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磁場范圍zui適用的傳感器型號討）,。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)缺點以及已認(rèn)證的產(chǎn)品應(yīng)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(zhuǎn)動速率傳感，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*的解決方案。了解磁性傳感器技術(shù)背后的概念和它們zui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,、卡車或火車等運動的鐵磁物體；門或閂鎖的關(guān)閉,，如飛機(jī)貨艙門：一個物體的位置,，如鍵盤上的按鍵；如發(fā)動機(jī)中軸的旋轉(zhuǎn)運動,；一個物體的部位如閥軸或機(jī)械手,；或者用于跟蹤虛擬現(xiàn)實和運動控制等應(yīng)用?！　?

　　磁場測量可分為三個范圍,。在每個范圍中，能在其環(huán)境中處于*工作狀態(tài)的磁性傳感器型號也不同,。*個磁場范圍遠(yuǎn)大于地球磁場（如在*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(yuǎn)遠(yuǎn)小于地球磁場,，它們在 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 ,。　　

　　　　　　　　　　　　　　　

　　何時使用磁性傳感器?   　　

　　極少的應(yīng)用場合只需要一個磁場測量,，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,。以下是幾個實例: （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,，將地球磁場的兩個水平分量用來計算相對于磁北的角度,；（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(xiàn)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(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,。這個數(shù)據(jù)可用于測量齒輪的轉(zhuǎn)速?！　?br />
　　　　　　　　　　　　　　

　　磁性傳感器,，通常稱為磁力計，有不同的物理原理和設(shè)計結(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zui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)生電動勢,，在時變磁場區(qū)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(yīng)的電壓,。當(dāng)穿過導(dǎo)電回路的磁通量有量的變化,，這個回路中就會產(chǎn)生電壓。感應(yīng)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(yīng)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(yīng)用是用來觸發(fā)紅綠燈信號的埋在道路中的電路回路。系統(tǒng)執(zhí)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(huán)或圈,。這兩個桿用一次繞組纏繞,，以相反方向產(chǎn)生驅(qū)動磁場。頻率在驅(qū)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(chǎn)生,。當(dāng)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(qū)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?！　?br />
　　　　　　　　　　　　　　　

　　磁通門可以在制造工藝上使其非常敏感,，分辨率zui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(guī)格較大,，價格也更貴,。

　　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，對于強(qiáng)磁場的測量zui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。zui常用的霍爾效應(yīng)傳感器是硅型霍中爾傳感器,，其中信號調(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(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。*的半導(dǎo)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(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zui小磁場為 1Oe 的數(shù)量級?！　?br />
　　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火發(fā)動機(jī)有一個直接點火系統(tǒng)系統(tǒng)，內(nèi)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(nèi)含有一個*偏磁和一個霍爾效應(yīng)傳感器的齒輪傳感器對曲軸和凸輪軸進(jìn)行計時。使用兩個廉價的鐵質(zhì)磁極片可制成一個旋轉(zhuǎn)位置傳感器,，將磁性信號從旋轉(zhuǎn)的磁棒送至霍爾傳感器,。帶有凹槽的環(huán)形磁芯霍爾 IC 位于這個凹槽內(nèi)， 可用來制成一個電流傳感器,。也可制成線性和數(shù)字輸出傳感器,，其工作范圍為 10A 至 1000A?；魻栄b置的其它應(yīng)用包括鍵盤開關(guān),、磁強(qiáng)計和位置傳感器?！?br />
　　　　　　　　　　　　　　

　　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,，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(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 幾個數(shù)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(chǔ)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(yīng),。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(qiáng)度和電流間有一個約45°的夾角,。如果電阻器是同一種結(jié)構(gòu),，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(zhuǎn)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(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)的線性范圍對于傳感器來說是兩個重要特征,。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，使它們在眾多應(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,，使其對電磁噪聲和干擾不敏感,。3.由于是固態(tài)溶液，無轉(zhuǎn)動部件,，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,，而使實施成本降低,。  

　　MR 傳感器（圖 7）,，為異態(tài)檢測提供高靈敏度和*的解決方案，可根據(jù)物體的磁性信號的特征支持對物體的識別,。這些特性可應(yīng)用于檢測如武器等的安全系統(tǒng)中,，或用于在收費公路上對車輛進(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)需要一個薄型傳感器時。需用一個或幾個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,，應(yīng)使用霍爾效應(yīng)傳感器；在要求高靈敏度時,，則使用 MR 傳感器 ,。

　　　　　　　　　　　　　
　　巨磁阻效應(yīng)  

　　巨磁阻效應(yīng)（GMR）是zui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)兩個相鄰的鐵磁層有反向磁化強(qiáng)度時,，電阻要高于它們在同一方向上的磁化強(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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