工程師譚軍 發表於 2018-10-07 11:45:00
磁傳感器
磁傳感器是把磁場、電流、應力應變、溫度、光等外界因素引起敏感元件磁性能變化轉換成電信號，以這種方式來檢測相應物理量的器件。
磁傳感器廣泛用於現代工業和電子產品中以感應磁場強度來測量電流、位置、方向等物理參數。在現有技術中，有許多不同類型的傳感器用於測量磁場和其他參數。
磁傳感器是把磁場、電流、應力應變、溫度、光等外界因素引起敏感元件磁性能變化轉換成電信號，以這種方式來檢測相應物理量的器件。磁傳感器分為三類：指南針、磁場感應器、位置傳感器。指南針：地球會產生磁場，如果你能測地球表面磁場就可以做指南針。電流傳感器：電流傳感器也是磁場傳感器。電流傳感器可以用在家用電器、智能電網、電動車、風力發電等等。位置傳感器： 如果一個磁體和磁傳感器相互之間有位置變化，這個位置變化是線性的就是線性傳感器，如果轉動的就是轉動傳感器。
大生活中用到很多磁傳感器，比如說指南針，電腦硬碟、家用電器等等。
在傳統產業改造中的應用及市場
據報導，1995年僅工業過程控制傳感器的全球市場已達到260億美元;2001年計算機HDD用SV-GMR磁頭的市場超過了4000億日元（約合34億美元）。若採用新型微型磁傳感器，既使操作更簡便，又提高了可靠性，增長了器件壽命，降低了成本。
使用新型磁傳感器可以顯著提高測量和控制精度，如使用GMI（巨磁阻抗）磁場傳感器，檢測解析度和常用磁通門磁強計一樣，而響應速度卻快了一倍，消耗功率僅為後者的1%;若用霍爾器件，其解析度僅4A/m，而所需外場比前者高300餘倍;在應力檢測中，SI 傳感器的靈敏度是常用電阻絲的2000倍高，是半導體應變規的20～40倍。工業工具機的油壓或氣壓汽缸活塞位置檢測，廣泛採用套在活塞杆上的永磁環和AMR元件組成的磁傳感器，檢測精度達0.1mm，檢測速度可在0～500mm/s內以高低速度變換;改用GMI或SV-GMR傳感器後，測量精度至少可以提高1個數量級。在工具機數控化時代，數字磁尺幫助設計師們實現了閉環控制。使用絕對信號輸出的磁尺，則不受噪聲、電源電壓波動等幹擾，也不必原點復位。使用工作狀態磁敏開關，還可以完成手動與數控之間的轉換。
旋轉磁編碼器在旋轉量的檢測控制中起關鍵作用，它在數控工具機、機器人、工廠自動化設備的位置檢測、傳輸速度控制，磁碟、印表機之類的自動化設備通訊設備的旋轉量檢測中都是不可缺少的重要部件。其檢測對象是光磁圖形，不受油霧粉塵的影響，因此比目前最先進的光編碼器的可靠性高壽命長，尤其適合於自動焊接、油漆機器人和與鋼鐵有關的位置檢測以及各種金屬、木材、塑料等加工行業的應用。而仍大量使用光編碼器，由於這種器件易受粉塵、油汙和煙霧的影響，用在自動焊接、油漆機器人、紡織和鋼鐵、木料、塑料等的加工中，可靠性極差。應用AMR、GMR 、GMI敏感元件構成的旋轉磁編碼器，就不存在上述缺點，因此，它們的市場需求年增長率在30%以上。在家用電器和節能產品中也也有其廣泛的應用潛力，在節能環保產品中也大有用武之地。若使用微型磁編碼器和控制微機一體化，更有利於簡化控制系統結構，減少元件數和佔空體積，這在精密製造和加工業中意義十分重大。
在環境監測中的應用
環境保護的前提是對各個環境參數（溫度、氣壓、大氣成份、噪聲。..。..。）的監測，這裡需要使用多種大量的傳感器。採用強磁致伸縮非晶磁彈微型磁傳感器，可以同時測量真空或密閉空間的溫度和氣壓，而且不用接插件，可以遙測和遠距離訪問。在食品包裝、環境科學實驗等方面，應用前景廣闊。
在交通管制中的應用
交通事故和交通阻塞是城市中和城市間交通存在的一個大問題。國內外都在加強高速公路行車支持道路系統（AHS）、智能運輸系統（ITS）和道路交通信息系統（VICS）等的開發與建設。在這些新系統中，高靈敏度、高速響應微型磁傳感器大有用武之地。例如，用解析度可達1nT的GMI和SI傳感器，可構成ITS傳感器（作高速路上的道路標誌，測車輪角度，貨車近接距離），汽車通過記錄儀（測通行方向、速度、車身長度、車種識別），停車場成批車輛傳感器，加速度傳感器（測車輛通過時路橋的振動等）。
磁傳感器在電子羅盤中的應用
幾個世紀以來，人們在導航中一直使用磁羅盤。有資料顯示早在二千多年前中國人就開始使用天然磁石-一種磁鐵礦來指示水平方向。電子羅盤（數字羅盤，電子指南針，數字指南針）是測量方位角（航向角）比較經濟的一種電子儀器。如今電子指南針廣泛應用於汽車和手持電子羅盤，手錶，手機，對講機，雷達探測器，望遠鏡，探星儀，穆斯林麥加探測器（穆斯林鐘），手持 GPS 系統，尋路器，武器/飛彈導航（ 航位推測 ），位置/方位系統，安全/定位設備，汽車、航海和航空的高性能導航設備，電子遊戲機設備等需要方向或姿態顯示的設備。
地球本身是一個大磁鐵，地球表面的磁場大約為0.5Oe，地磁場平行地球表面並始終指向北方。利用GMR薄膜可做成用來探測地磁場的傳感器。圖5顯示這種傳感器的具體工作原理。我們可以制出能夠探測磁場X和Y方向分量的集成GMR傳感器。此傳感器可作為羅盤並應用在各種交通工具上作為導航裝置。美國的NVE公司已經把GMR傳感器用在車輛的交通控制系統上。例如，放置在高速公路邊的GMR傳感器可以計算和區別通過傳感器的車輛。如果同時分開放置兩個GMR傳感器，還可以探測出通過車輛的速度和車輛的長度，當然GMR也可用在公路的收費亭，從而實現收費的自動控制。另外高靈敏度和低磁場的傳感器可以用在航空、航天及衛星通信技術上。大家知道，在軍事工業中隨著吸波技術的發展，軍事物件可以通過覆蓋一層吸波材料而隱蔽，但是它們無論如何都會產生磁場，因此通過GMR磁場傳感器可以把隱蔽的物體找出來。當然，GMR磁場傳感器可以應用在衛星上，用來探測地球表面上的物體和底下的礦藏分布。
門磁傳感器在智能家居中的應用
在智能家居門禁系統中門磁開關的作用是負責門磁通電否，通電帶磁（閉門），斷電消磁（開門），門磁安裝於門與門套上，開關安裝於屋內，配合自動閉門器使用，一般可承受150公斤的拉力。
有線門磁為嵌入式安裝更加隱蔽，感應門窗的開合，適用於木質或鋁合金門窗發出有線常閉/常開開關信號。門磁是用來探測門、窗、抽屜等是否被非法打開或移動。它由無線發射器和磁塊兩部分組成。門磁系統其實和床磁等原理相同。
磁敏傳感器，顧名思義就是感知磁性物體的存在或者磁性強度（在有效範圍內）這些磁性材料除永磁體外，還包括順磁材料（鐵、鈷、鎳及其它們的合金）當然也可包括感知通電（直、交）線包或導線周圍的磁場。
一，傳統的磁檢測中首先被採用的是電感線圈為敏感元件。特點正是無須在線圈中通電，一般僅對運動中的永磁體或電流載體起敏感作用。後來發展為用線圈組成振蕩槽路的。如探雷器，金屬異物探測器，測磁通的磁通計等。（磁通門，振動樣品磁強計）。
二，霍爾傳感器
霍爾傳感器是依據霍爾效應製成的器件。
霍爾效應：通電的載體在受到垂直於載體平面的外磁場作用時，則載流子受到洛倫茲力的作用，並有向兩邊聚集的傾向，由於自由電子的聚集（一邊多一邊必然少）從而形成電勢差，在經過特殊工藝製備的半導體材料這種效應更為顯著。從而形成了霍爾元件。早期的霍爾效應的材料Insb（銻化銦）。為增強對磁場的敏感度，在材料方面半導體IIIV元素族都有所應用。近年來，除Insb之外，有矽襯底的，也有砷化鎵的。霍爾器件由於其工作機理的原因都製成全橋路器件，其內阻大約都在150Ω~500Ω之間。對線性傳感器工作電流大約在2~10mA左右，一般採用恆流供電法。
Insb與矽襯底霍爾器件典型工作電流為10mA。而砷化鎵典型工作電流為2mA。作為低弱磁場測量，我們希望傳感器自身所需的工作電流越低越好。（因為電源周圍即有磁場，就不同程度引進誤差。另外，目前的傳感器對溫度很敏感，通的電流大了，有一個自身加熱問題。（溫升）就造成傳感器的零漂。這些方面除外附補償電路外，在材料方面也在不斷的進行改進。
霍爾傳感器主要有兩大類，一類為開關型器件，一類為線性霍爾器件，從結構形式（品種）及用量、產量前者大於後者。霍爾器件的響應速度大約在1us量級。
三，磁阻傳感器
磁阻傳感器，磁敏二極體等是繼霍爾傳感器後派生出的另一種磁敏傳感器。採用的半導體材料於霍爾大體相同。但這種傳感器對磁場的作用機理不同，傳感器內載流子運動方向與被檢磁場在一平面內。（順便提醒一點，霍爾效應於磁阻效應是並存的。在製造霍爾器件時應努力減少磁阻效應的影響，而製造磁阻器件時努力避免霍爾效應（在計算公式中，互為非線性項）。在磁阻器件應用中，溫度漂移的控制也是主要矛盾，在器件製備方面，磁阻器件由於與霍爾不同，因此，早期的產品為單只磁敏電阻。由於溫度漂移大，現在多製成單臂（兩隻磁敏電阻串聯）主要是為補償溫度漂移。目前也有全橋產品，但用法（目的）與霍爾器件略有差異。據報導磁阻器件的響應速度同霍爾1uS量級。
磁阻傳感器由於工作機理不同於霍爾，因而供電也不同，而是採用恆壓源（但也需要一定的電流）供電。當後續電路不同對供電電源的穩定性及內部噪聲要求高低有所不同。
四，磁敏器件應用的問題
磁敏器件（單元）體積問題：
在磁敏元件作為檢測磁場而設計和製造的，一般檢測的概念是：測量磁場中某一點的磁性。作為點的定義在幾何學中是無限小的。在磁場檢測中，由於磁場的面積、體積、縫隙大小等都是有限面積（尺寸），因此我們希望磁敏元件之面積與被測磁場面積相比也應該是越小越準確。在磁場成像的技術中，元件體積越小，在相同的面積內採集的像素就愈多。解析度、清晰度越高。在表面磁場測量與多級磁體的檢測中，在磁柵尺中，必然有如此要求。從磁敏元件工作機理看，為提高靈敏度在幾何形狀處於磁場中的幾何尺寸都有相應要求，這與「點」的要求是相矛盾的。在與國外專家技術交流中得知，1999年俄羅斯專家說他們製成了體積0.6mm得探頭（是幾個研究所合作搞成的）。美國也有相應的產品，售價約70美元一隻。是否是目前最高水平，未見其它報導。
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