如何确定目标材料相对磁导率，保障传感器性能

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

前言

传感器性能很大程度上取决于目标机械几何参数。在速度测量等应用情况下，齿轮的几何形状至关重要，但这些机械特性不是本文讨论的主题。在这里，我们假设目标是针对客户应用而设计，本文的侧重点是目标铁磁材料属性，特别是磁导率。我们将讨论如何确定目标材料的最小相对磁导率，以保证应用具备最优的传感器性能。这些讨论适用于任何与铁磁目标相关的背偏置传感器的应用，包括速度传感器（凸轮、曲轴、变速器等）、位置传感器（如线性、角度）等。

铁磁材料性能

将材料置于外部磁场（如永磁体、线圈中的电流、地磁场等），如果其易于磁化，则此材料具有铁磁性。在铁磁材料中，材料磁化与产生的内部磁场一致。与永磁体不同，如果不施加外部磁场，则铁磁体材料的剩余磁性非常小。图 1 所示为描述上述特性的简化方法。

图 1：铁磁材料的简化磁特性。

磁导率与形状因子

铁磁材料的磁化由两个主要参数推动：磁导率和物体的形状（形状因子）。以下通过简单示例显示这两个参数如何影响磁化。如果是椭球体，无论对物体施加什么样的均匀外部磁场，材料内部的磁化都会均匀。注意，该椭球体可被视为大致近似速度目标齿。图2 显示沿 x 置于均匀磁场 Ho 的椭圆体和均匀的磁化强度 J。

图2：均匀外部磁场的椭圆体。

在这种情况下，假设没有材料磁饱和，磁化强度由下式给出：

在该等式中，Nx 是沿着 x 的椭球的形状因子。该参数取决于椭圆形状，并始终小于 1。沿 x 方向伸长的对象具有小 Nx（例如 Nx = 0.1）。具体情况是具有 Nx = 1/3 的球体。图3显示了一些形状因子的物体极化与相对磁导率的关系。很明显，沿外磁场方向伸长的物体更容易磁化。更有趣的是，可以注意到，在超出给定磁导率的水平上，物体极化仅取决于物体的形状。与形状因子 Nx 相比，1 / (μr – 1) 忽略不计时，肯定会出现这种情况。

图 4 是相同的曲线图，但采用归一化极化，以更好地显是磁导率水平。无论物体形状如何，一旦相对磁导率大于 300，至少能达到最大磁化强度的 95％。此数字将在下面的真实应用中确认。

现在我们以ATS699LSN 速度传感器为例来加以说明。考虑典型的速度应用，并使用置于 Allegro 60X 参考目标前面的 ATS699LSN 变速箱部件（图5）。ATS699LSN 是具有三个霍尔效应板的差分部件（左、中和右）以及两个差分通道（左中和右中）。以下仅考虑一个通道的输出。此部件的典型工作气隙是1mm和2mm，即由传感器印记面和轮齿顶部之间距离定义的气隙。

图5：在 Allegro 60X 参考目标前的 ATS699LSN。

图6 是目标在传感器前面经过一个半周期时的一个通道的归一化输出。该图显示差分场波形几乎不依赖于相对磁导率。可以观察到，对于 3° 左右的位置，当 μr= 10 时，波形之间只有（小）差别。0° 附近的位置具有类似的表现，而与相对磁导率无关，这是因为这些位置对应目标的谷。
 

图6：不同相对磁导率的差分传感器输出与目标位置关系。

图7和图8分别给出了在 1 mm和 2 mm 气隙条件下，通道的峰-峰差分磁场与相对磁导率的关系。这些数字证实了前文所述：要确保最优性能，目标材料相对磁导率至少应为300。进一步提高相对磁导率对传感器测量磁信号的影响不大。

如果铁磁性目标材料的相对磁导率小于 300，则不意味着背向偏置装置不起作用。与具有大磁导率的目标相比，该材料只能降低性能使用。例如，应用的最大工作气隙可能减少。

结论

对于“我的目标材料是否适合背磁应用吗？”等此类的问题，本文给出了简单的回答。但为了获得最优性能，目标材料的相对导磁率至少为300（H 场 < 2000 A/m）。然而，这是一个必要但不充分的条件，目标具有适当的物理设计也是获得应用所需性能的必须要求。Allegro 工程师可以帮助评估目标材料是否适合于背磁应用，如果材料的相对磁导率较低，Allegro 还可以提供技术支持来估计对应用性能的影响。

编辑：hfy