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。

磁傳感器廣泛用于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于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，電腦硬盤、家用電器等等。

在傳統產業改造中的應用及市場

據報道，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）。若采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，檢測分辨率和常用磁通門磁強計一樣，而響應速度卻快了一倍，消耗功率僅為后者的1%;若用霍爾器件，其分辨率僅4A/m，而所需外場比前者高300余倍；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。工業機床的油壓或氣壓汽缸活塞位置檢測，廣泛采用套在活塞桿上的永磁環和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傳感器后，測量精度至少可以提高1個數量級。在機床數控化時代，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、電源電壓波動等干擾，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，它在數控機床、機器人、工廠自動化設備的位置檢測、傳輸速度控制，磁盤、打印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，因此比目前先進的光編碼器的可靠性高壽命長，尤其適合于自動焊接、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，由于這種器件易受粉塵、油污和煙霧的影響，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，更有利于簡化控制系統結構，減少元件數和占空體積，這在精密制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，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，用分辨率可達1nT的GMI和SI傳感器，可構成ITS傳感器（作高速路上的道路標志，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于汽車和手持電子羅盤，手表，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/導彈導航（ 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，電子游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并始終指向北方。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并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），門磁安裝于門與門套上，開關安裝于屋內，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，適用于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。

磁場傳感器（Magnetic Field Sensors）

磁場傳感器可以用來檢測磁場大小，和加速度傳感器一樣，有x、y、z軸三個方向，單位為uT（microteslas）。磁場傳感器也稱為compass（指南針），在uses-feature中使用android.hardware.sensor.compass作為其名字。說實在的，單看磁場數值也看不出所以然。

說個故事，單位部門調整，一撥同事到10樓，這是上下移動實驗室的夾層，下面是移動網絡（有4G小基站）實驗室。一聽要挪過去，各個憂心忡忡，這輻射如何辦？按秘書的說法，怎么辦，涼拌。正好玩磁場傳感器，雖然magneTIc不是electromagneTIc，電場、磁場相互作用，在具體的都還給老師了。手頭上也沒有什么能夠進行測試的，就用磁場傳感器測一測。這種事情多半都是自己嚇自己，智能手機將成為摸金校尉的必備工具。

下面是小例子代碼片段：

public class MagneTIcFieldSensorAcTIvity extends Activity implements SensorEventListener{

……

@Override

protected void onCreate（Bundle savedInstanceState） {

……

sensorManager = （SensorManager）getSystemService（SENSOR_SERVICE）；

sensor = sensorManager.getDefaultSensor（Sensor.TYPE_MAGNETIC_FIELD）；

}

…… //注冊和注銷磁場傳感器監聽器

private int count = 1;

@Override

public void onSensorChanged（SensorEvent event） {

if（ count == 20）{ //磁場傳感器很敏感，每20個變化，顯示一次數值

double value = Math.sqrt（event.values［0］*event.values［0］ event.values［1］*event.values［1］

event.values［2］*event.values［2］）；

String str = String.format（“X：%8.4f ， Y：%8.4f ， Z：%8.4f \n總值為：%8.4f”，

event.values［0］，event.values［1］，event.values［2］，value）；

count = 1;

tv.setText（str）；

}

}

@Override

public void onAccuracyChanged（Sensor sensor， int accuracy） {

// Nothing here

}

}

方位傳感器（Orientation Sensors）

磁場傳感器和加速度傳感器結合可或者設備擺放角度，兩者結合可以獲取方位。這些計算由Android代勞了，SensorManager提供getRotationMatrix（），獲得轉動的矩陣，并進一步通過getOrientation（）獲得方位矩陣。Android還有方位傳感器（orientation Sensors），不是物理實體，而是通過acceleration傳感器和磁場感應器來獲取方位，而在Android2.2開始方位傳感器就被deprecated了。

設備擺放情況通過azimuth、pitch和roll來表示。

azimuth即方位角，就是手機方向和正北的夾角，百度百科這樣描述方位角：是從某點的指北方向線起，依順時針方向到目標方向線之間的水平夾角。pitch和roll可能是引用了航天的術語。azimuth，pitch和roll分別是z軸、X軸和Y軸的旋轉角度。

老方法采用orientation傳感器，azimuth從0~360。pitch是在x軸方向的轉動角度，其實就是Y軸和水平面的仰角，范圍為-180~180，正的為朝下（手機頭低于水平面），負的為朝上，pitch的方向逆時針為正。roll是Y軸防線的轉動角度，實際就是X軸和水平面的角度，范圍在-90~90，同樣逆時針為正，右軸高于左軸時為正，右軸高于左軸時為負。

新的方法，azimuth的范圍是-180~180，當然我們可以進行適當的處理，如果小于零，則加360，這樣就可以和orientation的得到的值一樣。需要注意的是pitch的范圍是-90~90，機頭上翹為負；roll的范圍是-180~180，和老方法相反，右軸高時為負。

這兩種方式的數值可能會使人有些迷糊，我們在使用之前先查文檔弄清楚就是了。我曾經有個疑惑為何有兩個數值的范圍是360度，其中一個數值只有180度。想想球面就知道了，以地球儀為例，經度范圍是360°，維度范圍是180°，就可以確定球面上的任何一點，以球心到該點假設是手機中軸線，還有一個圍繞Y軸360°轉的角度的第三維，這就可以確定所有的排放方式。

小例子

下面小例子我們將同時展現新舊兩種方式。

public class VirtualJax extends Activity implements SensorEventListener{

。 。 //注冊和注銷傳感器監聽器，本例涉及三個傳感器（加速度傳感器、地磁傳感器和方位傳感器），可以用sensorManager.unregister（this）注銷監聽器所涉及的全部傳感器。

private Sensor accelSensor = null， compassSensor = null， orientSensor = null;

private float［］ accelValues = new float［3］， compassValues = new float［3］，orientValues = new float［3］；

private boolean ready = false; //檢查傳感器是否正常工作，即是否同時具有加速傳感器和磁場傳感器。

private float［］ inR = new float［9］；

private float［］ inclineMatrix = new float［9］；

private float［］ prefValues = new float［3］；

private double mInclination;

private int count = 1;

@SuppressWarnings（“deprecation”） //因為orientaion已經不再使用，為了不要顯示warning，加上此標識

@Override

public void onSensorChanged（SensorEvent event） {

//【1】將相關傳感器的數值分別讀入accelValues，compassValues（磁力感應器的數值）和orientValues數組中

switch（event.sensor.getType（））{

case Sensor.TYPE_ACCELEROMETER：

for（int i = 0 ; i 《 3 ; i ）{

accelValues［i］ = event.values［i］；

}

if（compassValues［0］ ！= 0） //如果accelerator和magnetic傳感器都有數值，設置為真

ready = true;

break;

case Sensor.TYPE_MAGNETIC_FIELD：

for（int i = 0 ; i 《 3 ; i ）{

compassValues［i］ = event.values［i］；

}

if（accelValues［2］ ！= 0） //檢查accelerator和magnetic傳感器都有數值，只是換一個軸向檢查

ready = true;

break;

case Sensor.TYPE_ORIENTATION：

for（int i = 0 ; i 《 3 ; i ）{

orientValues［i］ = event.values［i］；

}

break;

}

if（！ready）

return;

//【2】根據加速傳感器的數值accelValues［3］和磁力感應器的數值compassValues［3］，進行矩陣計算，獲得方位

//【2.1】計算rotation matrix R（inR）和inclination matrix I（inclineMatrix）

if（SensorManager.getRotationMatrix（inR， inclineMatrix， accelValues， compassValues））{

/* 【2.2】根據rotation matrix計算設備的方位。，范圍數組：

values［0］： azimuth， rotation around the Z axis.

values［1］： pitch， rotation around the X axis.

values［2］： roll， rotation around the Y axis.*/

SensorManager.getOrientation（inR， prefValues）；

//【2.2】根據inclination matrix計算磁仰角，地球表面任一點的地磁場總強度的矢量方向與水平面的夾角。

mInclination = SensorManager.getInclination（inclineMatrix）；

//【3】顯示測量值

if（count % 100 == 0）{

doUpdate（null）；

count = 1;

}

}else{

Toast.makeText（this， “無法獲得矩陣（SensorManager.getRotationMatrix）”， Toast.LENGTH_LONG）；

finish（）；

}

}

//【3】顯示測量值

public void doUpdate（View v）{

if（！ready）

return;

//preValues［0］是方位角，單位是弧度，范圍是-pi到pi，通過Math.toDegrees（）轉換為角度

float mAzimuth = （float）Math.toDegrees（prefValues［0］）；

/*//糾正為orientation的數值。

* if（mAzimuth 《 0）

mAzimuth = 360.0;*/

String msg = String.format（“推薦方式：\n方位角：%7.3f\npitch： %7.3f\nroll： %7.3f\n地磁仰角：%7.3f\n”，

mAzimuth，Math.toDegrees（prefValues［1］），Math.toDegrees（prefValues［2］），

Math.toDegrees（mInclination））；

nowOne.setText（msg）；

msg = String.format（“老方式：\n方位角：%7.3f\npitch： %7.3f\nroll： %7.3f”，

orientValues［0］，orientValues［1］，orientValues［2］）；

oldOne.setText（msg）；

}

}