如何確定目標(biāo)材料相對(duì)磁導(dǎo)率，保障傳感器性能

作者：Allegro MicroSystems（歐洲）有限公司 Yannick Vuillermet

前言

傳感器性能很大程度上取決于目標(biāo)機(jī)械幾何參數(shù)。在速度測(cè)量等應(yīng)用情況下，齒輪的幾何形狀至關(guān)重要，但這些機(jī)械特性不是本文討論的主題。在這里，我們假設(shè)目標(biāo)是針對(duì)客戶應(yīng)用而設(shè)計(jì)，本文的側(cè)重點(diǎn)是目標(biāo)鐵磁材料屬性，特別是磁導(dǎo)率。我們將討論如何確定目標(biāo)材料的最小相對(duì)磁導(dǎo)率，以保證應(yīng)用具備最優(yōu)的傳感器性能。這些討論適用于任何與鐵磁目標(biāo)相關(guān)的背偏置傳感器的應(yīng)用，包括速度傳感器（凸輪、曲軸、變速器等）、位置傳感器（如線性、角度）等。

鐵磁材料性能

將材料置于外部磁場(chǎng)（如永磁體、線圈中的電流、地磁場(chǎng)等），如果其易于磁化，則此材料具有鐵磁性。在鐵磁材料中，材料磁化與產(chǎn)生的內(nèi)部磁場(chǎng)一致。與永磁體不同，如果不施加外部磁場(chǎng)，則鐵磁體材料的剩余磁性非常小。圖 1 所示為描述上述特性的簡(jiǎn)化方法。

圖 1：鐵磁材料的簡(jiǎn)化磁特性。

磁導(dǎo)率與形狀因子

鐵磁材料的磁化由兩個(gè)主要參數(shù)推動(dòng)：磁導(dǎo)率和物體的形狀（形狀因子）。以下通過(guò)簡(jiǎn)單示例顯示這兩個(gè)參數(shù)如何影響磁化。如果是橢球體，無(wú)論對(duì)物體施加什么樣的均勻外部磁場(chǎng)，材料內(nèi)部的磁化都會(huì)均勻。注意，該橢球體可被視為大致近似速度目標(biāo)齒。圖2 顯示沿 x 置于均勻磁場(chǎng) Ho 的橢圓體和均勻的磁化強(qiáng)度 J。

圖2：均勻外部磁場(chǎng)的橢圓體。

在這種情況下，假設(shè)沒(méi)有材料磁飽和，磁化強(qiáng)度由下式給出：

在該等式中，Nx 是沿著 x 的橢球的形狀因子。該參數(shù)取決于橢圓形狀，并始終小于 1。沿 x 方向伸長(zhǎng)的對(duì)象具有小 Nx（例如 Nx = 0.1）。具體情況是具有 Nx = 1/3 的球體。圖3顯示了一些形狀因子的物體極化與相對(duì)磁導(dǎo)率的關(guān)系。很明顯，沿外磁場(chǎng)方向伸長(zhǎng)的物體更容易磁化。更有趣的是，可以注意到，在超出給定磁導(dǎo)率的水平上，物體極化僅取決于物體的形狀。與形狀因子 Nx 相比，1 / (μr – 1) 忽略不計(jì)時(shí)，肯定會(huì)出現(xiàn)這種情況。

圖 4 是相同的曲線圖，但采用歸一化極化，以更好地顯是磁導(dǎo)率水平。無(wú)論物體形狀如何，一旦相對(duì)磁導(dǎo)率大于 300，至少能達(dá)到最大磁化強(qiáng)度的 95％。此數(shù)字將在下面的真實(shí)應(yīng)用中確認(rèn)。

現(xiàn)在我們以ATS699LSN 速度傳感器為例來(lái)加以說(shuō)明?？紤]典型的速度應(yīng)用，并使用置于 Allegro 60X 參考目標(biāo)前面的 ATS699LSN 變速箱部件（圖5）。ATS699LSN 是具有三個(gè)霍爾效應(yīng)板的差分部件（左、中和右）以及兩個(gè)差分通道（左中和右中）。以下僅考慮一個(gè)通道的輸出。此部件的典型工作氣隙是1mm和2mm，即由傳感器印記面和輪齒頂部之間距離定義的氣隙。

圖5：在 Allegro 60X 參考目標(biāo)前的 ATS699LSN。

圖6 是目標(biāo)在傳感器前面經(jīng)過(guò)一個(gè)半周期時(shí)的一個(gè)通道的歸一化輸出。該圖顯示差分場(chǎng)波形幾乎不依賴于相對(duì)磁導(dǎo)率?？梢杂^察到，對(duì)于 3° 左右的位置，當(dāng) μr= 10 時(shí)，波形之間只有（?。┎顒e。0° 附近的位置具有類似的表現(xiàn)，而與相對(duì)磁導(dǎo)率無(wú)關(guān)，這是因?yàn)檫@些位置對(duì)應(yīng)目標(biāo)的谷。
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圖6：不同相對(duì)磁導(dǎo)率的差分傳感器輸出與目標(biāo)位置關(guān)系。

圖7和圖8分別給出了在 1 mm和 2 mm 氣隙條件下，通道的峰-峰差分磁場(chǎng)與相對(duì)磁導(dǎo)率的關(guān)系。這些數(shù)字證實(shí)了前文所述：要確保最優(yōu)性能，目標(biāo)材料相對(duì)磁導(dǎo)率至少應(yīng)為300。進(jìn)一步提高相對(duì)磁導(dǎo)率對(duì)傳感器測(cè)量磁信號(hào)的影響不大。

如果鐵磁性目標(biāo)材料的相對(duì)磁導(dǎo)率小于 300，則不意味著背向偏置裝置不起作用。與具有大磁導(dǎo)率的目標(biāo)相比，該材料只能降低性能使用。例如，應(yīng)用的最大工作氣隙可能減少。

結(jié)論

對(duì)于“我的目標(biāo)材料是否適合背磁應(yīng)用嗎？”等此類的問(wèn)題，本文給出了簡(jiǎn)單的回答。但為了獲得最優(yōu)性能，目標(biāo)材料的相對(duì)導(dǎo)磁率至少為300（H 場(chǎng) < 2000 A/m）。然而，這是一個(gè)必要但不充分的條件，目標(biāo)具有適當(dāng)?shù)奈锢碓O(shè)計(jì)也是獲得應(yīng)用所需性能的必須要求。Allegro 工程師可以幫助評(píng)估目標(biāo)材料是否適合于背磁應(yīng)用，如果材料的相對(duì)磁導(dǎo)率較低，Allegro 還可以提供技術(shù)支持來(lái)估計(jì)對(duì)應(yīng)用性能的影響。

編輯：hfy