ZHCACN7A july 2022 – may 2023 TMAG5170 , TMAG5170-Q1 , TMAG5170D-Q1 , TMAG5173-Q1 , TMAG5273
2 磁体选择
磁体参数的影响
为线性动子选择磁体时，应考虑温度、磁性材料、磁体等级、磁体几何形状和一般机械限制。这些系统变量都会影响系统的整体功能和可靠性。
作为一项示例研究，模拟了在空气间隙递增时，具有 850mT 剩余磁化强度 (Br) 的轴向磁化圆柱体磁体在传感器上方移动。
图 2-1 滑动线性磁性位置感应磁体的外径为 16mm，厚度为 6mm。每条水平线代表可观察到的磁通密度的垂直分量 (Bz) 的幅度。绘制在一起，生成了一个 3D 热图，其中展示了该磁场分量在磁体下方区域的变化情况。在本例中，水平位移在 –40mm 至 +40mm 范围内扫描，传感器和磁体之间的垂直空气间隙范围为 2mm 至 15mm。
图 2-2 B 场
Z 分量与线性位置间的关系对于 TMAG5170，该器件提供两种型号，每个型号都具有三种用户可编程输入范围，介于 ±25mT 至 ±300mT 之间。任何高于最大范围的输入都没有用。或者，TMAG5170D-Q1 是 TMAG5170 的双芯片版本，可在系统需要冗余时使用。
仔细观察这些结果，当传感器元件和磁体之间的空气间隙距离非常小时，随着曲线开始变平，钟形输入曲线的峰值附近会出现失真。在非常接近的范围内，不良的峰值是由磁体集中于磁场的锐角效应引起的。
为了进行比较，请考虑磁体几何形状的变化如何影响整体功能。例如，如果磁体的外径为 8mm，而所有其他参数相同，您会注意到行为上的几个不同变化。
图 2-3 减小磁体直径后的线性位置扫描一个值得注意的变化是，输入范围的有用宽度显著减小。校准方法一节介绍了最大感应范围通常至少是磁体直径的 2 倍。
此外，当使用较窄的磁体时，在非常靠近时观察到的锐角效应会显著降低。当空气间隙范围增大时，峰值振幅会快速下降。直观地说，较小磁体的感应范围不如原磁体的感应范围大。降低信噪比 (SNR) 会增加任何测量中的不确定性，这使得事情变得更复杂。因此，应使目标输入值接近所选传感器的满量程输入范围。
假设更大的直径更适合增大的感应范围，则有关磁体厚度影响的另一项研究可提供更多信息。接下来，考虑将厚度从 6mm 增加到 12mm 的影响。
图 2-4 磁体厚度增加后的线性位置扫描与减小磁体直径类似，增加厚度也会降低锐角效应，尽管在非常靠近的位置仍会出现可见的失真。我们可以据此推断厚度与直径之比会影响此运动可实现的最接近感应范围。毫无疑问，当使用质量较大的磁体时，B 场峰值幅度也会增加。
除了考虑磁体尺寸外，磁体的材料和等级也会影响磁场强度和构建系统的成本。例如，磁性材料会随着温度的升高而减弱。表 2-1 展示了此行为的典型值。
| 材质 | 温漂 (C) |
|---|---|
| NdFeB | -0.12%/C |
| SmCo | -0.04%/C |
| AlNiCo | -0.02%/C |
| 铁氧体 | -0.2%/C |
如果工作环境中的温度变化较大，请考虑选择钐钴 (SmCo) 磁体来降低温漂的影响。
考虑传感器的近似工作空气间隙范围。传感器观察到的磁通量密度与距离的平方成反比。也就是说，随着距离的增大，预计场强度会出现指数衰减。
图 2-5 各种磁性材料的磁通量密度与空气间隙范围间的关系对于任何磁性材料，通常有几个不同等级的磁体，通常以材料的 Br 进行区分。无论磁体的大小如何，该值都是针对任何特定材料定义的。随着 Br 的减小，任何特定形状磁体的 B 场都会减弱。钕型磁体（如 N35 和 N52）往往是市面上磁力很强的商用磁体，而 FRM-12 等价格低廉的铁氧体材料往往磁力较弱。
校准方法
对于所选的任何特定磁体，可以通过使用霍尔效应传感器输出的反正切推导机械角来计算磁体的位置。
例如，图 2-6 产生的具有 850mT 剩余磁化强度的输入磁场如下图所示。
图 2-6 垂直空气间隙为 10mm 时的磁体 (10mm ⌀ × 4mm)可以直接将使用这些输入的角度计算与实际机械角度进行比较。
图 2-7 机械角度与计算出的反正切间的关系请注意，形式相似，但在形状和程度上有所失真。可以使用以下形式来校正此失真：
在方程式 1 中，需要四个具体的校正因数来获得线性度。α 指定应用于 Z 轴输入的振幅校正，β 指定必须应用于 Z 轴输入的固定偏移。γ 是针对磁角的标量校正，而 φ 是 Y 轴输入的标量因子，用于校正最终结果中的一些非线性。
在本例中，为每个因素设置以下凭经验推导出的值会产生最终位置精度，如图 2-8 所示。
| α = 0.791；β = 16.3；γ = 0.4104；φ = 0.448 |
为了获得相似的精度，在下图中采用了同样的方法。在每种情况下，在约为磁体直径 2 倍的区域内，位置误差都最小。
| α = 0.833；β = 4.85；γ = 0.397；φ = 1.07 |
| α = 0.739；β = 24.12；γ = 0.4215；φ = 0.4617 |
每次校准的质量随所应用的校正因数的精确性而异。对于直径最大的磁体，感应范围内的峰值误差约为 10um。
类似地，对于较小（也是最弱）的磁体，电势感应范围与磁体直径之比最大。
同样，可以改变空气间隙距离来演示对传感器的预期感应范围的影响。考虑根据空气间隙为 5mm 和 20mm 时的 14mm ⌀ x 4mm 磁体生成的以下图表。
| α = 0.79；β = 58.9；γ = 0.297；φ = 0.049 |
| α = 0.775；β = 4.95；γ = 0.436；φ = 1.54 |
在这两种情况下，磁体的最大感应距离都有所减小。在空气间隙为 5mm 时，输入磁场受到失真的限制。在空气间隙为 20mm 时，感应范围受磁场强度的限制。因此，设计目标是确保强磁场既不会使传感器的输入饱和，也不会因磁体的近距离而失真。
在某些情况下，使用条形磁体有利于轻松组装。这种校准方法不限于圆柱形磁体。与之前的情况类似，对穿过传感器的方形表面磁体实施相同的校准方法可以实现出色的线性度（请参见图 2-13）。
| α = 0.75；β = 53.7；γ = 0.3815；φ = 0.089 |