本发明一般地涉及磁铁装置和位置感测装置， 并且更具体地涉及用于探 测转轴的角度位置范围的位置感测装置中使用 的磁铁装置。 背景技术

使用位置感测装置来探测转轴的角度位置在行 业中是已知的。

传统上， 机械接触式位置感测装置被使用来探测转轴的 角度位置。 然 而， 机械接触式位置感测装置具有一些缺点， 包括机械磨损、 测角精度和可 靠性低以及没有自诊断能力。

已有建议使用电子感测系统以产生两状态信号 来反映转轴的角度位置。 具体地说， 电子感测系统包括响应转轴的转动产生模拟电 子信号的感测装 置， 并且该电子感测系统进一步处理模拟信号以产 生两状态信号以表示转轴 的角度位置。 更具体地说， 磁铁装置被附接在转轴上并且适于与转轴一起 转 动„ 在磁铁装置绕转轴转动时， 磁铁装置对感测装置产生磁通密度变化 /磁场 变化。 感测装置响应磁通密度变化 /磁场变化产生模拟电子信号， 然后该模拟 电子信号被转换成两状态信号。

因此， 有必要提供一种改进的磁铁装置， 用于产生磁通密度变化 /磁场变 化以适用于更加精确地反映转轴的角度位置。

还有必要提供一种改进的感测装置， 该感测装置产生两状态信号以适用 于使用磁通密度变化 /磁场变化更加精确地反映转轴的角度位置。 发明内容

在第一方面， 本发明提供一种磁铁装置， 用于提供与探测位置相关的磁 场强度变化 /磁场变化， 该磁铁装置包括：

磁铁部件， 适于被安装在转轴上并且随该转轴一起转动， 当该磁铁部件 绕转轴转动时， 该磁铁部件产生与探测位置相关的磁场强度变 化 /磁场变化；

确认本 以及

磁通密度集中器， 集中 /聚集磁场强度变化 /磁场变化的密度。 根据第一方面， 所述磁铁装置与感测装置一起使用， 该感测装置具有探 测位置， 感测元件位于该探测位置， 其中：

感测装置包括具有前侧和后側的感测元件；

磁通密度集中器包括磁通密度集中元件， 邻近所述感测元件的后 侧。

根据磁铁装置的第一方面， 其中：

磁铁部件具有位于磁铁部件相对两侧的第一侧 面和第二側面 , 磁通密度集中器进一步包括第一和第二磁通密 度集中元件， 第一磁通密度集中元件邻近所述磁铁部件的第 一侧面； 以及 第二磁通密度集中元件邻近所述磁铁部件的第 二侧面。

根据第二方面， 本发明提供一种位置感测系统， 用于产生两状态信号以 表示转轴的角度位置范围， 该位置感测系统包括：

在第一方面中所描述的磁铁装置， 用于产生磁场强度变化 /磁场变 化；

感测装置， 用于响应磁场强度变化 Λ磁场变化以产生电子信号； 以及 处理电路， 用于响应所述电子信号产生两状态信号。

根据位置感测系统的第二方面， 其中：

处理电路包括阈值电路， 用于提供钟形函数曲线上的阈值电压； 以 及

指示电路；

其中， 当所感测到的电子信号的电压超过（或低于） 所述阈值电压 时， 所述指示电路产生第一信号状态， 而当所感测到的电子信号的电压低于 (或超过） 所述阈值电压时， 产生第二信号状态。

才艮据位置感测系统的第二方面， 其中：

当双极磁铁绕转轴转动 360度时， 响应在一个维度上的磁通密度变 化 /磁场变化， 所述阈值电压和钟形函数曲线在安装位置感测 系统之前被校 根据在第二方面, 位置感测系统进一步包括：

调节电路， 用于通过监控和更新符合钟形函数曲线的电子 信号的最 小峰值和最大峰值来调节两状态信号的宽度以 补偿操作条件的变化， 包括空 隙的变化、 环境温度的变化以及所使用的部件的参数变化 。

通过提供磁铁装置和位置感测系统， 本发明克服了以上所提及的现有技 术中的缺点。 附图说明

参考附图将对本发明进行描述， 其中：

图 1 A描述 居本发明的位置感测系统 100， 其示出位置感测系统 100中 转轴 108的側视图；

图 1B描述图 1A的位置感测系统 100, 其示出图 1A中所示的转轴 108 的俯视图；

图 1C描述位置感测系统 100, 其示出图 1B中所示的转轴 108沿图 1B中 线 A-A的截面图；

图 2描述图 1A-C中所示的磁铁装置 102和感测装置 104的示意性实施 例；

图 3A-C描述根据本发明的图 1A-C中所示的磁铁装置 102和感测装置 104的三个实施例；

图 4A-C描述根据本发明的图 1A-C中所示的磁铁装置 102A-C和感测装 置 104A-C的另外三个实施例；

图 5A描述位置感测系统 100中的处理线路 106的一个实施例的更详细的 结构；

图 5B描述位置感测系统 100中的处理线路 106的另一个实施例的更详细 的结构 106';

图 6描述图 5A中所示的处理单元 504的更详细的结构；

图 7A描述了钟形函数曲线 702, 其反映由图 2中所示的磁铁 204所产生 的磁通密度变化 /磁场变化；

图 7B描述了钟形 (bell-shaped)函数曲线 706, 其反映由图 3A-B和图 4A- B中所示的磁铁 ( 304A, 304B, 404A或 404B )和磁通密度集中器（308A1, 308A2; 308C1, 308C2; 309B或者 309C )所产生的磁通密度变化 /磁场变化； 图 8A描述钟形 (bell-shaped)函数曲线 802, 其反映由图 2中所示的感测 元件 202感测到的电压输出；

图 8B描述钟形 (bell-shaped)函数曲线 806, 其反映由图 3A， 3B, 4A或 4B中所示的感测元件 ( 302A或 302B )感测到的电压输出；

图 8C描述了基于校准 （或模拟）程序中的钟形 (bell-shaped)函数曲线 806形成具有第一信号状态和第二信号状态的两 状态信号 107的方案；

图 9A- B示出使用正两状态信号 107或负两状态信号 107，来表示图 1A-C 中所示的转轴 108的转动范围； 以及

图 10示出发动机控制系统 900, 其中图 1A-C中所示出的处理线路 106 的输出 111被用于控制汽车中的发动机。 具体实施方式

现参考具体实施例， 在附图中示出其示例。 在具体实施例的详细描述 中， 方向性术语， 诸如 "顶部" 、 "底部" 、 "上方" 、 "下方" 、 "左 边" 、 "右边，， 等参考附图所描述的方向来使用。 由于本发明实施例的部件 可被设置成许多不同的方向， 方向性术语被用作说明的目的而决不是限制。 尽可能地， 所有附图中使用的相同或相似的标记和符号表 示相同或相似的部 分。

图 1 A描述才艮据本发明的位置感测系统 100, 示出位置感测系统 100中的 转轴 108的侧视图。

在图 1A中， 位置感测系统 100包括磁铁装置 102、 感测装置 104、 处理 线路 106和转轴 108。 感测装置 104通过连接 109与处理线路 106电连接， 而 磁铁装置 102被安装到转轴 108上并且适合于绕转轴 108的轴心 112 (如图 1C中所示） 与转轴 108—起转动。 感测装置 104位于磁铁装置 102的上方并 且与磁铁装置 102分隔开一距离 D (或空隙） 183。 当磁铁装置 102绕转轴 108的轴 112转动时， 磁铁装置 102可对感测装置 104所在的位置（或探测位 置）产生磁通密度变化， 转而产生磁场变化。 当感测装置 104受到磁铁装置 102的磁通密度变化 /磁场变化， 感测装置 104可产生电信号 （例如 PWM, SENT等） 。 作为示例性的实施例， 感测装置 104可包括霍尔效应电路， 用 于响应由磁通密度变化所引起的磁场变化产生 电信号。 感测装置 104将所感 应到的电信号输送到处理线路 106, 处理线路 106响应所述感应到的电信号 转而在其输出端 （即， 连接 11 1 )产生两状态信号 110。

如图 1A所示， 转轴 108可沿其纵向 （或其长度方向）成直线地移动， 并且也可以绕轴心 112 (如图 1C中所示）转动。 当转轴 108沿其纵向成直线 地移动时， 处理线路 106在其输出端 111保持其两状态信号的输出状态。 换 句话说， 对于转轴 108的直线运动， 处理线路 106不改变在输出 111上的两 状态信号的输出状态， 因为感测装置 104不能从转轴的直线运动中探测到任 何磁通密度变化和 /或磁场变化。 然而， 当转轴 108绕其轴 112转动时， 处理 线路 106可根据转轴 108的转动角度， 在其输出端 11 1处， 于 V _ffi 和 V _te 之间 改变两状态的电压输出。 换句话说， 处理线路 106响应转轴 108的转动角 度， 在 V _s 和 V _te 之间转换其两状态输出 1 11。

图 1B描述了图 1的位置感测系统 100, 示出转轴 108的俯视图。 在转轴 108的俯视图中， 感测装置 104应被示出位于磁铁装置 102的上方 （隔开距离 D 183 ) 。 为了更好地说明本发明的原理， 感测装置 104示意性地位于图 2中 的转轴 108侧边， 但使用虚线 129来反映磁铁装置 102和感测装置 104之间 的上述实际上下位置关系。

如图 1B中所示， 磁铁装置 102具有沿转轴 108纵向 （或长度方向）上的 长度 L以确保当转轴 108沿其纵向成直线地移动时感测装置 104始终在磁铁 装置 102的有效的探测区域内。 虚线 1 14表示沿转轴 108的纵向上的中心 线， 而虛线 115和 117限定了转轴 108的转动范围 （-L1， +L1 ) 。 换句话说， 当转轴 108绕轴心 1 12向左转动和向右转动时， 中心线 1 14分别朝虚线 115 和 117转动。

图 1C描述了图 1B的位置感测装置 100， 示出沿图 1B中的线 A-A的转 轴 108的截面图。

如图 1C中所示， 转轴 108可从其中心位置（由转轴 108上的直径方向上 的中心线 113示出）朝左转动直到转轴 108到达其左转动界限- Lm (由虚线 121示出）或者朝右转动直到转轴 108到达其右转动界限 +Lm (由虚线 123示 出） 。 直径方向上的中心线 113经过并切割转轴 108纵向上的中心线 114和 轴心 112。 因此， 两奈虛线 121和 123限定转轴 108的整个（或最大的）转动 范围 （-Lm, +Lm ) 。 在整个转动范围 （-Lm，+Lm ) 内， 两条虚线 115和 117 限定转轴 108 内部的转动范围 （- LI, +L1 ) 。 在图 1C 中所示的具体实施例 中， 整个转动范围和内部的转动范围关于转轴 108上的轴 112和中心线 113 对称。 换言之， 相对于轴心 112和中心线 113而言， -Lm和- L1之间的转动 范围分别等于 +Lm和 +L1之间的转动范围。 然而， 非对称设置的转动范围对 本领域技术人员来说也是可能的。 此外， 将转轴 108的整个转动范围 （- Lm， +Lm )扩大到 360度也是可能的。 为了更清楚地限定图 1A-C中的部件之间的 位置关系， 应当注意的是转轴 108直径方向上的中心线 113是经过轴心 112 的直线并且垂直于沿转轴 108纵向上的中心线 114。

协同工作时， 感测装置 104和处理线路 106可探测转轴 108的角度位置 并且在输出端 111上产生两状态指示信号 107。 具体地说， 当转轴 108在转 动范围 （-L1, +L1 ) 内时， 处理线路 106可产生第一信号状态 （如图 1C中示 出的高电压状态 V _s 或如图 9B中示出的低电压状态 V低） ； 当转轴 108在转 动范围 （-L1， +L1 )之外 （或超出该转动范围） 时， 处理线路 106产生第二 信号状态（如图 1C中示出的低电压状态 V _i& 或如图 9Β中示出的高电压状态 V _s ) 。 然后， 两状态指示信号 107通过处理线路 106的输出端 111被输送到 ECU (发动机控制单元） 902 (如图 10所示） 。

图 2描述了图 1A-C中所示的磁铁装置 102和感测装置 104的示意性实施 例。

如图 2中所示， 磁铁装置 102包括具有南极和北极的磁铁 204, 磁铁 204 的南极被附接在转轴 108的表面上， 感测装置 104的前表面 205和磁铁 204 的北极的表面被设置为相互面对。 磁铁 204的南极和北极与转轴 108的轴 U2和转轴 108径向上的中心线 113对齐。 感测装置 104与磁铁 204分隔开一 距离 （或空隙） 183 D并且与磁铁 204共平面。 如图 1B中所示， 磁铁 204具 有长度 L和沿转轴 108纵向上的中心线 114。 为了更加有效地探测来自磁铁 204的磁通密度变化， 作为一个实施例， 感测装置 104的感测点与磁铁 204纵 向中心线 114对齐。

如图 2中所示， 感测装置 104包括感测元件 202， 该感测元件可以是霍 尔效应传感器或磁阻（ magneto-resistive )传感器， 在暴露于旋转（或变化） 磁场时能产生电信号。 更具体地， 霍尔效应传感元件 202可以是载流的半导 体膜 ( current-carrying semi-conductor membrane ) , 在受到垂直于膜表面的磁 通密度变化 /磁场变化时产生垂直于电流方向的低电压。 如图 2中所示， 磁通 密度 /磁场在空隙 183内沿三维坐标 203 ( Bx, By, Bz ) 变化。 感测装置 104通 常被设计为探测沿 Bx或 By中的一维或两维的磁场变化。 感测元件 202可被 配置设在对由转动的磁铁 204引起的磁通密度变化 /磁场变化敏感和灵敏的探 测位置。 在图 2 中， B代表磁通密度； Bx表示沿轴 108 的径向方向 （the radial direction )上并且垂直于感测元件 202的磁通密度测量； 而 By表示与 轴 108相切（ tangential to )并且与感测元件 202共平面的磁通密度测量。

图 3A-C描述了图 1A-C中所示的感测系统 100的三个实施例。

如图 3A中所示， 感测装置 104A具有前側 305A和后側 306A, 而磁铁装 置 102A包括具有南极和北极的双极磁铁 304A。 磁铁 304A的南极被附接在 转轴 108的表面上。 感测装置 104的前表面 305A和磁铁 304A的北极的表面 设置为彼此相互面对。 磁铁 304A的南极和北极与转轴 108上的径向中心线 1 13对齐。 感测装置 104A包括感测元件 302A并且该感测装置 104A与磁铁 304A分隔开一段距离 （或空隙） D 183， 并且与磁铁 304A共平面。 双极磁铁 304A和探测位置（感测元件 302A所在的位置）是在同一平面上， 该平面垂 直于双极磁铁 304A的转动的轴向方向。 为了集中 /聚集由磁铁 304A产生的 磁通密度， 一对磁铁集中器 308A1和 308A2分别位于双极磁铁 304A的两侧 并且邻近该双极磁铁 304A。

如图 3B中所示， 感测装置 104B具有前側 305B和后侧 306B, 并且磁铁 装置 102B 包括具有南极和北极的双极磁铁 304B。 磁铁 304B的南极被附接 在转轴 108的表面上。 感测装置 104B的前表面 305B和磁铁 304B的北极的 表面设置为彼此相互面对。 磁铁 304B的南极和北极与转轴 108上的中心线 113对齐。 感测装置 104B包括感测元件 302B并且该感测装置 104B与磁铁 304B分隔开一段距离 （或空隙） D 183 , 并且与磁铁 304B共平面。 与图 3A 中所示的结构相类似的， 双极磁铁 304B和探测位置（感测元件 302B所在的 位置）是在同一平面上， 该平面垂直于双极磁铁 304B转动的轴向方向。 为了 集中 /聚集由磁铁 304B产生的磁通密度， 磁通密度集中器 309B被设置在感测 装置 302B的后侧并且邻近该感测装置 302B。

如图 3C中所示， 感测装置 104C具有前侧 305C和后側 306C, 并且磁铁 装置 102C包括具有南极和北极的双极磁铁 304Co 磁铁 304C的南极被附接 在转轴 108的表面上。 感测装置 104C的前表面 305C和磁铁 304C的北极的 表面设置为彼此相互面对。 磁铁 304C的南极和北极与转轴 108上的中心线 113对齐。 感测装置 104C包括感测元件 302C, 并且该感测装置 104C与磁铁 304C分隔开一段距离 （或空隙） D 183, 并且与磁铁 304C共平面。 与图 3A 中所示的结构相类似的， 双极磁铁 304C和探测位置（感测元件 302C所在的 位置）是在同一平面中， 该平面垂直双极磁铁 304C的转动的轴向方向。 为了 集中 /聚集由磁铁 304C产生的磁通密度， 一对磁铁集中器 308C1和 308C2分 别位于双极磁铁 304C的两側并且邻近该双极磁铁 304C。 为了进一步集中 /聚 集由磁铁 304C产生的磁通密度， 磁通密度集中器 309C被设置在感测元件 302C的后侧并且邻近该感测元件 302C。

在图 3B， 3C, 4B和 4C 中， 在感测元件 302B (或 302C )和集中器 309B (或 309C )之间的距离必须使由 304B (或 304C ) 所产生的磁场分布形 状 （ topology ) 是可以调节的。 作为一个实施例， 该距离可以被选择为 0.1mm, 但是各种距离变量也是可能的。 例如， 根据 304B (或 304C )所产 生磁场分布形状（topology ) ， 在感测元件 302B (或 302C )和集中器 309B (或 309C )之间的距离可以从 0.1mm到 5mm之中选择。

在图 3A, 3C, 4A和 4C中， 在磁铁 304A或 304C (或 404A或 404C ) 和集中器 308A1和 308A2 (或 308C1和 308C2 )之间的 ii巨离必须使由 304A 和 304C (或 404A和 404C )产生的磁场分布形状（topology )是可以调节 的。 作为一个实施例， 该距离可以被选为 0.1mm, 但是各种变量也是可能 的。 例如， 根据由 304A和 304C (或 404A和 404C )产生的磁场分布形状 ( topology ) ， 在磁铁 304A或 304C (或 404A或 404C )和集中器 308A1和 308A2 (或 308C1和 308C2 )之间的距离可以从 0.1 mm到 10mm之中选择。 在图 3A- C和 4A-C中， 基于磁铁 304A-C和 404A-C的参数， 包括磁铁 尺寸、 磁铁性质、 转动半径和预期性能， 来确定 /选择距离 （或空隙） D 183。 在本发明的一个实施例中， 距离 （或空隙） D 183选为 2mm, 但是也可 是其他各种变量。 例如， 距离 （或空隙） D 183 可以选为从 1mm到 3mm的 值。 集中器 （308A1、 308A2、 308C 308C2、 309B和 309C )可以由铁磁材 料或钢铁材料（包括具有高密度铁的金属合金 、 非奇异性（non-exotic )材料 和非贵重金属）制成。

如图 1B中所示， 图 3A-C中所示的磁铁 304A-C具有沿转轴 108纵向方 向上的长度 L。 为了更加有效地探测来自磁铁 304A-C的磁通密度变化， 作为 一种实施， 图 3A-C中所示的感测元件 302A-C的感测点与磁铁 304A-C的纵 向中心线 114对齐。 感测元件 302A, 302B或 302可以是霍尔效应传感器或 者磁阻 ( magneto-resistive )传感器 ₀

图 4A- (：描述了图 1A- C中所示的位置感测系统 100的其他三个实施例。 在图 4A- C中， 其他三个实施例分别具有与图 3A-C中的结构基本相同的 结构， 除了图 4A-C中所示的磁铁 402A-C的磁极方向不同于图 3A-C中所示 的磁铁 302A-C的磁极方向。 如图 4A-C中所示， 磁铁 404A-C的每个北极被 附接在转轴 108的表面上。 感测装置 104A-C的前表面 305A-C和磁铁 404A- C的南极的表面分别设置为彼此相互面对。 磁铁 404A-C的北极和南极与转轴 108上的直径方向上的中心线 113对齐。

图 5A更详细地描述了位置感测系统 100中的处理线路 106的一个实施 例。 如图 5A所示， 处理线路 106包括模拟 /数字转换线路 502、 数字处理单 元 504和指示电路 508， 所有这些线路都通过连接 503、 505和 507电连接在 一起。 模拟 /数字转换线路 502通过连接 109与感测装置 104的输出电连接， 该模拟 /数字转换线路 502从感测装置 104 (或 104A-C )接收模拟电子信号作 为输入、 将该模拟电子信号处理（或转）成数字电子信 号， 并且将数字化的 电子信号通过连接 503输送到处理单元 504。 然后， 处理单元 504处理数字 化的电子信号从而确定转轴 108是否在转动范围 （- L1, +L1 ) 内。 基于处理 单元 504的确定， 当转轴 108在转动范围 （-L1, +L1 ) 内时， 处理单元 504 将指示电路 508的两状态输出 111设置成第一信号状态 （如图 1C中所示出的 高电压状态 或如图 9B中所示出的低电压状态 V低） ； 当转轴 108在转动 范围 （-L1, +L1 )之外 （或超出该转动范围） 时， 处理单元 504将指示电路 508的两状态输出 111设置成第二信号状态 （如图 1C中所示出的低电压状态 V低或如图 9B中所示出的高电压状态 V _s ) 。

更具体地， 指示电路 508的两状态输出 11 1可根据连接 505和 507上出 现的两个控制信号， 也就是： 根据连接 505上的状态控制信号 （具有第一控 制信号状态和第二控制信号状态） 和连接 507上的触发信号 （或触发脉 沖） ， 指示电路 508被设置在高电压状态 （V _s )或低电压状态 （V 低） 。 当 数字处理单元 504将触发脉冲输送到连接 507上并且将状态控制信号输送到 连接 505上时， 指示电路 508被设置成与出现在连接 505上的状态控制信号 相同的信号 （或电压）状态。 当触发信号没有被输送到连接 507上时， 指示 电路 508保持其当前的输出状态， 而不受出现在连接 505上的状态控制的信 号 （或电压）状态的影响。 作为一个实施例， 指示电路 508的逻辑功能可以 通过使用 J-K寄存器或 D寄存器来实现。

因此， 当处理单元 504确定转轴 108在转动范围 （-L1， +L1 ) 内时， 处 理单元 504将第一控制信号状态 （高控制状态信号或低控制状态信号）输送 到连接 505上并且将触发信号输送到连接 507上， 这将指示电路 508设置成 第一信号状态 （如图 1C中所示出的高电压状态 V _s 或如图 9B中所示出的低 电压状态 V _¾ ) 。 当处理单元 504确定转轴 108在转动范围 （-L1, +L1 )之外 (或超出该转动范围） 时， 处理单元 504将第二控制信号状态 （低控制状态信 号或高控制状态信号）输送到连接 505上并且将触发信号输送到连接 507 上， 这将指示电路 508设置成第二信号状态 （如图 1C中所示出的低电压状态 V _¾ 或如图 9B中所示出的高电压状态 V _s ) 。

图 5B更详细地描述了位置感测系统 100中的处理线路 106的另一个实施 例 106，。 如图 5B中所示， 处理线路 106，包括模拟处理装置 924和极化线路 928。 模拟处理装置 924具有输入和输出， 其输入与连接 109连接； 而其输出 通过连接 925与极化线路 928连接。 该极化线路 928具有输出， 该输出与输 出端 111相连。

模拟处理装置 924从感测装置 104 (或 104A-C ) 的输出来接收电子信号 并且处理该电子信号， 从而当转轴 108在转动范围 （-L1, +L1 ) 内时， 产生 第一状态触发信号； 并且当转轴 108在转动范围 （-Ll， +L1 )之外（超出该 转动范围） 时， 产生第二状态触发信号。 响应第一状态驱动信号， 极化线路 928被设置成第一状态信号 （如图 1C中所示出的高电压状态 V _s 或如图 9B中 所示出的低电压状态 V 低 ） ； 响应第二状态驱动信号， 极化线路 928被设置 成第二状态信号 （如图 1C中所示出的低电压状态 V 低或如图 9B中所示出的 高电压状态 V _s ) 。

更具体地， 使用与图 8B的描述相关的校准（或模拟）程序获得阈值� �� 压。 然后， 经校准的 （或已模拟） 而获得的阈值电压被设置在模拟处理装置 924 内。 当感测装置 104所感应到的电压大于或等于阁值电压时， 模拟处理 装置 924产生第一状态驱动信号从而将极化线路 928设置成第一状态信号 (如图 1C 中所示出的高电压状态 V _s 或如图 9B 中所示出的低电压状态 V 低 ） 。 当感测装置 104 (或 104A-C )所感应到的电压小于阈值电压时， 模拟 处理装置 924产生第二状态驱动信号从而将极化线路 928设置成第二状态信 号 （如图 1C中所示出的低电压状态 V 或如图 9B中所示出的高电压状态 V * ) 。

模拟处理装置 924可使用低通滤波器或其他类似的模拟电路装 置来实 现。

图 6描述了图 5中所示的处理单元 504更详细的结构。 如图 6中所示， 处理单元 504包括处理器 （或 CPU ) 602、 寄存器 604、 存储装置 606、 输入 / 输出线路 608和总线 610。 处理器 602、 寄存器 604、 存储装置 606和输入 /输 出线路 608分别通过连接 603、 605、 607和 609与总线 610相连。 存储装置 606可存储程序 （即， 指令系列） 、 参数（例如， 如图 7B和 8B中所示出的 参考电压）和数据 (包括数字化的电子信号） ， 寄存器 604可存储（或緩冲 存储） 参数和数据， 而输入 /输出线路 608可接收至处理单元 504的输入信 号， 并且可将处理单元 504内的信号发送出处理单元 504 (如发送到连接 505 和 507上） 。 寄存器 604可基于保存在该寄存器中的内容为一个或多 个 CPU 操作周期提供和保持信号状态， 以便处理器 602可在 CPU操作周期内执行操 作。 通过执行储存在存储装置 606中的程序， 处理器（或 CPU ) 602可控制 寄存器 604、 存储装置 606和输入 /输出线路 608的操作， 并且可对寄存器 604和存储装置 606上执行读 /写操作。 输入 /输出线路 608可从模拟 /数字转换 线路 502处接收输入信号并且将处理器（或 CPU ) 602的输出信号发送到指 示电路 508。 为了执行比较逻辑运算， 处理器 （或 CPU ) 602 包括逻辑运算 单元（未示出） ， 逻辑运算单元具有比较器 612 , 该比较器可执行输入 613 和 615这两个来源的比较运算以在输出 617上产生比较结果。 处理器 （或 CPU ) 602可基于输出 617上的比较结果确定后续操作。 更具体地， 基于该比 较结果， 处理器 （或 CPU ) 602可产生所期望的状态控制信号和触发信号 (或触发脉冲） 并且将它们发送到连接 505和 507上。

图 7A描述了钟形 (bell-shaped)函数曲线 702， 该函数曲线反映当磁铁 204 绕转轴 108转动时由图 2中所示的磁铁 204所产生的与感测元件 202的探测 点相关的沿一个维度（ X维或 Y维） 的磁通密度变化 /磁场变化。 如图 7A所 示， 钟形函数曲线 702关于垂直的中心线 703对称， i亥垂直的中心线对应转 轴 108径向上的中心位置。 如图 7A中所示， 当磁铁 204在离图 2中所示的感 测装置 104最远位置处（对应线 703 ) 时， 钟形函数曲线 702上的磁通密度 在其最小值。 当磁铁 204朝离感测装置 104最近距离的位置（对应线 703 ) 转动时， 钟形函数曲线 702上的磁通密度逐渐增大至最大值。 当磁铁 204从 最近距离的位置朝离感测装置 104最远位置处（对应线 71 1 )转动时， 钟形 函数曲线 702上的磁通密度于是减小至最小值。

图 7B描述了钟形 (bell-shaped)函数曲线 706, 其反映当磁铁 (304A, 304B, 404A或 404B)绕转轴 108转动时， 由如图 3A-B和图 4A-B 中所示的磁铁 (304A, 304B, 404A或 404B)和磁通密度集中器 (308A1 , 308A2; 308C1 , 308C2; 309B或 309C)所产生的与感测元件 (302A或 302B)的探测点相关的沿一维 ( X 维或 Y维） 的磁通密度变化。 如图 7B所示， 钟形函数曲线 706关于垂直的 中心线 707对称， 该垂直的中心线对应转轴 108径向上的中心位置。 如图 7B 中所示， 当磁铁 (304A， 304B, 404A或 404B)在离图 3A-B和图 4A-B中所示的 感测装置 104A或 104B最远位置处（对应线 713 ) 时， 钟形函数曲线 706上 的磁通密度在其最小值。 当磁铁 (304A, 304B, 404A或 404B)朝离感测装置 104A或 104B最近距离的位置 （对应线 707 )转动时， 钟形函数曲线 706上 的磁通密度逐渐增大至最大值。 当磁铁 (304A, 304B, 404A或 404B)从最近距 离的位置朝离感测装置 104A或 104B最远位置处（对应线 71 1 )转动时， 钟 形函数曲线 706上的磁通密度减小至最小值。

在图 7A中， 线 704表示钟形 (bdl-shaped)函数曲线 702上的磁通密度最 大值和磁通密度最小值之差值的百分之 70 ( 70% )处的磁通密度。 在图 7B 中， 线 708表示在钟形 (bell-shaped)函数线 706上的磁通密度最大值和磁通密 度最小值之差值的百分之 70 ( 70% )处的磁通密度。

应当注意的是， 图 7B中的钟形函数曲线 706比图 7A中的钟形函数曲线 702更陡。 为了更好的比较图 7A-B中所示的两个钟形函数曲线的性能， 基于 钟形函数曲线 702的密度输出率 G1被定义为：

(1) G1 = H1/W1

其中 G1是 HI与 W1之间的比例， 在钟形函数曲线 702上磁通密度输出 的一预定百分比（例如 70% )处测得， 而 HI代表钟形函数曲线 702上预定 百分比的磁通密度值， 而 W1代表与钟形函数曲线 702上预定百分比的磁通 密度值相对应的转动角度范围。

同样的， 基于钟形函数曲线 706的密度输出率 G2被定义为：

(2) G2 = H2/W2

G2是 H2与 W2之间的比例， 在钟形函数曲线 706上一预定百分比（例 如 70% ) 的磁通密度输出处测得， 其中 H2代表钟形函数曲线 706上预定百 分比的磁通密度值， 而 W2代表与钟形函数曲线 706上预定百分比的磁通密 度值相对应的转动角度范围。

因此， 钟形函数曲线 706上的密度输出率 G2大于钟形函数曲线 702上的 密度输出率 Gl (G2 > G1), 因为函数曲线 706比函数曲线 702更加陡。

图 8A描述了钟形 (bell-shaped)函数曲线 802， 其反映如图 2中所示的感 测元件 202响应根据图 7A中所示的钟形函数曲线 702的磁通密度变化 /磁场 变化所感应到的电压输出。

图 8B描述了钟形 (bdl-shaped)函数曲线 806, 其反映图 3A， 3B, 4A或 4B 中所示的感测元件（302A或 302B )响应根据图 7B 中所示的钟形函数曲线 706的磁通密度变化 /磁场变化所感测到的电压输出。

作为电压输出， 图 8A中所示的钟形函数曲线 802 (电压函数曲线）与图 7A 中所示的钟形函数曲线 702 (磁密度函数曲线）成比例。 同样的， 图 8B 中所示的钟形函数曲线 808 (电压函数曲线）与图 7B中所示的钟形函数曲线 708 (磁密度函数曲线）成比例。

为了更好地比较图 8A- B 中所示的两条钟形函数曲线的性能， 基于函数 线 802的电压输出率 G3被定义为：

(3) G3 = H3/W3

G3是 H3与 W3之间的比例， 在钟形函数曲线 802上一预定百分比（例 如 70% ) 的电压输出处测得， 其中 H3代表钟形函数曲线 802上一预定百分 比的电压， 而 W3代表与钟形函数曲线 802上预定百分比的电压值相对应的 转动角度范围。

同样的， 基于钟形函数曲线 806上的电压输出率 G4被定义为：

(4) G4 = H4/W4

G4是 H2与 W2之间的比例， 在钟形函数曲线 806上一预定百分比（例 如 70% ) 的电压输出处测得， 其中 H4代表钟形函数曲线 806上一预定百分 比的电压， 而 W4代表与钟形函数曲线 806上预定百分比的电压值相对应的 转动角度范围。

因此， 电压函数曲线 806上的电压输出率 G4大于电压函数曲线 802上的 电压输出率 G3 (G4 > G3), 因为电压函数曲线 806比电压函数曲线 802更 陡。

在图 8A中， 线 804表示在函数曲线 802上电压最大值和电压最小值之差 值的百分之 70 ( 70% ) 的电压。 在图 8B中， 线 808表示函数曲线 806上电压 最大值和电压最小值之差值的百分之 70 ( 70% ) 的电压。

根据一个实施例， 在校准（或模拟）程序中产生电压输出曲线 806和阔 值线 808。 具体地， 当磁铁装置 304A (或 304B ) 围绕转轴 108的轴心 112持 续转动， 感测装置 104A (或 104B )响应由磁铁装置 102A (或 102B )产生 的沿一维（X维或 Y维） 的磁通密度变化 /磁场变化产生符合函数曲线 806的 电信号。 在执行校准（或模拟）程序时， 处理装置 （例如处理线路 106 )处理符 合函数曲线 806 (图 8B中所示） 的模拟电子信号以产生如线 808所示的闹值 电压。 具体地说， 在处理线路 106 内部， 模拟 /数字转换器 502从感测装置 104 A (或 104B )接收模拟电子信号（符合函数曲线 806 ) ， 将它们转换成数 字电子信号， 并且将数字化的电子信号输送到处理单元 504中的输入 /输出线 路 608。 在接收数字化的电子信号之后， 处理单元 504 中的处理器 （CPU ) 602将它们储存入存储装置 606中， 并且随后使用如下数学公式（5 )将数字 化的电子信号转换成阈值电压 808:

( 5 ) 阈值电压 808= (电压最大值-电压最小值） X (预定的百分比值） 在本发明中， 预定的百分比值选为 70%, 但是其他百分比值也是可能 的。

图 8C描述了基于在校准（或模拟）程序中的钟形� ��数曲线 806以形成具 有第一信号状态 （高电压 V _s )和第二信号状态 （低电压 V 低 ） 的两状态信号 107的方案。 基于数学公式（5 ) ， 图 5A中所示的数字处理线路 106 (或图 5B中所示的模拟处理线路 106， )通过将等于或大于阈值电压 808的钟形函数 曲线 806上的所有电压点 （或电压） 匹配（或指定） 为第一两状态信号 （高 电压 V _s ) 并且通过将小于阈值电压 808的钟形函数曲线 806上的所有电压点 (或电压） 匹配（或指定） 为第二两状态信号 （低电压 V 低 ） ， 从而产生两状 态信号 107。 当校准（或模拟）输出被传送到示波器时， 图 8B中所示的电子 信号可以从示波器中观察到。

在图 8B 中， 为了应对（或抵消）位置感测系统 100的操作条件的变化 (包括空隙的变化， 环境温度的变化， 以及所使用部件参数的变化） , 两状态 信号 107的宽度可以通过调节阔值电压 808的值来补偿。 根据一个实施例， 在校准（或模拟）程序中所产生的阈值电压 808被储存入存储装置 506中以 便处理单元 504可在以后实地使用时使用它来探测转轴 108的转动范围。 根 据另一个实施例， 在校准（或模拟）程序中所产生的阈值电压 808被设置入 模拟处理装置 924以便模拟处理装置 924可在以后实地使用时使用它来探测 转轴 108的转动角。

应当注意的是， 电子非接触式感测装置不可避免地要遇到制造 和 /或运转 中的操作条件的变化， 包括但不限于， 空隙的变化、 环境温度变化、 和所使 用部件的参数变化。 对于测量的精确性， 尤其对于探测汽车上的齿轮轴的空 档位置范围来说， 具有调节 /补偿能力是关键性的。 而使用两状态信号来表示 角度位置范围是进行调节 /补偿（包括宽度和 /或偏移） 的基础。 为了便于位置 感测系统 100的维修， 在实地使用时， 可通过执行储存在处理线路 106中的 校准 （或模拟）程序来执行校准 （或模拟） 步骤。 作为一个实施例， 通过监 测和更新符合钟形函数曲线 （806 ) 的电子信号的最大和最小峰值来调节两状 态信号的宽度。 这种做法是调节两状态信号的可行的和有效的 方式。

图 9A-B说明了正两状态信号 107或负两状态信号 107，都可被用于来表 示转轴 108的转动范围（-L1, +L1)。

具体地， 如图 9A中所示， 当转轴 108在转动范围 (-Ll， +L1)内时， 图 5A 中所示的处理线路 106将指示电路 508设置在如线 907所示的高电压状态 V «； 当转轴 108超出转动范围 (-Ll， +L1) (或在转动范围之外） 时， 数字处理 线路 106中的处理单元 504将指示电路 508设置在如线 909所示的低电压状 态 V低。

或者， 如图 9Β所示， 两状态信号 107，可以是两状态信号 107的反相。 因此， 在图 9Β中， 当转轴 108在转动范围（-Ll， +L1)内时， 图 5Α中所示的处 理线路 106 (或处理线路 106， )将指示电路 508设置在如线 917所示的低电 压状态 V 低； 当转轴 108超出转动范围 (-Ll， +L1) (或在转动范围之外） 时， 处理单元 504将指示电路 508设置在如线 919所示的高电压状态 V 高。

图 10描述了发动机控制系统 900 , 其中处理线路 106 (或处理线路 106' ) 的两状态输出 111被用于控制汽车中的发动机。 在图 10中， 发动机 控制系统 900包括感测装置 104, 处理线路 106和 ECU (发动机控制单元） 902。 在发动机控制系统 900中， 转轴 108被用作变速杆， 并且转动范围 (-L1, +L 1 )反映变速杆的空档位置范围。

如图 10中所示， ECU (发动机控制单元） 902从处理线路 106 (或处理 线路 106， ）接收连接 111 上的两状态信号作为其输入， 并且从汽车的离合 器传感电路（未示出）接收输入 903。 输入 903指示汽车的离合器是否被踩 压。 当 ECU902基于连接 111上的两状态信号探测到变速杆停留在空档位 置 范围有了一时间段时 （例如 5秒） ， 它关闭汽车的发动机， 以节省汽油。 当 ECU902基于连接 903上的输入探测到汽车的离合器正被踩压， ECU902基于 连接 111上的两状态信号探来判断测变速杆是否在空 档位置范围内。 ECU902 只在变速杆在空档位置范围内时启动发动机。 因此， 变速杆的空档位置范围 的探测精度对保证汽车的合理操作来说是非常 重要的。

应当注意的是， 钟形函数线 806所产生的与转轴 108的转动角设置相关 的两状态信号比钟形线 802所产生的两状态信号更加窄。 应当理解的是， 当 位置感测系统 100被用于探测汽车中的变速杆的空挡位置范围 时， 较窄的两 状态信号 107是尤其理想的。

在实地使用时， 图 5A中所示的数字处理线路 106或者图 5B中所示的模 拟处理线路 106，响应转轴 108的转动角度使用以下步骤将指示线路 508设置 成第一信号状态和第二信号状态：

在实地使用时， 根据一个实施例， 当转轴 108正转动一角度时， 感测装 置 104A (或 104B )响应由磁铁装置 102A或 102B产生的沿 X维和 /或 Y维 的磁通密度变化和 /或磁场变化产生电子信号。 所感应到的电压符合图 8B 中 所示出的钟形函数曲线 808。 感测装置 104A (或 104B )将电子信号传送到 处理线路 106中的处理器（CPU ) 602。

处理器 （CPU ) 602将所感应到的电压与阈值电压 808作比较。 如果所感 应到的电压值等于或者大于阈值电压 808 , 处理器 （CPU ) 602分别在连接 505和 507上产生相应的状态控制信号和触发信号， 从而将指示电路 508设置 成第一信号状态 （如图 1C中所示的高电压状态 V _s 或如图 9B中所示的低电 压状态 V _te ) 。 如果所感应到的电压值小于阈值电压 808， 处理器 （CPU ) 602分别在连接 505和 507上产生相应的状态控制信号和触发信号， 从而将指 示电路 508设置成第二信号状态 （如图 1C 中所示的低电压状态 V 或如图 9B中所示的高电压状态 V高） 。

执行用于设置指示电路 508的具体步骤的程序 （或指令集）可以被储存 在存储装置 606中， 并能够被处理器（CPU ) 602执行。

在实地使用时， 根据另一个实施例， 当转轴 108正转动一角度时， 感测 装置 104A (或 104B )响应由磁铁装置 102A或 102B产生的沿一维（X维和 / 或 Y维） 的磁通密度变化和 /或磁场变化产生电子信号。 所感应到的电子信号 符合图 8Β中所示出的钟形函数曲线 808。

当感测装置 104A (或 104B )所感应到的电信号的电压大于或等于阈值 电压， 模拟处理装置 924产生第一状态驱动信号以将极化线路 928设置成第 一状态信号 （如图 1C中所示出的高电压状态 V _s 或如图 9B中所示出的低电 压状态 V低 ） 。 当感测装置 104A (或 104B )所感应到的电信号的电压小于阔 值电压时， 模拟处理装置 925产生第二状态驱动信号以将极化线路 928设置 成第二状态信号 （如图 1C中所示出的低电压状态 V 低或如图 9B中所示出的 高电压状态 V ) 。

为了降低 ECU系统的成本， 期望的是简化该系统的控制单元的结构。 达 到这种期望的一个事项 （或条件）是在该控制单元处将处理线路 106或感测 装置 104的输入转换成两状态逻辑输入。 这种转换可以由带有机械开关的传 感器来实现， 缺点是测量精度低和可靠性差。

应当注意到， 如图 3C或 4C中所示的位置感测系统所能产生的钟形函数 曲线甚至比由图 3A- B和图 4A-B中所示出的感测系统所产生的钟形函数曲� � 更加陡， 这是因为图 3C或 4C中所示的位置感测系统具有两组磁密度集中� �� 308CK 308C2和 309C。 然而， 图 3C或 4C中所示的位置感测系统产生两状 态信号的实现原理与图 3A- B和图 4A-B中所示的位置感测系统产生两状态信 号的实现原理相同。 因此， 图 3C或 4C中所示的位置感测系统能够产生的两 状态信号窄于图 3A-B和 4A-B中所示的感测系统所产生的两状态信号。

可以对本文所描述的实施例进行各种改变和变 型而不脱离本发明的精神 和范围， 对本领域技术人员来说是显而易见的。 因此， 如果这样的改变和变 型在附加的权利要求和其等同物的范围内， 说明书意在覆盖本文中所描述的 各种实施例的改变和变型。