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(yīng)用環(huán)境和所使用的磁性傳感器。本篇描述了三個(gè)典型測量的磁場范圍遠(yuǎn)大于地球(磁場相似于地球磁場和遠(yuǎn)小于地球磁場以及每個(gè)磁場范圍最適用的傳感器型號(hào)討)。論線圈磁通量閘門、霍爾效應(yīng)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(yōu)缺點(diǎn)以及已認(rèn)證的產(chǎn)品應(yīng)用。
磁性傳感器為電流傳感、接近傳感、線性速率或轉(zhuǎn)動(dòng)速率傳感，定向磁異態(tài)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(dú)特的解決方案。了解磁性傳感器技術(shù)背后的概念和它們最合適的應(yīng)用將有助于幫您決定選擇的磁性傳感器是否對(duì)您的應(yīng)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(yùn)動(dòng)的鐵磁物體；門或閂鎖的關(guān)閉，如飛機(jī)貨艙門：一個(gè)物體的位置，如鍵盤上的按鍵；如發(fā)動(dòng)機(jī)中軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；一個(gè)物體的部位如閥軸或機(jī)械手；或者用于跟蹤虛擬現(xiàn)實(shí)和運(yùn)動(dòng)控制等應(yīng)用。
磁場測量可分為三個(gè)范圍。在每個(gè)范圍中，能在其環(huán)境中處于最佳工作狀態(tài)的
磁性傳感器型號(hào)也不同。第一個(gè)磁場范圍遠(yuǎn)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(gè)磁場范圍約等于地球磁場或0.6 Oe 。第三個(gè)磁場范圍遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于地球磁場，它們?cè)?1 mOe 或更低范圍內(nèi)。地球磁場常用作受鐵磁物體干擾的背景磁場，如在磁異態(tài)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(hào)。
何時(shí)使用磁性傳感器?
極少的應(yīng)用場合只需要一個(gè)磁場測量，更確切地說是將現(xiàn)有的或已建立的磁場用于感測其它信息。以下是幾個(gè)實(shí)例: (1)電流傳感，此處將載流線產(chǎn)生的磁場用于監(jiān)控電路中的過負(fù)荷狀態(tài)或蓄電池的狀態(tài)；(2)定向，將地球磁場的兩個(gè)水平分量用來計(jì)算相對(duì)于磁北的角度；(3)磁異態(tài)檢測，此處將由鐵磁物體產(chǎn)生的對(duì)地球磁場的干擾(如一個(gè)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(xiàn)出有相同的干擾也能用來識(shí)別該物體的類型(如汽車實(shí)體或模型) 。
另一個(gè)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(duì)磁鐵產(chǎn)生的磁場有不同的干擾，就可將齒輪齒與凹槽辨認(rèn)開來。這個(gè)數(shù)據(jù)可用于測量齒輪的轉(zhuǎn)速。
圖 1. 霍尼韋爾齒輪傳感器，裝有一個(gè)磁性霍爾效應(yīng)傳感器
磁性傳感器，通常稱為磁力計(jì)，有不同的物理原理和設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)。下面我們將討論各種磁性傳感器中使用的不同技術(shù)。
線圈
線圈是最老式的磁性傳感器之一。根據(jù)法拉弟定律，通過線圈的磁通量有任何變化都將導(dǎo)致線圈產(chǎn)生電動(dòng)勢，在時(shí)變磁場區(qū)中放置一個(gè)耦合線圈就可工作。通過改變磁場就能測量線圈中感應(yīng)的電壓。當(dāng)穿過導(dǎo)電回路的磁通量有量的變化，這個(gè)回路中就會(huì)產(chǎn)生電壓。感應(yīng)的電壓=磁通量變化/時(shí)間變化
線圈型傳感器用于需測量變動(dòng)場變化的應(yīng)用場合。對(duì)這種原理有許線圈的一個(gè)常見多不同的實(shí)施方法。的應(yīng)用是用來觸發(fā)紅綠燈信號(hào)的埋在道路中的電路回路。系統(tǒng)執(zhí)行時(shí)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(gè)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(huán)或圈。這兩個(gè)桿用一次繞組纏繞，以相反方向產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)磁場。頻率在驅(qū)f 的交流電在一次繞組中流動(dòng)動(dòng)，在磁場的作用下兩個(gè)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(shí)，假定兩個(gè)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(huì)有信號(hào)產(chǎn)生。當(dāng)沿著桿的軸線方向施加一個(gè)外部磁場時(shí)，其中的一個(gè)桿將先于另一個(gè)桿磁性飽和。磁通門的輸出是驅(qū)動(dòng)頻率f的第二諧波。施加一個(gè)小磁場時(shí)，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。可以測量直流或交流磁場。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(guī)格較大，價(jià)格也更貴。
霍爾效應(yīng)傳感器
霍爾效應(yīng)傳感器用于測
10 Oe至幾千Oe的磁場強(qiáng)度，對(duì)于強(qiáng)磁場的測量最為理想 。在存在磁場的情況下，霍爾效應(yīng)發(fā)生在載電流的金屬或半導(dǎo)體中。最常用的霍爾效應(yīng)傳感器是硅型霍中爾傳感器，其中信號(hào)調(diào)節(jié)電子器件被集成在芯片上。
圖 3 中所示為導(dǎo)電材料的矩形薄板，沿Y軸施加了一個(gè)電壓VS，在板的霍垂直方向施加了一個(gè)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(dǎo)電材料制成的電荷載體上而產(chǎn)生的霍爾效應(yīng)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?qū)щ姲宓囊粋?cè)。這造成 X 軸上的等勢線變，形導(dǎo)致產(chǎn)生霍爾電壓。如果霍爾板的長度遠(yuǎn)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(shí)用的半導(dǎo)體霍爾元件一般來說是正方形。此時(shí)電流相對(duì)于勵(lì)磁電壓有一個(gè)角度。
硅片中霍爾效應(yīng)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(yīng)力會(huì)導(dǎo)致在機(jī)械和溫度效應(yīng)共同作用下的零位偏移誤差。硅片中霍爾效應(yīng)在百分之幾到幾千Oe 的范圍內(nèi)是呈線性，的可檢測的最小磁場為 1Oe 的數(shù)量級(jí)。
霍爾裝置的應(yīng)用包括齒輪傳感、旋轉(zhuǎn)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(yè)中使用的新型火花點(diǎn)火發(fā)動(dòng)機(jī)有一個(gè)直接點(diǎn)火系統(tǒng)系統(tǒng)，內(nèi)每個(gè)汽缸或每對(duì)汽缸都使用一個(gè)點(diǎn)火線圈，去除了分布器。內(nèi)含有一個(gè)永久偏磁和一個(gè)霍爾效應(yīng)傳感器的齒輪傳感器對(duì)曲軸和凸輪軸進(jìn)行計(jì)時(shí)。使用兩個(gè)廉價(jià)的鐵質(zhì)磁極片可制成一個(gè)旋轉(zhuǎn)位置傳感器，將磁性信號(hào)從旋轉(zhuǎn)的磁棒送至
霍爾傳感器。帶有凹槽的環(huán)形磁芯霍爾 IC 位于這個(gè)凹槽內(nèi)， 可用來制成一個(gè)電流傳感器。也可制成線性和數(shù)字輸出傳感器，其工作范圍為 10A 至 1000A。霍爾裝置的其它應(yīng)用包括鍵盤開關(guān)、磁強(qiáng)計(jì)和位置傳感器。
磁阻傳感器
各向異性磁阻(AMR)發(fā)生在鐵質(zhì)材料中。如圖 5 所示， 當(dāng)施加的磁場垂直料中于用鐵質(zhì)材料制成的薄板中的電流時(shí)，它本身的電阻明顯有變化。磁阻傳感器傳感沿著空間一個(gè)方向的磁場，在此模式范疇內(nèi)，它們屬于霍爾效應(yīng)傳感器和SQUID(超導(dǎo)量子干涉裝置之間的傳感器)。 SQUID 可測量小于 1 μOe 幾個(gè)數(shù)量級(jí)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(chǔ)電氣元件。圖5說明了磁阻傳感器的工作原理和一個(gè)MR板對(duì)外部磁場的典型響應(yīng)。圖6所示為用四個(gè)磁控電阻器制成的惠斯頓電橋帶有一個(gè)供電電壓Vb，致使電流通過電阻器。如圖所示，施加一個(gè)偏磁場，使在所有電阻中的磁化強(qiáng)度和電流間有一個(gè)約45°的夾角。如果電阻器是同一種結(jié)構(gòu)，則所有四個(gè)電阻器的電阻是相同的，正交施加磁場h的R.A，使兩個(gè)反向放置的電阻器磁化而轉(zhuǎn)向電流，使電阻有一個(gè)增量△R，在剩下的兩個(gè)反向放置的電阻器中，由于磁化而轉(zhuǎn)離電流，導(dǎo)致電阻減少△R 。
電橋輸出為 △Vout=( △R/R)Vb。作為施加磁場函數(shù)的電橋輸出 △Vout被稱為傳感器的傳遞函數(shù)。在線性區(qū)內(nèi)，輸出與施加的磁場成正比( △V=S h Vb)靈敏度S和傳遞函數(shù)的線性范圍對(duì)于傳感器來說是兩個(gè)重要特征。傳遞函數(shù)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(biāo)準(zhǔn)半導(dǎo)體技術(shù)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?cè)诒姸鄳?yīng)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(nèi)阻抗小，使其對(duì)電磁噪聲和干擾不敏感。3.由于是固態(tài)溶液，無轉(zhuǎn)動(dòng)部件，使它具有高度可靠性。4.由于部件能方便地裝入在插板產(chǎn)品中，而使實(shí)施成本降低。
MR 傳感器(圖 7)，為異態(tài)檢測提供高靈敏度和獨(dú)特的解決方案，可根據(jù)物體的磁性信號(hào)的特征支持對(duì)物體的識(shí)別。這些特性可應(yīng)用于檢測如武器等的安全系統(tǒng)中，或用于在收費(fèi)公路上對(duì)車輛進(jìn)行檢測。它特別適用于貨幣鑒別，跟蹤系統(tǒng)，如在虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備中，和固態(tài)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(nèi)沿一個(gè)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(yīng)裝置區(qū)別開來。這可使應(yīng)用設(shè)計(jì)者以霍爾效應(yīng)傳感器無法使用的幾何構(gòu)型使用 MR 傳感器，例如當(dāng)需要一個(gè)薄型傳感器時(shí)。需用一個(gè)或幾個(gè)MR傳感器的其它應(yīng)用，包括機(jī)械手的位置和虛擬現(xiàn)實(shí)產(chǎn)品中盔的位置和定向。許多應(yīng)用既可使用霍爾效應(yīng)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(shí)，應(yīng)使用霍爾效應(yīng)傳感器；在要求高靈敏度時(shí)，則使用 MR 傳感器 。
圖7.MR傳感器為異態(tài)檢測提供高靈敏度和特的解方法，根據(jù)物體的磁性信號(hào)特征物識(shí)別
巨磁阻效應(yīng)
巨磁阻效應(yīng)(GMR)是最近才發(fā)現(xiàn)的現(xiàn)象，它基于電子通過數(shù)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(yīng)與上述 AMR效應(yīng)相比顯得大而如此命名。當(dāng)兩個(gè)相鄰的鐵磁層有反向磁化強(qiáng)度時(shí)，電阻要高于它們?cè)谕环较蛏系拇呕瘡?qiáng)度矢量。
GMR是由法國的 M. N. Baibich 等人在1988年發(fā)現(xiàn)的，已成為重大研究課程。通過新興的 GMR 技術(shù)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(yīng)需要工作在高強(qiáng)度的磁場并伴有高分貝噪聲，這使得它不能應(yīng)用于大范圍的傳感器產(chǎn)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(dá)到 MR 或磁通門裝置的靈敏度。但正繼續(xù)朝著開發(fā)更低磁場的方向發(fā)展。
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