磁通门传感器原理 磁通门电流传感器构成及工作原理
磁通门电流传感器构成及工作原理
磁通门传感器是利用被测磁声中高导磁率磁芯的饱和激励下，其磁感应强度与磁场的非线性关系来测量弱磁场的。这种物理现象对被测环境磁场来说好像是一道“门”，通过这道“门”，相应的磁通量即被调制，并产生感应电动势。利用这种现象来测量电流所产生的磁场，从而间接的达到测量电流的目的。
图1：磁通门绕组结构图
图1：磁通门绕组结构图
下面本文以结构简单并且应用较广泛的一种单绕组通门进行介绍。如图1所示：环形磁芯上绕有线圈，此绕组即作为激励组又作为测量绕组，所测电流从磁环中间穿过。
图2：普通磁环B-H曲线
图2：普通磁环B-H曲线
一般磁性材料都有S形状曲线的特性，称之这磁滞回路（hysteresis loop），如图2所示。此磁滞回路曲线建立在B-H的坐标轴上，为磁性材料遭受完全磁化与非磁化周期，图示为典型磁滞曲线的铁心，如果曲线由a点形如，此点表示最大正磁化力，至B点磁化为零，然后下降至c点为最大负磁化力，再至d点磁化力为零，最后返回最大正磁化力的a点，此即为整个磁性周期。高导磁率、低矫顽力磁芯的磁滞回线如图3所示。
图3：高u磁环的B-H曲线
图3：高u磁环的B-H曲线
当我们在磁环导线中加入电流分量后，电流所产生的磁场会使原本对称的B-H磁滞回线改变中心线变成如图4所示形状。
图4：加入直流的高u磁环B-H曲线
图4：加入直流的高u磁环B-H曲线
假设激励磁场强度为：Hmcosωt，就能得到磁芯上的总磁场强度为：
式中：
H0——为导线电流在环形磁芯上的磁场强度；
Hm——为激励磁场强度幅值；
ω——为激励场角频率。
则线圈中的电动势：
式中：
N——为绕组线圈匝数；
S——为环形磁芯物质的微分磁导率。
uTd——为磁芯物质的微分磁导率。
根据磁饱和特性，当H0=0时，H(t)=Hm cosωt,在磁饱和作用下磁感应强度为：
式中：Ba为磁化曲线饱和段延长线在B轴上的截距，显然，B(t)是对时间轴上下对称的平顶波，根据傅里叶级数分析，它只含奇次谐不含偶次谐波。
当外磁场H0≠0时，H(t)=H0+Hm cosωt，B(t)的表达式为：
这时，B(t)成为上下不对称的平顶波，根据傅里叶级数分析可知，它不仅含有奇次谐波还含有偶次谐波。而由式2可知，E(t)和B(t)应含有相似的波形成分，因此，可以根据E(t)在激励周期内的振幅的上下不对称来检测外电流所产生的磁场B0，从而达到测量电流的目的。
整个过程可以概括为：当磁通门式电流传感器工作时，激励线圈中加载一固定频率、固定波形的交变电流进行激励，使磁芯往复化达到饱和。在不存在外在电流所产生的被测磁产时，则检测线圈输出的感应电动势只含有激励波形的奇次谐波，波形正负上下对称。当存在直流外在被测磁场时，则磁芯中同时存在直流磁场和激励交变磁场，直流被测磁场在前半周期内促使激励场使磁芯提前达到饱和，而在另外半个周期内使磁芯延迟饱和。因此，造成激励周期内正负半周不对称，从而使输出电压曲线中出现振幅差。该振幅差与被测电流所产生的磁场成正比，因此可以利用振幅差来检测磁环中所通过的电流。
图5：磁通门电流传感器系统构成框图
图5：磁通门电流传感器系统构成框图
电流传感器的系统框图5所示。电流所产生的磁场在磁通门探头内经激励信号调制后，通过峰值检波和积分滤波电路产生有用的电压信号，然后经反馈，使电流传感器工作在零磁通状态。
霍尔效应传感器和磁通门传感器的工作原理解析
在汽车领域中，磁传感器是一种看不见但又不可或缺的技术，它能使从转弯信号到点火定时的一切都成为可能。
在您的汽车里，这些小小的传感器件可能多达70个，它们默默地执行被赋予的各种功能，让您可以顺利地从目的地A移动到目的地B。
“和其它很多用来维系现代生产生活正常运转的半导体器件一样，用户是看不见磁传感器的，但对于那些我们早已习以为常的许多功能而言，它却扮演着举足轻重的角色。”工艺开发经理 Ricky Jackson说道。
海量应用磁传感器无所不在、尺寸小巧且价格合理，可以轻松地和其他电路一同集成到芯片上，因此，磁传感器被人们广泛用于各种应用。
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。
工作原理磁传感器的工作原理是通过将磁场转换成电压或电流信息。由于传感器的内部运行和外部组件不需要实际接触，因此，磁传感器成为汽车和工业环境中降低环境污染的理想之选，同时它还能够减少因组件之间的摩擦而产生的磨损，从而降低设备的维护成本。
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。
新发展德州仪器（TI）可提供一系列与集成霍尔效应或磁通门传感器相关的解决方案。
“我们正在研发各式各样的磁感应技术，并将其集成至半导体工艺中，以开发出各种有趣的新器件。”系统工程师Ross Eisenbeis说道。
对于希望在芯片设计中使用TI传感器的工程师们来说，TI提供了丰富的片上功能和支持。一系列的工具和软件可以协助工程师打造新设计，而工程师们也可以在我们的论坛上交流看法并讨论最佳实践。丰富的在线培训则可以帮助工程师们更充分地利用TI磁传感器的各项特性和优势。
Ross表示，“我们正在开发一系列的新技术，帮助设计工程师更轻松地达成性能和成本目标。同时，我们还可以为他们提供大量便于使用的技术文档。我们的技术专家和IC设计师们也一直都在持续地推动这些技术的发展。”
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