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類型分類：: 科普知識

數據分類：: 磁性傳感器

為什么選擇磁性傳感器

發布日期：2022-10-09 點擊率：77

　　本文說明為何使用磁性傳感器以及它們能解決什么樣的問題。概述了磁性傳感器的應用環境和所使用的磁性傳感器。本篇描述了三個典型測量的磁場范圍遠大于地球(磁場相似于地球磁場和遠小于地球磁場以及每個磁場范圍最適用的傳感器型號討)。論線圈磁通量閘門、霍爾效應傳感器、磁阻和巨磁阻磁性傳感器的工作原理、介紹磁性傳感器的優缺點以及已認證的產品應用。

　　作者和: TAMARA BRATLAND ROBERT BICKING BHARAT B. PANT

　　磁性傳感器為電流傳感、接近傳感、線性速率或轉動速率傳感，定向磁異態檢測，角度、位置或位移測量等許多傳感方面的問題提供了獨特的解決方案。了解磁性傳感器技術背后的概念和它們最合適的應用將有助于幫您決定選擇的磁性傳感器是否對您的應用有利。

　　磁性傳感器用于檢測磁場的存在，測量磁場的大小，確定磁場的方向或測定磁場的大小或方向是否有改變。磁性傳感器可用于檢測靜止的或如汽車、卡車或火車等運動的鐵磁物體；門或閂鎖的關閉，如飛機貨艙門：一個物體的位置，如鍵盤上的按鍵；如發動機中軸的旋轉運動；一個物體的部位如閥軸或機械手；或者用于跟蹤虛擬現實和運動控制等應用?！　?

　　磁場測量可分為三個范圍。在每個范圍中，能在其環境中處于最佳工作狀態的磁性傳感器型號也不同。第一個磁場范圍遠大于地球磁場(如在永久磁鐵或大電流附近)。其范圍為 100 奧斯特(Oe) 或更高。第二個磁場范圍約等于地球磁場或0.6 Oe 。第三個磁場范圍遠遠小于地球磁場，它們在 1 mOe 或更低范圍內。地球磁場常用作受鐵磁物體干擾的背景磁場，如在磁異態檢測中的鐵磁物體。表 1 給出了用于不同磁場范圍的傳感器型號 ?！　?br>
　　　　　　　　　　　　　　　

　　何時使用磁性傳感器?   　　

　　極少的應用場合只需要一個磁場測量，更確切地說是將現有的或已建立的磁場用于感測其它信息。以下是幾個實例: (1)電流傳感，此處將載流線產生的磁場用于監控電路中的過負荷狀態或蓄電池的狀態；(2)定向，將地球磁場的兩個水平分量用來計算相對于磁北的角度；(3)磁異態檢測，此處將由鐵磁物體產生的對地球磁場的干擾(如一個鐵釘、金屬螺栓、汽車、潛艇或地磁巖石)用來檢測這些物體是否存在。一旦表現出有相同的干擾也能用來識別該物體的類型(如汽車實體或模型) 。

　　另一個例子是齒輪齒傳感(圖1)，此處傳感器與一塊磁鐵和齒輪齒的組合一起使用。齒輪齒或凹槽對磁鐵產生的磁場有不同的干擾，就可將齒輪齒與凹槽辨認開來。這個數據可用于測量齒輪的轉速?！　?br>
　　　　　　　　　　　　　　

　　磁性傳感器，通常稱為磁力計，有不同的物理原理和設計結構。下面我們將討論各種磁性傳感器中使用的不同技術。

　　線圈　　

　　線圈是最老式的磁性傳感器之一。根據法拉弟定律，通過線圈的磁通量有任何變化都將導致線圈產生電動勢，在時變磁場區中放置一個耦合線圈就可工作。通過改變磁場就能測量線圈中感應的電壓。當穿過導電回路的磁通量有量的變化，這個回路中就會產生電壓。感應的電壓=磁通量變化/時間變化　　

　　線圈型傳感器用于需測量變動場變化的應用場合。對這種原理有許線圈的一個常見多不同的實施方法。的應用是用來觸發紅綠燈信號的埋在道路中的電路回路。系統執行時線圈通常大而成本高。

　　磁通門

　　磁通門(圖 2)，同樣基于法拉第定律，通常是用兩個鐵磁材料制成的桿，但也可以是用一次或二次繞組繞成的環或圈。這兩個桿用一次繞組纏繞，以相反方向產生驅動磁場。頻率在驅f 的交流電在一次繞組中流動動，在磁場的作用下兩個桿的磁化作用處于相反方面。二次繞組測量。在未施加外部磁場時，假定兩個桿和一次線圈是相同的，則在二次線圈里的凈磁通量為零。這樣在此線圈中就不會有信號產生。當沿著桿的軸線方向施加一個外部磁場時，其中的一個桿將先于另一個桿磁性飽和。磁通門的輸出是驅動頻率f的第二諧波。施加一個小磁場時，第二諧波的波幅與施加的磁場成正比。　　

　　　　　　　　　　　　　　　

　　磁通門可以在制造工藝上使其非常敏感，分辨率最低為 1 Oe?？梢詼y量直流或交流磁場。頻率的上限約為10 kHz與霍爾和磁阻傳感器相比，它們的尺寸規格較大，價格也更貴。

　　霍爾效應傳感器

　　霍爾效應傳感器用于測

　　10 Oe至幾千Oe的磁場強度，對于強磁場的測量最為理想。在存在磁場的情況下，霍爾效應發生在載電流的金屬或半導體中。最常用的霍爾效應傳感器是硅型霍中爾傳感器，其中信號調節電子器件被集成在芯片上。

　　圖 3 中所示為導電材料的矩形薄板，沿Y軸施加了一個電壓VS，在板的霍垂直方向施加了一個磁場 B(沿 Z 軸)，霍爾電壓VH由下式求得VH= uH(W/L)BVs 其中uH是霍爾遷移，W是霍爾板的寬度，L 是長度。　　由于洛侖茲力作用在用導電材料制成的電荷載體上而產生的霍爾效應等于：F=q(vB) 其中 q 是電荷載體上的電荷，v 是電荷載體的速度，B 是磁場，力使電流變形，并將其擠向導電板的一側。這造成 X 軸上的等勢線變，形導致產生霍爾電壓。如果霍爾板的長度遠大于寬度，則霍爾電磁場與洛侖茲力相平衡。電流變成與 Y軸平行。最實用的半導體霍爾元件一般來說是正方形。此時電流相對于勵磁電壓有一個角度。

　　　　　　　　　　　　　　

　　硅片中霍爾效應的靈敏度約為7 V/V/Oe。由于硅是壓敏電阻材料所以通過硅的封裝而施加在霍爾元件上的應力會導致在機械和溫度效應共同作用下的零位偏移誤差。硅片中霍爾效應在百分之幾到幾千Oe 的范圍內是呈線性，的可檢測的最小磁場為 1Oe 的數量級?！　?br>
　　霍爾裝置的應用包括齒輪傳感、旋轉位置傳感器和電流傳感器。電流傳感器如圖 4 所示。在汽車業中使用的新型火花點火發動機有一個直接點火系統系統，內每個汽缸或每對汽缸都使用一個點火線圈，去除了分布器。內含有一個永久偏磁和一個霍爾效應傳感器的齒輪傳感器對曲軸和凸輪軸進行計時。使用兩個廉價的鐵質磁極片可制成一個旋轉位置傳感器，將磁性信號從旋轉的磁棒送至霍爾傳感器。帶有凹槽的環形磁芯霍爾 IC 位于這個凹槽內，可用來制成一個電流傳感器。也可制成線性和數字輸出傳感器，其工作范圍為 10A 至 1000A?；魻栄b置的其它應用包括鍵盤開關、磁強計和位置傳感器。　

　　　　　　　　　　　　　　

　　磁阻傳感器

　　各向異性磁阻(AMR)發生在鐵質材料中。如圖 5 所示，當施加的磁場垂直料中于用鐵質材料制成的薄板中的電流時，它本身的電阻明顯有變化。磁阻傳感器傳感沿著空間一個方向的磁場，在此模式范疇內，它們屬于霍爾效應傳感器和SQUID(超導量子干涉裝置之間的傳感器)。 SQUID 可測量小于 1 μOe 幾個數量級的磁場。磁阻傳感器通常用于測量μOe 到 10Oe 的磁場。
　　　　　　　　　　　　　

　　惠斯頓電橋是磁阻傳感器的基礎電氣元件。圖5說明了磁阻傳感器的工作原理和一個MR板對外部磁場的典型響應。圖6所示為用四個磁控電阻器制成的惠斯頓電橋帶有一個供電電壓Vb，致使電流通過電阻器。如圖所示，施加一個偏磁場，使在所有電阻中的磁化強度和電流間有一個約45°的夾角。如果電阻器是同一種結構，則所有四個電阻器的電阻是相同的，正交施加磁場h的R.A，使兩個反向放置的電阻器磁化而轉向電流，使電阻有一個增量△R，在剩下的兩個反向放置的電阻器中，由于磁化而轉離電流，導致電阻減少△R 。

　　　　　　　　　　　　　　
　　電橋輸出為 △Vout=( △R/R)Vb。作為施加磁場函數的電橋輸出 △Vout被稱為傳感器的傳遞函數。在線性區內，輸出與施加的磁場成正比( △V=S h Vb)靈敏度S和傳遞函數的線性范圍對于傳感器來說是兩個重要特征。傳遞函數的線性范圍與靈敏度成反比。

　　磁阻傳感器是由一長條鐵磁薄膜(如透磁合金、鎳鐵合金)制成的。用標準半導體技術將這些薄膜熔制在硅片上。板的厚度有幾百埃(150-500)，寬度為幾十微米(10-50)，長度從幾百至幾千微米。

　　MR 傳感器有下列屬性，使它們在眾多應用中都可選用：尺寸小。1.高靈敏度，使傳感器可距被測鐵磁物體一段較長的距離。2.由于內阻抗小，使其對電磁噪聲和干擾不敏感。3.由于是固態溶液，無轉動部件，使它具有高度可靠性?！　?.由于部件能方便地裝入在插板產品中，而使實施成本降低。

　　MR 傳感器(圖 7)，為異態檢測提供高靈敏度和獨特的解決方案，可根據物體的磁性信號的特征支持對物體的識別。這些特性可應用于檢測如武器等的安全系統中，或用于在收費公路上對車輛進行檢測。它特別適用于貨幣鑒別，跟蹤系統，如在虛擬現實設備中，和固態電子定向羅盤中。與磁鐵組合也可用于齒輪傳感。MR 傳感器可傳感芯片平面內沿一個方向的磁場。這使其可與能傳感沿芯片平面法向磁場的霍爾效應裝置區別開來。這可使應用設計者以霍爾效應傳感器無法使用的幾何構型使用 MR 傳感器，例如當需要一個薄型傳感器時。需用一個或幾個MR傳感器的其它應用，包括機械手的位置和虛擬現實產品中盔的位置和定向。許多應用既可使用霍爾效應傳感器也可使用MR傳感器，但在需要低靈敏度，而較寬的線性范圍時，應使用霍爾效應傳感器；在要求高靈敏度時，則使用 MR 傳感器。

　　　　　　　　　　　　　
　　巨磁阻效應

　　巨磁阻效應(GMR)是最近才發現的現象，它基于電子通過數層疊層中，非常薄的鐵磁層和非磁性層(25-50 埃)之間的界面散射，這是由于磁阻效應與上述 AMR效應相比顯得大而如此命名。當兩個相鄰的鐵磁層有反向磁化強度時，電阻要高于它們在同一方向上的磁化強度矢量。

　　GMR是由法國的 M. N. Baibich 等人在1988年發現的，已成為重大研究課程。通過新興的 GMR 技術我們有希望制造出高靈敏度的小型傳感器。迄今為止GMR 效應需要工作在高強度的磁場并伴有高分貝噪聲，這使得它不能應用于大范圍的傳感器產品中。電阻變化所需的磁場變化需從10 Oe到幾千Oe，而靈敏度尚未達到 MR 或磁通門裝置的靈敏度。但正繼續朝著開發更低磁場的方向發展。

　　參考文獻

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