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    全面解析磁性傳感器及其應用

    2021-03-10
    閱讀: 763
    發布者: 無錫邁德爾智能傳感技術有限公司

    本文對磁性傳感器的工作原理、分類、應用進行了詳細介紹,并進一步探討了其發展趨勢和方向。

    ▎磁性傳感器的概況

    磁性傳感器具有非接觸測量、高可靠、堅固耐用、測量靈敏度高等基本特點。磁場能夠穿透許多非金屬物質材料,無須直接接觸目標物體就可觸發交換過程。通過使用磁性導體(比如鐵),磁場即可被傳導到較遠的距離,信號就能從溫度較高的區域傳送出去。人們把磁場、電流、應力應變、溫度、光等引起敏感元件磁性能的變化轉換成電信號,以這種方式來檢測相應物理量的器件叫做磁性傳感器。它們不但用于檢測磁場的大小和方向,而且還和永磁體等組合,用于位置、速度、角度、溫度、電流等各種非磁學量的非接觸檢測。

    ▎磁性傳感器的種類

    自從磁性傳感器作為一種獨立的產品進入實際應用領域以來,已經從檢測的人體微弱磁場到檢測到高達25T以上的強磁場,都可以獲得相應種類傳感器進行檢測。

    從應用原理上,磁性傳感器的種類主要有:

    全面解析磁性傳感器及其應用


    ▎磁性傳感器的應用

    工業用途:在工業應用領域,最流行的磁性傳感器類型是電流傳感器,包括分流電阻器、霍爾效應集成電路、電流感應變壓器、開環與閉環霍爾器件以及磁通門傳感器。

    電機在無刷電動機中,用磁性傳感器來作轉子磁極位置傳感和定子電樞電流換向器,許多磁性傳感器,霍爾器件、威根德器件、磁阻器件等都可以使用,但當前大量使用的,主要還是霍爾器件。另外磁性傳感器還可以對電機進行過載保護及轉矩檢測;交流變頻器用于電機調速,節能效果極好。由于磁編碼器的使用顯示出越來越多的優點,因此正在逐漸取代光編碼器來對電機的轉速進行檢測和控制。

    電力電子技術電力電子技術是電力技術和電子技術的結合,可實現交直流電流的相互變換,并可在所需的范圍內實現電流、電壓和頻率的自由調節。采用這些技術和產品,可做成各種特殊電源(如開關電源、弧焊機逆變電源等)和交流變頻器等產品。這些變頻裝置的核心,是大功率半導體器件。以磁性傳感器為基礎的各種電流傳感器被用來監測控制和保護這些大功率器件?;魻栯娏鱾鞲衅黜憫俣瓤?,且依靠磁場和被控電路耦合,不接入主電路,因而功耗低,抗過載能力強,線性好,可靠性高,既可作為大功率器件的過流保護驅動器,又可作為反饋器件,成為自控環路的一個控制環節。

    能源管理電網的自動檢測系統需采集大量的數據,經計算機處理之后,對電網的運行狀況實施監控,并進行負載的分配調節和安全保護。自動監控系統的各個控制環節,都可用以磁性傳感器為基礎的電流傳感器、互感器等來實現?;魻栯娏鱾鞲衅髟缫言陔娋W系統中得到應用。用霍爾器件作成的電度表也已從研制轉向實用化,它們可自動計費并可顯示功率因數,以便隨時進行調整,保證高效用電。

    磁信息記錄裝置磁信息記錄裝置除磁帶、磁盤等之外,還有磁卡、磁墨水記錄帳冊、鈔票的磁記錄等,對磁信息存儲和讀出傳感器有巨大需求。目前,感應磁頭,薄膜磁阻磁頭,非晶磁頭等都獲得了大量的使用。隨著記錄密度的提高,需要更高靈敏度和空間分辨力的磁頭。以多層金屬薄膜為基礎的巨磁阻磁頭、用非晶合金絲制作的非晶合金磁頭、巨磁阻抗磁頭等正展開激烈的競爭。

    交通控制交通事故和交通堵塞是城市中和城市間交通存在的一個大問題。目前,國內外都在加強行車支持道路系統、智能運輸系統和道路交通信息系統等的開發與建設。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,用分辨率可達1nT的GMI和SI傳感器,可構成ITS感器、汽車通過記錄儀、停車場成批車輛傳感器、加速度傳感器等。

    汽車工業應用:汽車中主要用于車速、傾角、角度、距離、接近、位置等參數檢測以及導航、定位等方面的應用,比如車速測量、踏板位置、變速箱位置、電機旋轉、助力扭矩測量、曲軸位置、傾角測量、電子導航、防抱死檢測、泊車定位、安全氣囊與太陽能板中的缺陷檢測、座椅位置記憶、改善導航系統的航向分辨率。在節能降耗中,尤其是在制造商目前面臨減少點滴碳排放或其它污染物壓力的時候,這方面的一個重點領域是馬達,馬達正在從存在摩擦力的“一刻不?!钡幕喯到y向電子馬達轉變,后者可以按需控制。與此同時,電子馬達向效率更高和更加可靠的有刷DC馬達轉變,而磁性傳感器的應用能夠讓馬達控制或換向更加精確。

    醫療應用:磁性傳感器在醫療領域中的應用,盡管規模要小于工業領域,但卻能夠在各種場合以各種方式輔助病人護理和監控:救護車,醫院和家庭護理等。無論是在手術過程中,重癥監護室,還是在家庭護理方面,都提供了有效的方式以控制運動、氣流、探測血壓以及用藥等挽救生命或者提高生命質量。它主要用于換向傳感器的醫療設備之中的電機控制,比如呼吸機、輸液、胰島素和腎臟透析機等方面的應用。

    消費電子:隨著消費電子在全球的風靡,磁性傳感器在消費電子中的應用表現也十分強勁。例如手機、筆記本電腦、電子羅盤等中都有著非常廣泛的應用。MEMS傳感器與磁傳感器在應用中互相促進,這對于推動磁性傳感器在消費電子市場的逐步增長起著一定貢獻。雖然磁阻傳感器發展歷程已經很漫長,技術相對成熟,但僅作為電子羅盤的單獨應用,在以前并不被人們很看好,而現在它與MEMS的結合,會在導航市場成為一個亮點。由于MEMS和磁阻傳感器在功能上可以互相補充,它們的結合使導航產品更加精準。如果把陀螺儀、加速度和磁傳感器三種傳感器集成在一起,三者在功能上互相輔助,則構成了功能更強大的慣性導航產品。

    航天軍工: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。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。電子羅盤在武器/導彈導航,航海和航空的高性能導航設備中功不可沒。

    環保節能:環境保護的前提是對各個環境參數的監測,這里需要使用多種大量的傳感器。采用強磁致伸縮非晶磁彈微型磁傳感器和感應式磁傳感器,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。

    工業應用:在其它工業應用方面,磁性傳感器可用于電腦服務器等機器的不間斷電源、焊接系統。在大型變頻電機等電流較高的應用中,開環與閉環霍爾傳感器在一個小型封裝中使用霍爾效應IC;也可以提高集成度,在封裝中包含一個專用集成電路?;魻朓C同樣用于工業洗衣機變頻器控制應用之中。除了電流傳感器,獨立霍爾效應IC或磁阻傳感器開關也存在規模一定的市場,這些器件用于電機整流,以降低紋波和改善性能,或者用于位置測量等。

    ▎磁性傳感器的發展趨勢

    磁性傳感器的發展方向:

    • 高靈敏度

    • 溫度穩定性

    • 抗干擾性

    • 多功能化、集成化、智能化

    • 高頻特性

    • 低功耗

    高靈敏度:被檢測信號的強度越來越弱,這就需要磁性傳感器靈敏度得到極大地提高。應用方面包括電流傳感器、角度傳感器、齒輪傳感器、太空環境測量。

    溫度穩定性:更多的應用領域要求磁性傳感器的工作環境越來越嚴酷,這就要求磁性傳感器必須具有很好的溫度穩定性,應用領域主要是汽車電子行業。

    抗干擾性 :傳感器及儀器儀表在現場運行所受到的干擾多種多樣,例如:靜電感應、電磁感應、漏電流感應、射頻干擾等,這就要求磁性傳感器本身具有很好的抗干擾性。應用領域主要是汽車電子、水表等等。

    多功能化、集成化、智能化:多功能化不僅可以降低生產成本,減小體積,而且可以有效的提高傳感器的穩定性、可靠性等性能指標。傳感器與微處理機相結合,使之不僅具有檢測功能,還具有信息處理、邏輯判斷、自診斷、以及思維等人工智能,就稱之為傳感器的智能化。這類傳感器具有多功能、高性能、體積小、適宜大批量生產和使用方便等優點。要想做到多功能化、集成化、智能化,這就需要芯片級的集成,模塊級集成,產品級集成。已實現集成化的磁傳感器很多,如電子自旋共振電流傳感器等。

    高頻特性:隨著應用領域的擴大,要求磁性傳感器的工作頻率越來越高,應用領域主要是水表、汽車電子行業、信息記錄行業。

    低功耗 :很多領域要求磁性傳感器本身的功耗極低,得以延長磁性傳感器的使用壽命。應用領域主要是植入身體內磁性生物芯片,指南針等。

    ▎新型磁性傳感器的技術發展趨勢

    新型磁性傳感器大致方向包括:采用新原理、填補空白、仿生、集成化、多功能化、智能化等。

    采用標準CMOS大規模制造工藝制備磁數?;旌闲盘柼幚黼娐?,從而有效降低生產成本。

    優化芯片設計,有效降低芯片功耗和芯片尺寸,使MEMS磁性傳感器的降低工作電流20%,使其適用于各類低功耗要求的手持式設備。

    開發設計與MEMS磁性傳感器相匹配的嵌入軟件,采用軟件自動校準傳感器,同時可以動態地補償磁干擾引起的誤差,能夠更有效為用戶提供精確與便捷的應用解決方案。

    開發出磁性傳感器的新型校準算法,實現自動校準傳感器,動態補償磁干擾引起的誤差。

    ▎磁性傳感器的發展前景

    磁性傳感器是實現自動檢測和自動控制的首要環節。如果沒有傳感器對原始數據進行精確可靠測量,無論是信號轉換、信息處理及數據的顯示與控制,都將無從談起。沒有精確可靠的傳感器,就沒有自動檢測和控制系統。由此可見,磁性傳感器起著巨大的作用。

    在新興產業復雜的應用系統中,要求磁性傳感器體積小、重量輕、功能強、接口方便等,給磁性傳感器提出了許多極高的要求。要完全達到這些要求,磁傳感器的微型化、集成化、系統化和智能化就不可避免。正在實現集成化的磁傳感器很多,如感應微位移傳感器、磁通門磁強計、核磁共振磁強計。同霍爾集成電路以及AMR集成電路不同的是這些磁傳感器要集成一個個微系統,其中有線圈、磁芯、磁共振樣品等。還有接口和訊號處理電路。人們調動了各種技術手段,包括半導體單片集成技術、混合集成技術、表面貼裝、微機械加工、電子電路、薄膜的生成和處理等,制成了一個個性能優異的微磁傳感器系統。


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