对旋转编码器磁铁进行无噪声磁场检测

撰稿人：Koen Vervaeke 博士

我们报告了一种测量旋转编码器传感器磁铁无噪声磁场分布的方法，该方法基于 Magcam 成熟的三轴磁场相机技术。该方法涉及在磁体上方近距离测量二维平面上的三轴磁场分布，并使用获得专利的 "距离滤波 "算法将该磁场分布推断到三维空间，从而在较大距离上获得几乎无噪声的数据。这种强大的方法可以评估磁场分布和磁体的固有角度误差，其分辨率优于原始测量平面的测量分辨率。

本文介绍了一种对两极旋转编码器磁铁进行磁性表征的方法，这种磁铁广泛应用于电机和旋转定位系统等的角度编码器中。该方法采用专有的 "距离滤波 "算法，可将在磁体或磁体组件上方一定（近）距离处记录的磁场分布快速推断到另一个（较大）距离，并能有效抑制测量噪声。这使得测量速度非常快，同时精度也很高，从而使该方法适用于生产质量控制。

距离滤波算法与Magcam 的磁场摄像系统结合使用。当推断方向远离磁体时，噪声会被强烈抑制，从而获得 µTesla 的磁场分辨率。这使得距离滤波算法在确定远离磁体的磁场分布时非常强大，因为在较远距离直接测量信噪比较低。

要使用距离滤波器获得准确的结果，记录的磁场分布必须包含所测磁体或磁体组件的全部磁场，这意味着在所测磁场图像的所有边缘，磁场应向图像边缘外单调递减为零。在实践中，这意味着应测量足够大的区域，包括磁体周围的额外空间。

MagScope-Distance-Filter-Distribution — 图 1.Z0 = 0.3 毫米处测量到的 Bz 磁场分布和沿 X 方向的横截面（左），以及 Z1 = 2 毫米处的距离滤波结果（右）。

Consider a cylindrical axially magnetized 2-pole rotary encoder magnet, with the cylindrical symmetry axis pointing in the Z direction. The original measurement is in the XY plane at a certain height Z0 above the magnet surface. The magnetic field distribution at a different height Z1 is obtained by the Distance Filter method by supplying one single input parameter Delta, namely the distance between the original measurement plane and the desired plane: Delta = Z1 - Z0. When Delta > 0 the extrapolation takes place in the direction away from the magnet. When Delta < 0, the extrapolation is in the direction towards the sample. When Delta = 0 the original data is retained.

图 1 显示了在 Z0 = 0.3 毫米处测得的 Bz 磁场分布和沿 X 方向的横截面（左），以及在 Z1 = 2 毫米处的距离滤波结果（右）。因此，Delta 值为Delta = 2mm - 0.3mm = 1.7mm。

在典型的终端应用中，Bx,By 传感器位于旋转编码器磁体的对称轴上，与磁体表面有一定距离，通常为几毫米。在此距离上，Bxy 磁场通常为 50mT 左右。然后，Bx,By 传感器测量 Bx 和 By，并利用 atan2（By,Bx）计算出磁场的平面内角度。由于磁场分布的不均匀性，测得的角度值存在一定误差。在对此类磁体进行质量控制时，需要高精度地确定这一角度误差，通常误差在 0.1° 或更高。如下图所示，通过将磁场照相机与距离滤波器结合使用，可以以更优越的方式实现这一目标。

在上述应用中，如果直接在 Bx,By 传感器的工作距离处测量磁场分布，其信噪比会比非常靠近磁体（通常为 0.3-0.5 毫米）的测量结果差。距离滤波器可以 "保持 "从近距离到远距离的信噪比，从而获得几乎无噪声的磁场分布。

使用微型立方体三维磁场相机测量的 2 极轴向磁化圆柱磁体 — 图 2. 使用 MiniCube 3D 磁场相机测量的 2 极轴向磁化圆筒磁体

使用 MagcamMiniCube 3D 磁场相机在磁体表面上方近距离测量3D 磁场分布（见图 2）。

如上所述，与此应用相关的磁场分量是磁体中心区域的面内磁场（Bxy）和面内磁场方向（方位角）。这些成分的分析方法如下。

图 3.Z = 0.3 毫米（左）和 Z = 2 毫米（右）时磁体中间圆形截面的 Bxy（面内）磁场分布。在一维图中，会自动检测到最小值和最大值。

从磁场的 Bx 和 By 分量中很容易得到 Bxy 分量（图 3）。以磁体中心为圆心，以一定的半径（本例中为 0.25 毫米）内插一个圆，该半径通常由最终应用中 Bx、By 传感器所在的公差区域决定。在得到的线图中，可以自动检测到最大值和最小值，这可以直接用于通过/未通过测试，检查它们是否在公差窗口内。