢量和局部梯度的位置传感器( 具有五个3-D磁场传感器C3)被用于测量所述磁通量密度云的矢量和局部梯度，所述五个3-D磁场传感器C3)中的四个在一想像矩形的四个角处布置， 并且剩余一个在所述想像矩形的中心处布置。
12.根据权利要求8至11任一所述的结构，其特征在于，所述分析电子器件设置成通过以下公式确定所述磁偶极的位置F，即
13.根据权利要求8至12任一所述的结构，其特征在于，所述分析电子器件设置成通过以下公式确定所述磁偶极的方向，即
14.根据权利要求8至13任一所述的结构，其特征在于，所述位置传感器⑵是ASIC。
全文摘要
本发明涉及利用永磁体(1)磁性定位的方法和结构，其中，利用位置传感器(2)测量永磁体(1)的矢量和局部梯度，由测量值计算永磁体(1)的磁偶极相对于位置传感器(2)的位置与方向。具有均匀磁化强度的球形永磁体(1)在该方法和结构中被采用，防止位置与方向确定之间的实现出现的横向灵敏度，并且允许没有事先校正地进行测量。
文档编号G01V3/08GK102449506SQ201080023313
公开日2012年5月9日 申请日期2010年5月21日 优先权日2009年5月25日
发明者J·绍埃雷尔, M·哈克纳, V·彼得斯 申请人:弗劳恩霍弗应用技术研究院