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磁传感器的应用浅析
[发布日期:2018-09-14  点击次数:141]

磁传感器为电流传感、接近传感、线性速率或转动速率传感,以及定向磁异态检测,角度、位置或位移测量等许多传感方面的问题提供了独特的解决方案。了解磁传感器技术背后的概念和它们最合适的应用将有助于帮您决定选择的磁传感器是否是您的最佳应用解决方案。
    磁传感器的应用十分广泛,今天,我们就来掰一掰磁传感器在国民经济、国防建设、科学技术、医疗卫生等各个领域的应用状况。

一、工业上用途广泛在工业应用领域,最流行的磁性传感器类型是电流传感器,包括分流电阻器、霍尔效应集成电路、电流感应变压器、开环与闭环霍尔器件以及磁通门传感器。
    1、电机在无刷电动机中,用磁传感器来作转子磁极位置传感和定子电枢电流换向器,磁传感器中,霍尔器件、威根德器件、磁阻器件等都可以使用,但主要还是以霍尔传感器为主。另外磁传感器还可以对电机进行过载保护及转矩检测;
    交流变频器用于电机调速,节能效果极好;磁编码器的使用正在逐渐取代光编码器来对电机的转速进行检测和控制,例如,在电动车窗之中,传感器可以确定轴转动了多少圈,以控制车窗升降器的行程,传感器也可以探测到人手造成的异常负载情况,提供所谓的“防夹”功能,在碰到物体的时候,电机可以反转;
用于直流电机换向和探测电流的电动助力转向传感器也是一个快速增长的应用,用于代替电动液压型系统。 

2、电力电子技术电力电子表技术是电力技术和电子技术的结合,可实现交直流电流的相互变换,并可在所需的范围内实现电流、电压和频率的自由调节。
    采用这些技术和产品,可做成各种特殊电源(如UPS、高频电源、开关电源、弧焊机逆变电源等)和交流变频器等产品。这些变频装置的核心,是大功率半导体器件。
    以磁传感器为基础的各种电流传感器被用来监测控制和保护这些大功率器件。霍尔电流传感器响应速度快,且依靠磁场和被控电路耦合,不接入主电路,因而功耗低,抗过载能力强,线性好,可靠性高,既可作为大功率器件的过流保护驱动器,又可作为反馈器件,成为自控环路的一个控制环节。
使用变频技术可以大量节能, 我国的变频技术改造,将需求大量的电流传感器,这将是磁传感器的又一巨大的产业性应用领域。 

3、能源管理电网的自动检测系统需采集大量的数据,经计算机处理之后,对电网的运行状况实施监控,并进行负载的分配调节和安全保护。自动监控系统的各个控制环节,是用磁传感器为基础的电流传感器、互感器等来实现。霍尔电流传感器早已在电网系统中得到应用,用霍尔器件作成的电度表可自动计费并可显示功率因数,以便随时进行调整,保证高效用电。

第四代的TMR磁传感器温度稳定性好,对温度不敏感,线性度好,灵敏度高,不需要聚磁,因此采用TMR磁传感器的电流传感器具有体积小,温度特性好,精度高,整体成本低的特点,在智能电表计量领域具有非常重要的优势。在气表和热力表上也有同样的TMR磁传感器的应用。

4、磁信息记录装置

磁信息记录装置除磁带、磁盘等之外,还有磁卡、磁墨水记录帐册、钞票的磁记录等,对磁信息存储和读出传感器有巨大需求。目前,感应磁头,TMR薄膜磁阻磁头,非晶磁头等都获得了大量的使用。随着记录密度的提高,例如高到100G字节,需要更高灵敏度和空间分辨力的磁头。以多层金属薄膜为基础的巨磁阻磁头、用非晶合金丝制作的非晶合金磁头、巨磁阻抗磁头等都被广泛地应用。 

5、交通控制

目前,在加强行车支持道路系统(AHS)、智能运输系统(ITS)和道路交通信息系统(VICS)等的开发与建设中,高灵敏度、高速响应的微型DMR磁传感器大有用武之地。例如,用分辨率可达1nT的SI传感器,可构成ITS传感器(作高速路上的道路标志,测车轮角度,货车接近距离),汽车通过记录仪(测通行方向、速度、车身长度、车种识别)、停车场成批车辆传感器、加速度传感器(测车辆通过时路桥的振动等)等。

利用GMR传感器可放置在公路上探测到车辆大小、位置等数据,用于监控高速公路车流量和停车场车辆停放情况。GMR也可用在公路的收费亭,从而实现收费的自动控制。 
  为了保障动车运行的安全,在动车沿线每隔两公里铺一个磁性传感器,当动车没电的时候信号就可以自动传到调度中心;美国的NVE公司已经把GMR传感器用在车辆的交通控制系统上。
    二、在汽车中的应用无处不在

磁传感器在汽车上的应用尤其普遍,例如包括汽车安全、汽车舒适性、汽车节能降耗等。它在汽车中主要被用于车速、倾角、角度、距离、接近、位置等参数检测以及导航、定位等方面的应用,比如车速测量、踏板位置、变速箱位置、电机旋转、助力扭矩测量、曲轴位置、倾角测量、电子导航、防抱死检测、泊车定位、安全气囊与太阳能板中的缺陷检测、座椅位置记忆、改善导航系统的航向分辨率。

当一块磁铁固定在转动轮子的边沿而GMR磁阻传感器固定在轮子的旁边并保持一定的距离时,磁铁随轮子而转动,轮子转动一圈,就会产生一个电压脉冲输出。这类基本轮转速感测、扭矩感测应用大量使用在汽车刹车系统(ABS)和助力转向(EPS)系统上。
    霍尔开关器件无触点、无磨损、输出波形清晰、无抖动、无回跳、位置重复精度高,工作温度范围宽,可达-55℃~150℃。开关型霍尔传感经过一次磁场强度的变化,则完成了一次开关动作,输出数字信号,可以计算汽车或机器转速、ABS系统中的速度传感器、汽车速度表和里程表、机车的自动门开关、无刷直流电动机、汽车点火系统等。
    在节能降耗中, 磁传感器的应用能够让马达控制或换向更加精确。此外,汽车电子线控节气门系统和电池监测、智能电扇等都有着磁传感器的身影。
在混合动力电动汽车中,磁传感器用于监控辅助电机逆变器。逆变器用于把电池直流电转换成电机的交流电。这种转换需要使用三个电流传感器,电机的每个相位都需要一个。
    高级汽车也需要使用霍尔IC和AMR传感器。中低档轿车中有10多种电机,如风扇冷却、交流发电机以及风挡雨刷;豪华轿车拥有将近100个电机,其中包括用于空调送风机、电子转向与油门控制的传感器,用于自动化与新型双离合系统的传动传感器,以及用于座位位置调整、天窗、转速表、前灯位置调整、靠枕的传感器,甚至用于根据空气质量信息来控制进气风门。
    另外,TMR磁传感器具备优异的温度稳定性、极高的灵敏度、极低的本底噪声、超低功耗、高分辨率、较大的动态范围、更小的尺寸等特点,可以说其它磁传感器是无法比拟的。在要求苛刻的汽车电子领域,TMR磁阻传感器将更会受到青睐!
    三、在医疗领域应用中发挥关键作用辅助健康和监护的医疗技术正变得愈发重要。医疗传感器的应用提高了自动化程度和精确度 。磁性传感器在医疗领域中以各种方式辅助病人护理和监控。无论是在手术过程中,重症监护室,医院复健护理,还是在家庭护理方面,都提供了有效的应用方案。 使用换向传感器在医疗设备之中用于电机控制,比如呼吸机、输液、胰岛素和肾脏透析机等方面的应用;电磁编码器霍尔传感器用于注射泵中检测流速以确定注射器是否为空和注射器是否堵塞的(应用于监测血液再造系统、自动血样分析系统)。
    将细胞、蛋白质、抗体、病原体、病毒、DNA等用纳米级的磁性小颗粒来标记,也就是磁化这些被探测的对象,再用高灵敏度的GMR磁阻传感器来探测它们的具体位置。这种应用方式在医学及临床分析、DNA分析、环境污染监测有非常重要意义。
    基于TMR效应的自旋阀生物磁传感器与传统电化学分析、压电晶体检测方法相比具有精度高、体积小的优势,主要用于病变部位的非接触式探测、室温心磁图检测、生物分子识别分析等。
磁性传感器还可用于准备样本的简单离心机,它用来帮助控制小型电机,使其变得更加安静和可靠。在助听器领域,应用了巨磁阻传感器IC (GMR)与霍尔及簧片。
    四、在电子消费领域市场诱人随着消费电子在全球的风靡,磁传感器在消费电子中的应用表现也十分强劲。例如手机、笔记本电脑、电子玩具、电子罗盘等中都有着非常广泛的应用。
    GMR传感器的首次商业应用,是由IBM公司投放市场的硬盘数据读取探头。到目前为止,巨磁阻技术已经成为全世界几乎所有电脑、数码相机、MP3播放器的标准技术。

MEMS传感器与磁传感器在应用中互相促进,推动磁传感器在消费电子产品应用的逐步增长。虽然磁阻传感器发展历程已经很漫长,技术相对成熟,但仅作为电子罗盘的单独应用,在以前并不被人们很看好,而现在它与MEMS技术的结合,在导航市场成为一个亮点。如果把陀螺仪、加速度和磁传感器三种传感器集成在一起,三者在功能上互相辅助,还能实现9轴组合传感器,则构成了功能更强大的惯性导航产品。

在多轴测量电子罗盘中,磁传感器担当着重要部件的角色。而目前具备GPS系统的手机与平板电脑都会采取多轴测量电子罗盘做为标配,这也让磁传感器在无形之中搭上了消费电子的快车。目前磁传感器在消费电子中的应用,还让游戏控制器、笔记本、数码相机等具有了地理标签功能。
    五、在航空、航天、卫星通信及军事工业大显身手高灵敏度和探测弱磁场的GMR磁阻传感器可以用在航空、航天及卫星通信技术上。大家知道,在军事工业中随着吸波技术的发展,军事物件可以通过覆盖一层吸波材料而隐蔽,但是它们无论如何都会产生磁场,因此通过GMR磁阻传感器就可以把隐蔽的物体找出来。
    GMR磁阻传感器可以应用在卫星上,用来探测地球表面上的物体和底下的矿藏分布。电子罗盘在武器/导弹导航(航位推测),航海和航空的高性能导航设备中功不可没。
    如果在水雷或地雷上安装磁传感器,由于坦克或者军舰都是钢铁制造的,在它们接近(无须接触目标)时,传感器就可以探测到磁场的变化使水雷或地雷爆炸,提高了杀伤力。
    美国海军于20世纪80年代初开始研制Terfenol-D水下声纳,由永磁体产生偏磁场,螺线管产生交流磁场,随着磁场的变化环就膨胀收缩将声波发射出去,利用水声传播特性对水中目标进行传感探测,用于搜索、测定、识别和跟踪潜艇和其他水中目标,进行水声对抗,水下战术通信、导航和武器制导、保障舰艇、反潜飞机的战术机动和水中武器的使用等。
    六、在环境监测中的应用前景广阔环境保护的前提是对各个环境参数(温度、气压、大气成份、噪声…….)的监测,这里需要使用多种大量的传感器。采用强磁致伸缩非晶磁弹微型磁传感器和感应式磁传感器,可以同时测量真空或密闭空间的温度和气压,而且不用接插件,可以遥测和远距离访问。在食品包装、环境科学实验等方面,应用前景也很广阔。  

七、在其它工业应用方面也引人关注在其它工业应用方面,磁性传感器可用于电脑服务器等机器的不间断电源(UPS)、焊接系统、机器人技术、火车运输基础设施、非道路车辆和叉车。
    DMR传感器的微小位移测量:利用永磁铁作为参照物,参照物相对于磁传感器的运动可等效为器件在均匀梯度的磁场中的移动,因此磁场传感器的输出则反映着磁场传感器或永磁铁的位移量。这种应用可以在机器人手臂控制,机床加工精度控制等。
    各向异性AMR磁阻传感器可以用来辨别埋藏物质。磁阻传感器利用薄膜合金遇到磁场会产生磁阻值变化的性质,当电桥遇到不同强度的磁场时会产生不同的电压输出,将磁性信号转变为电信号。在城市路政施工中,避免了打漏地下管线,进而造成漏水、漏气、停电等事故。
    工业控制领域中,TMR磁传感器可用于电流传感器和接近开关。霍尔电流传感器灵敏度低,需要通过铁磁材料的磁聚效应来提高精度。TMR磁传感器不需要铁磁材料,能减少电流传感器体积,降低成本。接近开关上,由于霍尔传感器信号范围小,灵敏度低,对于长距离不敏感, 用TMR磁传感器做成的接近开关可以应用在长距离检测和特殊环境的测速。
    在大型变频电机等电流较高的应用中,开环与闭环霍尔传感器在一个小型封装中使用霍尔效应IC;也可以提高集成度,在封装中包含一个专用集成电路。霍尔IC同样用于工业洗衣机变频器控制应用之中。除了电流传感器,独立霍尔效应IC或磁阻传感器开关也存在规模一定的市场,这些器件用于电机整流,以降低纹波和改善性能,或者用于位置测量等。

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