为什么选择磁性传感器

霍尔效应传感器
施加的 磁场
偏磁场
霍尔效应传感器用于测量10Oe 至几千 O e 的 磁 场强 度 ，对 于 强磁 场
图 6. 惠斯顿电桥和磁阻传感器的工作 原理
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其 中 q 是电 荷 载体 上 的电 荷 ，v 是 电荷 载 体 的 速 度， B是 磁 场 。 力使 电 流变 形 ， 并 将 其 挤向 导 电板 的 一侧 。 这造 成 X 轴 上 的 等 势线 变 形， 导 致产 生 霍尔 电 压。 如 果 霍 尔板 的 长度 远 大于 宽 度， 则 霍尔 电 磁 场 与洛 仑 兹力 相 平衡 ， 电流 变 成与 Y轴 平 行 。 最 实用 的 半 导体 霍 尔元 件 一 般 来 说 是正 方 形。 此 时电 流 相对 于 励磁 电 压 有 一个 角 度。
为什么选择磁性传感器？
本 文 说 明为 何 使用 磁 性传 感 器以 及 它们 能 解决 什 么样 的 问 题。 概 述了 磁 性传 感 器的 应 用 环 境 和 所使 用 的磁 性 传感 器 。本 篇 描述 了 三个 典 型测 量 的 磁场 范 围( 远大 于 地球 磁 场、 相 似 于 地 球磁 场 和远 小 于地 球 磁场 )以 及 每个 磁 场范 围 最 适用 的 传感 器 型号 。 讨论 线 圈、 磁 通 量 闸 门、 霍 尔效 应 传感 器 、磁 阻 和巨 磁 阻磁 性 传感 器 的 工作 原 理。 介 绍磁 性 传感 器 的 优 缺 点 以及 已 认证 的 产品 应 用。
磁 性 传 感器 ， 通常 称 为磁 力 计， 有 不同 的 物 理 原 理 和设 计 结构 。 下面 我 们将 讨 论各 种 磁 性 传 感 器中 使 用的 不 同技 术 。
线圈
线 圈 是 最老 式 的磁 性 传感 器 之一 。 根据 法 拉 弟 定 律 ，通 过 线圈 的 通量 有 何化 都 将导 致 线 圈 产 生 电动 势 ，在 时 变磁 场 区中 放 置变 线 圈 就 可 工 作。 通 过 改变 磁 场 就 能测 量 线 圈 中感 应 的 电 压 。 当 穿过 导 电回 路 的磁 通 量有 量 的 变 化 ， 这个 回 路中 就 会产 生 电压 。
图7.MR传感器为异态检测提供高 灵敏度和 特的解方法，根据物体的磁性信号特征物 识别。
硅 片 中霍 尔 效应 的 灵敏 度 约为 7 µ V / V / O e 。 由 于 硅是 压 敏电 阻 材料 ， 所 以 通 过 硅的 封 装而 施 加在 霍 尔元 件 上的 应 力 会 导致 在 机械 和 温度 效 应共 同 作用 下 的 零 位偏 移 误差 。 硅片 中 霍尔 效 应在 百 分 之 几到 几 千O e 的 范围 内 是呈 线 性的 ， 可 检 测的 最 小磁 场 为1 O e 的数 量 级。
场 或 0 . 6 O e。 第 三个 磁 场范 围 远远 小 于地 球 磁 场 ， 它们 在 1m O e 或更 低 范围 内 。地 球 磁 场 常 用 作受 铁 磁物 体 干扰 的 背景 磁 场， 如 在 磁 异 态 检测 中 的铁 磁 物体 。 表1 给 出了 用 于 不 同 磁 场范 围 的传 感 器型 号 。
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感 应 的 电压 = 磁通 量 变化 / 时间 变 化
线圈型传感器用于需测量变动场变化的 应用场合。对这种原理有许多不同的实施 方法。线圈的一个常见的应用是用来触发 红绿灯信号的埋在道路中的电路回路。系 统执行时线圈通常大而成本高。
磁通门
磁 通 门( 图 2) ，同 样 基于 法 拉弟 定 律， 通 常是 用 两 个 铁磁 材 料制 成 的杆 ， 但也 可 以是 用 一 次 或 二 次绕 组 绕成 的 环或 圈 。这 两 个杆 用 一 次 绕 组 缠绕 ， 以相 反 方向 产 生驱 动 磁场 。 频 率 f 的交 流 电在 一 次绕 组 中流 动 ，在 驱 动磁 场 的 作 用 下两 个 杆的 磁 化作 用 处于 相 反方 面 。 二 次 绕 组测 量 两个 杆 产生 的 净磁 通 量。 在 未 施 加 外 部磁 场 时， 假 定两 个 杆和 一 次线 圈 是 相 同 的 ，则 在 二次 线 圈里 的 净磁 通 量为 零 。 这 样 在 此线 圈 中就 不 会有 信 号产 生 。当 沿 着 杆 的 轴 线方 向 施加 一 个外 部 磁场 时 ，其 中 的 一 个 杆 将先 于 另一 个 杆磁 性 饱和 。 磁通 门 的 输 出 是 驱动 频 率f 的第 二 谐波 。 施加 一 个小 磁 场 时 ， 第二 谐 波的 波 幅与 施 加的 磁 场成 正 比 。
VH =µH(W/L)BVS
其中µH 是霍尔迁移率，W是霍尔板的宽 度 ， L是 长 度。
霍 尔 装 置的 应 用包 括 齿轮 传 感、 旋 转位 置 传 感 器 和电 流 传感 器 。电 流 传感 器 如图 4 所 示 。 在汽 车 业中 使 用的 新 型火 花 点火 发 动 机 有 一个 直 接点 火 系统 ， 系统 内 每个 汽 缸 或 每 对汽 缸 都使 用 一个 点 火线 圈 ，去 除 了 分 布 器。 内 含有 一 个永 久 偏磁 和 一个 霍 尔 效 应 传感 器 的齿 轮 传感 器 对曲 轴 和凸 轮 轴 进 行 计时 。 使用 两 个廉 价 的铁 质 磁极 片 可 制 成 一个 旋 转位 置 传感 器 ，将 磁 性信 号 从 旋 转 的磁 棒 送至 霍 尔传 感 器。 带 有凹 槽 的 环 形 磁芯 ， 霍尔 I C位 于 这个 凹 槽内 ， 可 用 来 制成 一 个电 流 传感 器 。也 可 制成 线 性 和 数 字输 出 传感 器 ，其 工 作范 围 为1 0 A 至 1 0 00 A。 霍 尔 装 置的 其 它应 用 包括 键 盘 开 关 、 磁强 计 和位 置 传感 器 。
何时使用磁性传感器 ?
极 少 的 应用 场 合只 需 要一 个 磁场 测 量， 更 确 切 地 说 是将 现 有的 或 已建 立 的磁 场 用于 感 测 其它信息。以下是几个实例: (1) 电流传感， 此 处 将 载流 线 产生 的 磁场 用 于监 控 电路 中 的 过负荷状态或蓄电池的状态；(2) 定向，将 地 球 磁 场的 两 个水 平 分量 用 来计 算 相对 于 磁 北的角度；(3) 磁异态检测，此处将由铁磁 物 体 产 生的 对 地球 磁 场的 干 扰( 如一 个 铁钉 、 金 属 螺栓 、 汽车 、 潜艇 或 地磁 岩 石) 用来 检 测 这 些物 体 是否 存 在。 一 旦表 现 出有 相 同 的 干 扰 ，也 能 用来 识 别该 物 体的 类 型( 如汽 车 实 体 或模 型) 。
图 4. 电流
C S N 系 列零 平 衡电 流金传属感触器头
施 加 的 磁场
透 磁 合 金薄 膜( NiFe)
电阻(Ω)
施 加 的 磁场 (O e )
图 5. 磁阻传感器的工作原理及典型的 M R 响 应 曲 线。
磁 通 门可 以在 制造 工艺 上使 其 非常 敏感 ，分 辨 率 最低 为1 µO e 。可 以测 量直 流 或交 流磁 场 。 频 率的 上限 为kHz 。 与霍 尔和 磁 阻传 感器 相 比 ，它 们的 尺寸 规格 较大 ， 价格 也更 贵。
由 于 洛仑 兹力 作用 在用 导电 材 料制 成的 电 荷 载 体上 而产 生的 霍尔 效应 等 于：
F = q( v× B)
磁阻传感器
各向异性磁阻(AMR) 发生在铁质材料中 。 如 图 5所 示 ，当 施 加的 磁 场垂 直 于用 铁
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质 材 料 制成 的 薄板 中 的电 流 时， 它 本身 的 电 阻 明 显有 变 化。 磁 阻传 感 器传 感 沿着 空 间 一 个 方向 的 磁场 ， 在此 模 式范 畴 内， 它 们 属 于 霍尔 效 应传 感 器和 S Q U I D( 超导 量 子 干 涉 装置 之 间的 传 感 器) 。S Q UI D 可 测 量小于1 µ O e 几 个 数 量 级 的磁 场 。 磁 阻传 感 器 通 常 用 于 测 量 µ O e 到 10 O e 的 磁 场 。
磁 性 霍 尔效 应 传感 器
翻印于1995年12月的MEA SUREME NTS & CONTROL( 测量与控制)
表 1—用 于 不 同 磁 场 范 围 的 传 感 器 型 号
磁性传感器 10-10 10-6 10-2 102 106
技术
线圈 磁通门 霍尔效 应 磁阻 SQUID
(1 Oe)
驱动线圈
惠 斯 顿 电 桥 是 磁阻 传 感 器 的基 础 电 气 元 件 。 图 5 说 明 了磁 阻 传 感 器的 工 作 原 理 和 一 个 M R 板 对 外 部 磁 场 的典 型 响 应 。 图6 所 示 为 用 四 个 磁控 电 阻 器 制成 的 惠 斯 顿 电桥带有一个供电电压Vb ，致使电流通 过 电 阻 器 。 如 图所 示 ， 施 加一 个 偏 磁 场 ， 使 在 所 有 电 阻中 的 磁 化 强度 和 电 流 间 有 一 个 约 4 5 °的 夹 角。 如 果 电 阻 器是 同 一 种 结 构 ， 则 所 有四 个 电 阻 器的 电 阻 是 相 同 的 ， 正 交 施 加磁 场 h 的 R . A使 两 个 反 向 放 置 的 电 阻 器 磁化 而 转 向 电流 ， 使 电 阻 有 一 个 增 量 △ R 。 在剩 下 的 两 个反 向 放 置 的 电 阻 器 中 ， 由于 磁 化 而 转离 电 流 ， 导 致电阻减少△R。
磁 性 传 感器 用 于检 测 磁场 的 存在 ， 测 量 磁 场 的大 小 ，确 定 磁场 的 方向 或 测 定 磁 场 的大 小 或方 向 是否 有 改变 。 磁 性 传 感 器可 用 于检 测 静止 的 或如 汽 车 、 卡 车 或火 车 等运 动 的铁 磁 物体 ； 门 或 闩 锁 的关 闭 ，如 飞 机货 舱 门； 一 个 物 体 的 位置 ， 如键 盘 上的 按 键； 如 发 动 机 中 轴的 旋 转运 动 ；一 个 物体 的 部 位 ， 如 阀轴 或 机械 手 ；或 者 用于 跟 踪 虚 拟 现 实和 运 动控 制 等应 用 。