磁傳感器和地磁傳感器

1.磁傳感器

磁傳感器是一種旨在測量磁場的大小和方向的傳感器。根據(jù)目的不同有多種傳感器，以下列舉典型的傳感器。

1.霍爾傳感器

基于霍爾效應(yīng)測量磁通密度的傳感器，輸出與磁通密度成比例的電壓。

它易于使用，主要用于非接觸式開關(guān)應(yīng)用，例如門和筆記本電腦等物體的打開和關(guān)閉檢測。

2.MR傳感器

MR（Magneto Resistance）傳感器也被稱為磁阻效應(yīng)傳感器，利用物體電阻因磁場變化來測量地磁大小的傳感器。

靈敏度高于霍爾傳感器，功耗更低，因此是一種使用更廣泛的磁傳感器。除了電子羅盤等地磁檢測應(yīng)用外，它還用于電機(jī)旋轉(zhuǎn)和位置檢測應(yīng)用。

3.MI傳感器

MI（Magneto Impedance）傳感器是下一代磁傳感器，采用特殊的非晶絲并應(yīng)用了磁阻抗效應(yīng)。

它的靈敏度比霍爾傳感器高出10,000倍以上，并且可以高精度地測量地磁的微小變化。

可以應(yīng)用于超低消耗電流的方位檢測（電子羅盤），還可應(yīng)用于室內(nèi)定位、金屬異物檢測等高靈敏度特性的應(yīng)用。

2.地磁傳感器

地球被磁場磁力所包圍，這被稱為地磁。地磁傳感器是檢測地球磁力的傳感器，也被稱為“電子羅盤”。地磁傳感器可以通過檢測地磁來檢測方向。說起電子羅盤，大家應(yīng)該更熟悉吧。簡而言之，就是作為指南針，可以了解朝向方位的傳感器。地磁傳感器分為2軸(XY軸)型和3軸(XYZ軸)型。

地磁傳感器有X和Y兩軸型以及添加了Z的三軸型，并測量各方向上的磁力值。

如果不考慮諸如簡單羅盤之類的傾斜，則僅使用X軸和Y軸的值。當(dāng)考慮傾斜時，需要將地磁傳感器的3軸值與加速度傳感器相結(jié)合，將其校正到正確的方向。

下圖顯示了地磁傳感器水平旋轉(zhuǎn)時X和Y值的分布。

如果地磁傳感器水平旋轉(zhuǎn)，在不受周圍磁場影響的理想情況下，輸出分布圖的圓心變?yōu)榱恪?/p>

然而，實(shí)際上中心因環(huán)境磁場的影響而移動，因此需要進(jìn)行調(diào)整以將圓心移動到零。

地磁傳感器導(dǎo)出的北極稱為磁北（略偏離北極）。通過上述方程式計(jì)算該磁北的角度，可以容易知道方向。

02

—

霍爾傳感器和霍爾開關(guān)

1.霍爾傳感器元件

霍爾元件是一種基于霍爾效應(yīng)的磁傳感器，已發(fā)展成一個品種多樣的磁傳感器產(chǎn)品族，并已得到廣泛的應(yīng)用。本文簡要介紹其工作原理， 產(chǎn)品特性及其典型應(yīng)用。

霍爾器件是一種磁傳感器。用它們可以檢測磁場及其變化，可在各種與磁場有關(guān)的場合中使用。霍爾器件以霍爾效應(yīng)為其工作基礎(chǔ)。

作用原理：當(dāng)電流通過一個位于磁場中的導(dǎo)體時，磁場會對導(dǎo)體中的電子產(chǎn)生一個垂直于電子運(yùn)動方向上的的作用力，從而在導(dǎo)體的兩端產(chǎn)生電勢差。主要運(yùn)用在翻蓋解鎖、合蓋鎖定屏幕等功能當(dāng)中，蘋果的Smart cover還有多個品牌的官方手機(jī)配件，都運(yùn)用了這項(xiàng)技術(shù)。

霍爾器件具有許多優(yōu)點(diǎn)，它們的結(jié)構(gòu)牢固，體積小，重量輕，壽命長，安裝方便，功耗小，頻率高（可達(dá)1MHZ），耐震動，不怕灰塵、油污、水汽及鹽霧等的污染或腐蝕。

霍爾線性器件的精度高、線性度好；霍爾開關(guān)器件無觸點(diǎn)、無磨損、輸出波形清晰、無抖動、無回跳、位置重復(fù)精度高（可達(dá)μm級）。取用了各種補(bǔ)償和保護(hù)措施的霍爾器件的工作溫度范圍寬，可達(dá)－55℃～150℃。

按照霍爾器件的功能可將它們分為: 霍爾線性器件 和 霍爾開關(guān)器件 。前者輸出模擬量，后者輸出數(shù)字量。

按被檢測的對象的性質(zhì)可將它們的應(yīng)用分為：直接應(yīng)用和間接應(yīng)用。前者是直接檢測出受檢測對象本身的磁場或磁特性，后者是檢測受檢對象上人為設(shè)置的磁場，用這個磁場來作被檢測的信息的載體，通過它，將許多非電、非磁的物理量例如力、力矩、壓力、應(yīng)力、位置、位移、速度、加速度、角度、角速度、轉(zhuǎn)數(shù)、轉(zhuǎn)速以及工作狀態(tài)發(fā)生變化的時間等，轉(zhuǎn)變成電量來進(jìn)行檢測和控制。

霍爾元件也可以分成四個類型：單極，雙極，全極，線性這四種,

2.霍爾開關(guān)

通有電流的金屬或半導(dǎo)體薄片垂直地放在磁場中時，薄片的兩端就會產(chǎn)生電位差，這種現(xiàn)象就稱為霍爾效應(yīng)。兩端具有的電位差值稱為霍爾電勢U，其表達(dá)式為U=K·I·B/d，其中K為霍爾系數(shù)，I為薄片中通過的電流，B為外加磁場(洛倫慈力Lorrentz)的磁感應(yīng)強(qiáng)度，d是薄片的厚度。

由此可見，霍爾效應(yīng)的靈敏度高低與外加磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度成正比的關(guān)系。霍爾元件屬于這種有源磁電轉(zhuǎn)換器件，是一種磁敏元件。它是在霍爾效應(yīng)原理的基礎(chǔ)上，利用集成封裝和組裝工藝制作而成，它可方便的把磁輸入信號轉(zhuǎn)換成實(shí)際應(yīng)用中的電信號，同時又具備工業(yè)場合實(shí)際應(yīng)用易操作和可靠性的要求。

霍爾開關(guān)就是利用霍爾元件的這一特性制作的，它的輸入端是以磁感應(yīng)強(qiáng)度B來表征的，當(dāng)B值達(dá)到一定的程度(如B1)時，霍爾開關(guān)內(nèi)部的觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)，霍爾開關(guān)的輸出電平狀態(tài)也隨之翻轉(zhuǎn)。

輸出端一般采用晶體管輸出，和其他傳感器類似有NPN、PNP、常開型、常閉型、鎖存型(雙極性)、雙信號輸出之分。霍爾開關(guān)具有無觸電、低功耗、長使用壽命、響應(yīng)頻率高等特點(diǎn)，內(nèi)部采用環(huán)氧樹脂封灌成一體化，所以能在各類惡劣環(huán)境下可靠的工作。

當(dāng)磁性物件移近霍爾開關(guān)時，開關(guān)檢測面上的霍爾元件因產(chǎn)生霍爾效應(yīng)而使開關(guān)內(nèi)部電路狀態(tài)發(fā)生變化，由此識別附近有磁性物體存在，進(jìn)而控制開關(guān)的通或斷。這種接近開關(guān)的檢測對象必須是磁性物體。

霍爾開關(guān)在物聯(lián)網(wǎng)方面設(shè)計(jì)使用越來越多，尤其在一些智能表計(jì)領(lǐng)域，常用于復(fù)位激活功能。霍爾開關(guān)是一種有源磁電轉(zhuǎn)換器件，它是在霍爾效應(yīng)原理的基礎(chǔ)上把磁輸入信號轉(zhuǎn)換為電信號。可以把它理解為“磁性開關(guān)”。霍爾開關(guān)這種非接觸式觸發(fā)對產(chǎn)品一體性具有很大的優(yōu)勢。

內(nèi)部框圖

霍爾開關(guān)IC內(nèi)部集成了霍爾電壓發(fā)生器，放大器，施密特觸發(fā)電路，晶體管輸出電路，其數(shù)字輸出干凈平穩(wěn)，不會發(fā)生開關(guān)跳躍及抖動（機(jī)械開關(guān)的固有問題）。

霍爾開關(guān)的分類

按照感應(yīng)方式通常分為三大類：單極霍爾開關(guān)、雙極霍爾開關(guān)、全極霍爾開關(guān)，如下：

1）單極性霍爾開關(guān)

單極霍爾元件只感應(yīng)磁鐵某一個磁極，絕大多數(shù)單極霍爾IC對S極敏感，即當(dāng)S極靠近有標(biāo)記面時，霍爾IC導(dǎo)通（輸出低）；當(dāng)S極撤離后，霍爾關(guān)閉（輸出高）。

感應(yīng)方式：磁場的一個磁極靠近它，輸出低電平信號，磁場磁極離開它輸出高電平信號，但要注意的是，單極性霍爾開關(guān)它會指定某磁極（N極/S極）感應(yīng)才有效。

2）雙極性霍爾開關(guān)

雙極霍爾IC對磁鐵的S，N極都敏感，當(dāng)S極接近有標(biāo)記的面，且磁場達(dá)到某一強(qiáng)度，霍爾輸出導(dǎo)通（低電平）；S極撤離后，輸出保持導(dǎo)通狀態(tài)；只有當(dāng)N極接近有標(biāo)記的面，且磁場達(dá)到某一強(qiáng)度，霍爾輸出截止（高電平）；N極撤離后，霍爾保持截止?fàn)顟B(tài)。由于磁場撤離后（磁場強(qiáng)度為0），霍爾保持原狀態(tài)，類似鎖存器的記憶功能，因此稱此類霍爾IC為鎖存型霍爾IC、鎖定型霍爾IC。

感應(yīng)方式：磁場有N/S兩個磁極，兩個磁極分別控制雙極性霍爾開關(guān)的開和關(guān)（高低電平），它一般具有鎖定的作用，也就是說當(dāng)磁極離開后，霍爾輸出信號不發(fā)生改變，直到另一個磁極感應(yīng)。

單極霍爾開關(guān)和鎖存霍爾開關(guān)區(qū)別在磁參數(shù)上：

單極霍爾開關(guān)插件常用S極（磁鐵的南極）去觸發(fā)霍爾。磁鐵靠近霍爾的輸出（信號）改變，磁鐵遠(yuǎn)離霍輸出有電壓，磁鐵離開后輸出無電壓。

鎖存開關(guān)霍爾：用兩個磁極去觸發(fā)霍爾。用磁鋼的S極靠近霍爾，霍爾的輸出（信號）改變；再用磁鋼的N極靠近霍爾，霍爾的輸出（信號）恢復(fù)初始狀態(tài)，鎖存霍爾開關(guān)帶有鎖存記憶功能，當(dāng)S極靠近再離開后，保持現(xiàn)狀，必須要N極來靠近下才會改變原先輸出狀態(tài)。

3）全極性霍爾開關(guān)

全極性霍爾IC是較新出現(xiàn)的類型，等同對待S極和N極，也被稱為無極性霍爾IC。一般情況下，任何一個磁極面向標(biāo)記面且施加的磁感應(yīng)強(qiáng)度B超過工作點(diǎn)（BOP）（即|B|>BOP），輸出導(dǎo)通，輸出由高變低。

當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度減弱低于釋放點(diǎn)（BRP）（即|B|<brp）或撤除（b=0）時，輸出關(guān)斷，輸出由低變高。也有部分與以上輸出狀態(tài)相反的全級霍爾ic。全級< span="">霍爾IC這一類似干簧管的特性，在許多場合用于替換干簧管以提高可靠性。brp）或撤除（b=0）時，輸出關(guān)斷，輸出由低變高。也有部分與以上輸出狀態(tài)相反的全級霍爾ic。全級<>

感應(yīng)方式：全極性霍爾開關(guān)的感應(yīng)方式與單極性霍爾開關(guān)的感應(yīng)方式相似，區(qū)別在于單極性霍爾開關(guān)會指定磁極，全極性霍爾開關(guān)不會指定磁極，任何磁極靠近輸出低電平信號，離開輸出高電平信號。

霍爾開關(guān)參數(shù)

1）磁通量密度

磁通量密度主要指磁場強(qiáng)度用B來表示，單位是高斯（Gauss）或特斯拉（tesla)（1G=0.1mT）。當(dāng)磁通量密度增大到一定值時，霍爾開關(guān)開始動作輸出低電平的工作點(diǎn)，該點(diǎn)對應(yīng)的磁通量密度稱為工作點(diǎn)--BOP。當(dāng)繼續(xù)提高磁場強(qiáng)度時不會影響開關(guān)狀態(tài)會一直保持打開。下圖中當(dāng)磁通量密度達(dá)到240G時，霍爾開關(guān)輸出低電平。

由于磁滯作用的影響，如果關(guān)掉上圖中的和霍爾開關(guān)需要使磁通量密度低于240G工作點(diǎn)，如下圖所示：存在90G磁滯，當(dāng)磁通量密度減小到150G時，霍爾開關(guān)關(guān)斷。此時磁通量密度的數(shù)值稱為釋放點(diǎn)—BRP .