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機械幾何參數。在速度測量等應用情況下，齒輪的幾何形狀至關重要，但這些機械特性不是本文討論的主題。在這里，我們假設目標是針對客戶應用而設計，本文的側重點是目標鐵磁材料屬性，特別是磁導率。我們將討論如何確定目標材料的最小相對磁導率，以保證應用具備最優的傳感器性能。這些討論適用于任何與鐵磁目標相關的背偏置傳感器的應用，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（如永磁體、線圈中的電流、地磁場等），如果其易于磁化，則此材料具有鐵磁性。在鐵磁材料中，材料磁化與產生的內部磁場一致。與永磁體不同，如果不施加外部磁場，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化方法。

圖 1：鐵磁材料的簡化磁特性。

磁導率與形狀因子

鐵磁材料的磁化由兩個主要參數推動：磁導率和物體的形狀（形狀因子）。以下通過簡單示例顯示這兩個參數如何影響磁化。如果是橢球體，無論對物體施加什么樣的均勻外部磁場，材料內部的磁化都會均勻。注意，該橢球體可被視為大致近似速度目標齒。圖2 顯示沿 x 置于均勻磁場 Ho 的橢圓體和均勻的磁化強度 J。

圖2：均勻外部磁場的橢圓體。

在這種情況下，假設沒有材料磁飽和，磁化強度由下式給出：

在該等式中，Nx 是沿著 x 的橢球的形狀因子。該參數取決于橢圓形狀，并始終小于 1。沿 x 方向伸長的對象具有小 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磁導率的關系。很明顯，沿外磁場方向伸長的物體更容易磁化。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) 忽略不計時，肯定會出現這種情況。

圖 4 是相同的曲線圖，但采用歸一化極化，以更好地顯是磁導率水平。無論物體形狀如何，一旦相對磁導率大于 300，至少能達到最大磁化強度的 95％。此數字將在下面的真實應用中確認。

現在我們以ATS699LSN 速度傳感器為例來加以說明。考慮典型的速度應用，并使用置于 Allegro 60X 參考目標前面的 ATS699LSN 變速箱部件（圖5）。ATS699LSN 是具有三個霍爾效應板的差分部件（左、中和右）以及兩個差分通道（左中和右中）。以下僅考慮一個通道的輸出。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 參考目標前的 ATS699LSN。

圖6 是目標在傳感器前面經過一個半周期時的一個通道的歸一化輸出。該圖顯示差分場波形幾乎不依賴于相對磁導率。可以觀察到，對于 3° 左右的位置，當 μr= 10 時，波形之間只有（小）差別。0° 附近的位置具有類似的表現，而與相對磁導率無關，這是因為這些位置對應目標的谷。
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圖6：不同相對磁導率的差分傳感器輸出與目標位置關系。

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-峰差分磁場與相對磁導率的關系。這些數字證實了前文所述：要確保最優性能，目標材料相對磁導率至少應為300。進一步提高相對磁導率對傳感器測量磁信號的影響不大。

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

結論

對于“我的目標材料是否適合背磁應用嗎？”等此類的問題，本文給出了簡單的回答。但為了獲得最優性能，目標材料的相對導磁率至少為300（H 場 < 2000 A/m）。然而，這是一個必要但不充分的條件，目標具有適當的物理設計也是獲得應用所需性能的必須要求。Allegro 工程師可以幫助評估目標材料是否適合于背磁應用，如果材料的相對磁導率較低，Allegro 還可以提供技術支持來估計對應用性能的影響。

編輯：hfy