磁传感器应用 技术文章—磁传感器在IoT领域中的应用
技术文章—磁传感器在IoT领域中的应用
无线技术的进步导致了低成本、低功耗、SoC(芯片上的系统)支持——支持大量的无线协议，如蓝牙，Zigbee, Z-Wave和ANT+。有了这些SoC，开发人员可以围绕家庭、企业、工厂和环境设计设备——以及安装或植入人体和动物体内的设备——这些设备可以通过互联网感知环境和交流。这些设备通常被称为物联网(IoT)设备。这类物联网设备中常用的三种磁传感器是TMR(隧穿磁阻传感器)、裸簧开关和霍尔传感器。设备设计者在了解这三种传感器的特点后，可以根据实际情况选择最优方案。
磁性传感器在物联网设备中扮演着重要的角色，让我们来看看一些例子。近距离感应是磁传感器非常普遍的应用。典型的例子是通常在家庭安全系统中安装的门窗传感器(图一)，传感器安装在门或窗边框或外壳上，一个磁性装置安装在靠近传感器的门或窗扇上。当门或窗打开时，传感器检测到磁场和无线通讯的状态以达到安全系统的要求。
图一：家庭安全系统
磁性传感器也可以用来计算车轮和仪表的转动。在工厂装置中，测量液体流量的流量计，如图二所示，通常采用磁传感器来感应推动器的转动。在自行车上，磁传感器计算车轮和曲轴的转动。磁性传感器也可以用来测量液位使用磁性浮子和一系列传感器，可以“感知”浮子随着液位的移动。所有这些应用程序都利用固定表面上的磁性传感器，并与附近表面上相对于传感器移动的磁铁一起工作。
图二： 磁传感器在计量中的应用
通常情况物联网设备需要一个模式选择拨盘或面板，允许用户手动选择适当的模式或电平设置。传统的实现方法是使用机电触点，当拨号盘旋转时开关触点。然而，随着时间的推移，电气工程师们已经发现，机电触点容易失效。可以用一种非接触式设计来替代，这种设计在每个模式位置使用磁性传感器，并使用一块磁铁旋转来激活传感器。
最后，一个越来越普遍的磁传感器应用是触发“通电”功能。特别是对于密封的、小电池驱动的物联网设备，设计者需要一种方法来保持设备处于“断电”或“休眠”模式，直到使用者开始使用设备。很好的例子是可穿戴式连续血糖仪，用于测量和传达身体血糖水平给患者、医生和胰岛素泵(图三)。
图三：可穿戴式连续血糖仪
机械开关和电池的“标签”可以使设备断电，但是当设备处于恶劣环境中，会对设备造成影响。一种较好的方法是在密封装置内部使用磁性传感器，并在装置外部加上一个小磁铁，通常嵌入在装置的保护包装中。这样，当设备从包中取出时，也就意味着设备远离磁场，此时传感器输出改变，高低电平的转换即可让电路从“关断”到“打开”设备。这种方法不仅节约了电池的电量，它还为用户提供“即时”或“开箱即用的体验”。
所有这些磁性传感器功能的重要考虑因素包括功率消耗、灵敏度、输出响应选项、尺寸、可靠性和成本。几种常见的磁性传感器选项，每种都有其在物联网设备方面的优缺点。
干簧管
最简单的磁性传感器是干簧管。簧片开关是由两个黑色金属“簧片”组成的机电装置把它拉到导线上，用玻璃管包起来。磁场将两个簧片拉在一起闭合电路。簧片开关通常用于各种物联网设备，最引人注目用于安全系统、仪表和植入式医疗设备的门窗传感器。簧片开关最大的优点是它们是零功耗的无源器件。簧片开关还具有简单、便宜、灵敏度范围有限的优点。然而，簧片开关有几个重要的限制。簧片开关的限制条件之一是尺寸。最常见的簧片开关长度为10mm，这对于一些物联网设备来说是可以接受的，但对于许多需要传感器尺寸小于1mm平方范围的可穿戴和可植入设备来说就不太合适了。更小的簧片开关是可用的，(低至5mm长度)，但它们非常昂贵，很难获得。簧片开关也可能有较差的可靠性，由于其机械性质和固有的脆性玻璃管设计。过模制的簧片开关通过保护玻璃管和管外导线周围的密封提高了可靠性，但这增加了成本，也增加了尺寸。
霍尔效应传感器
另一种经受住了时间考验的磁传感器是霍尔效应传感器。霍尔效应是在导体上产生的电压差(霍尔电压)，它与导体中的电流和垂直于电流的外加磁场是横向的。霍尔效应传感器是一种固态CMOS技术，具有体积小、可靠性高、成本低等优点。霍尔传感器最大的缺点是它们的电流消耗。大多数霍尔效应传感器的电流超过几微安，这对许多电池驱动的物联网设备来说是一个问题。
磁阻传感器
最后一类磁传感器是磁阻传感器。基于导体的电阻在磁场中会发生变化的原理，不同的磁阻技术被发展成为磁阻传感器的基础。虽然所有这些传感器都具有固态集成电路、体积小、成本低和可靠性高的优点，但隧穿磁阻传感器提供了最高灵敏度和最低功耗的组合。TMR传感器的功耗低至200nA。此外，TMR传感器是所有MR传感器中最敏感的，相当于最敏感的簧片开关的灵敏度。高灵敏度的传感器可以使用更小、更便宜的磁铁或更长的激活距离。表一总结了簧片开关、霍尔传感器和TMR传感器的相对优缺点。在功耗、开关频率、可靠性、灵敏度、尺寸、抗噪性和成本等方面，TMR传感器都超过了其他磁敏技术。
表一： 干簧管/HALL/TMR传感器比较
一旦为您的需求选择了最佳的传感器技术，仍然需要决定哪些传感器输出、传感器极性响应、传感频率和磁灵敏度适合您的应用。接下来是设计磁性子系统的挑战。(确定传感器的方向，磁铁的位置，以及磁铁的尺寸和类型，以满足操作要求和限制成本)。大多数电气和机械产品设计工程师没有经验、知识或工具来正确设计和验证磁敏设计。在这种情况下，这些物联网设备设计者应该选择磁传感器供应商，他们提供专门的应用工程支持、知识和工具来帮助进行磁感设计过程。
“物联网”可能是一个行业流行语，但它是一个真实的趋势，正影响着我们世界各地的许多不同应用程序。虽然磁性传感器提供了支持物联网世界中改变生活的设备的技术，但设备设计师必须了解不同类型的好处，以便为他们的设计选择正确的解决方案。
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解析：磁传感器及其应用
磁性传感器是一种可检测磁铁，以及电流产生的磁场或地磁场的强度和方向的传感器。磁场存在于我们身边，只是用肉眼看不见它，但我们可以借助磁性传感器来检测出它。虽然都叫做磁传感器，但是其实包含许多种类。
下面，我们介绍几种具代表性的磁性传感器及其各自的特点。
线圈
线圈是在众多磁性传感器中，最简单的一种磁性传感器。线圈可以检测出磁通量的变化。
如图1所示，当把磁铁靠近线圈时，线圈内磁通量⊿B增加。于是，在阻碍线圈磁通量增加的方向产生一个像磁通一样的诱导电动势/诱导电流。相反，当把此磁铁远离线圈时，因为线圈内的磁通量减少，线圈在使磁通量增加的方向生成一个诱导电动势/诱导电流。然而，当磁铁保持不动时，因为没有改变磁通量，所以不会产生诱导电动势/诱导电流。
因为线圈结构简单，所以它的特点是不易损坏。但因为线圈的输出电压依存于磁通量的变化速度，所以线圈无法用于检测磁通量变化缓慢的情况，或判断是否有固定的磁铁。
干簧管
是左右两片呈交迭状且间隔一小段空隙的金属片（簧片）密封于一玻璃管中的传感器。 当有外部磁场靠近时，管内的两个簧片被磁化而互相吸引接触，簧片就会吸合在一起，使结点所接的电路连通。
霍尔元件
霍尔元件是利用霍尔效应制作而成的元件，英文拼写为Hall。Hall的由来是源于发现霍尔效应的霍尔博士的名字。 霍尔效应是指，当在电流的流动方向施加一个垂直于电流的磁场时，垂直于电流和磁感线的方向会产生一个电势差的现象。
当电流通过半导体薄膜时，根据霍尔效应，会产生与磁通量密度和其方向相对应的电压。 这种基于霍尔效应制作而成的，检测磁场的元件叫做霍尔元件。(N型半导体霍尔元件的原理图如图3所示)
即使是磁通量没有变化的静态磁场，霍尔元件也可以检测出其有无，所以霍尔元件被应用于多种用途，例如与磁铁配套使用的非接触式开关，角度传感器，电流传感器等。采用霍尔元件的地磁传感器被广泛应用于智能手机等领域。
磁阻元件
磁阻元件是用一种在外施磁场的作用下可以改变其自身阻值的材料制作而成的元件。
磁阻元件共分为四种，除了半导体磁阻元件（SMR元件）之外，还包括有用强磁体薄膜生成的各向异性磁阻（AMR Anisotropic Magneto Resistive），巨磁阻（GMR Giant Magneto Resistive)，和隧道磁阻（TMR Tunnel Magneto Resistive)。
相对，霍尔元件是测量由洛伦兹力而产生电动势的传感器，半导体磁阻元件是利用由洛伦兹力而产生阻值变化的传感器。
磁传感器应用
磁传感技术在机器人和工厂自动化中的优势尤其明显。由于磁传感器在零件位置和速度检测方面具有更高的可靠性和精密度，因此，它对运动控制而言至关重要。这一优势也让机器手臂和其它部件能够平稳而准确地移动，从而确保高质量和高安全性的制造过程。
除汽车外，磁传感器还大量用于如洗衣机和微波炉等家用电器中，以检测机器的门是处于关闭还是打开状态。磁传感器还被广泛用于医疗器械中，例如，当应用于助听器时，它能够检测佩戴者是否携带了手机，然后更改至相应的模式，以帮助佩戴者能够更清楚地听到来电。此外，它还常被用于电梯中的楼层检测以及检测例如平板电脑或手机等手持设备是处于打开还是关闭的状态。
磁传感器有多种多样的功能，但要特别指出的是，其中有两种功能的传感器可以被广泛集成到其它电路，那就是霍尔效应传感器和磁通门传感器。
霍尔效应传感器能够可靠地在各种电磁环境中运行，倍受制造商的推崇与喜爱。常见的应用包括油量表，主要用于检测油箱中的浮子，同时它也可用于无刷电机，检测转子位置并对电流进行计时。当磁传感器与其它电路集成时，制造过程无需特殊材料或进行特殊处理，有助于降低设计成本。
与霍尔效应传感器相比，磁通门传感器则更加敏感，它能够检测到磁场中非常细微的变化。磁通门传感器常用的应用包括轮船和飞机的电子罗盘以及地质学家用于检测地下结构的仪器。
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