常见磁场传感器-原理、特性及应用

一、关于磁感应强度和磁场强度的单位

磁感应强度（又称磁通量密度）的单位为特斯拉（tesla），符号为T。在1960年巴黎召开的国际计量大会上此单位被命名，以纪念在电磁学领域做出重要贡献的美籍塞尔维亚发明家、电子工程师尼古拉·特斯拉。

1 T = 1 V· s·m = 1 kg·s·A = 1 N·A · m = 1 Wb·m

在厘米克秒(CGS)单位制中，磁感应强度的单位为高斯（gauss），为纪念德国数学家约翰·卡尔·弗里德里希·高斯而命名。常用符号G或Gs表示。 换算关系

1Gs=1×10 T。

例如，在外太空，磁感应强度在0.1到10 nT之间；一个冰箱贴的磁感应强度约10Gs；实验室中产生的最强瞬间磁场记录为80T；最强的人造磁场是2800T（爆炸产生）。

2. 磁场强度 H - magnetic field strength

国际单位制中磁场强度的单位为A/m。在CGS单位制中的对应单位为奥斯特（oersted），符号为Oe。1930年，国际电工委员会为了纪念丹麦物理学者汉斯·奥斯特而命名。换算关系

1Oe=1000/4π≈79.5774715 A/m。

磁场强度H的单位奥斯特与磁感应强度B的单位高斯密切相关。在磁导率为的介质里，

在真空中，1Oe=1Gs。地球磁场的强度约0.1-1Gs或nT。

二、磁场传感器分类

按照能探测的磁场大小或者灵敏度高低，磁场传感器可以分为如下几类：

1.低灵敏度磁力计 (B > 1 Gs or nT)

测量比地磁强的磁场。工业应用较广，如非接触开关、电流测量、磁存储读取等。最常用传感器包括探测线圈、霍尔效应传感器、磁致伸缩磁力计等。

2. 中 灵敏度磁力计 (Gs~1 Gs)

测量地磁量级的磁场，测量永久偶极子（permanent dipole）引起的地磁方向或强度的扰动。主要应用包括磁罗盘、导航，军火探测、探矿、交通控制等。最常用传感器包括探测线圈、磁通门计、磁阻磁力计等。地磁因太阳、地质、潮汐等影响波动在1/10百万~1/10000，近似呈1/f关系。地磁波动噪声是该类传感器性能的主要影响因素。

3.高灵敏度磁力计 （B <Gs or 1nT）

用于弱磁探测，测量磁场梯度或永久偶极矩（permanent dipole moment）引起的磁场变化量。如脑功能图谱测绘，磁异常探测（MAD如远距离探测导弹、舰船、坦克、飞行器等引起的磁异常）等。最常用传感器包括SQUID梯度计（gradiometer）、光泵磁力计等。

4.医学/生物磁力计

磁场传感器也可用于医学生物领域，该类别不是按照探测强度划分出来的。例如用微磁珠作为磁标签，用于DNA核酸杂交的分析。SQUID用于脑磁检测等。

三、常见磁场传感器原理及应用

（一）矢量探测器（vectro magnetometer）：

矢量磁场传感器对磁通量敏感（Flux sensitive）， 能同时探测磁场大小和方向。

1. 探测线圈 - Search-coil magnetometer

2.磁通门计 - Fluxgate magnetometer

3.超导量子磁力计 - SQUID（Superconductor QUantum Interference Device）

SQUID是目前最灵敏的低频磁场探测器

4.迈斯纳效应磁力计 - Meissner effect magnetometer

5.霍尔效应传感器 - Hall effect sensor

6.磁阻磁力计 - Magnetoresistive magnetometers

(1) 异向磁阻传感器 - Anisotropic magnetoresistance （AMR）sensor

(2) 巨磁阻传感器 - Giant magnetoresistance (GMR) sensor

(3) 磁隧道结传感器 - Magnetic tunnel junction (MTJ) sensor

(4) 异常磁电阻效应传感器 - Extraordianry magnetoresistanc sensor

7.自旋阀晶体管 - Spin-valve transistor

8.巨磁阻抗传感器 - Giant magnetoimpedance (GMI) magnetic sensor

9.磁二极管 - Magnetodiode

10.磁晶体管 - Magnetotransistor

11.磁致伸缩磁力计 - Magnetostrictive magnetometers

(1) 光纤磁场传感器 - Fiber-optic magnetometers

(2) 磁电传感器 - Magnetoelectric sensor

12. 磁光传感器 - Magnetooptical sensor

13.MEMS磁力计 - MEMS based magnetometers

（二）标量/总场探测器(scalar/total field magnetometer)

标量探测器对磁场大小敏感（Field sensitive）， 仅探测磁场大小，不能分辨方向。优点是不受探测器方向、晃动等影响。基本原理是利用某些电子或原子核自旋能级能量差随磁场而变（如塞曼效应）来实现测量。要获得高的灵敏度，需要与原子的长寿命、窄带能级谐振，因此10Hz以上传感器的灵敏度会急剧下降。

1.光泵磁力计 - Optically pumped magnetometer

工作原理： 利用铯/铷/钾等碱金属元素气体的塞曼效应工作。以单价铯原子为例，光泵磁力计利用它的三个能态：一个高能态和两个非常接近的低能态。两低能态间的能量差对应一条射频/微波频率的谱线，而两低能态与高能态间的跃迁均对应一条光谱线。两低能态的能量差源于电子自旋的取向不同。电子自旋方向只有两个选择：平行/垂轴于外磁场方向，两者所需能量不同，二者差一个自旋角动量量子单位。所选高能态的特殊之处在于，它与两个低能态中的一个具有相同的自旋角动量。用圆偏振光泵浦含铯原子的气体，初始状态下气体中原子的电子在两个低能态都有分布。当原子吸收圆偏光的光子后，它们的角动量改变一个单位。这样，处于与高能态相差一个单位角动量的能态的电子会吸收光子，而与高能态角动量相同的电子则不吸收光子。探测器探测到的光束因吸收而衰减。高能态的电子会迅速地跃迁到下面的某个低能态能级。电子每次跃迁都有一定的几率回到不吸收光子的那个能态。经过足够的时间，几乎所有电子都会转换到这个能态，气体对光的吸收下降。即，气体经过充分泵浦后变得对入射光透明。如果沿平行于光路的方向施加一个合适频率（Larmor frequency）的射频电场，电子的自旋角动量会发生反转。这相当于射频场使电子从一个低能态穿梭到了另一个低能态，消除了光泵的作用，气体重新开始对光有吸收。射频和光的相互作用产生一种特殊的尖峰振荡，光泵磁力计就是基于这种振荡来实现对磁场测量的。

使电子自旋反转的能量，即射频电场的频率，与磁场强度有关（因塞曼效应磁场会影响两个低能态的能量差）。在磁力计中，用一个反馈电路来控制射频频率使光的透过率最低。该频率反映了磁场的大小。[5-6]

探测能力 ：灵敏度和动态范围受检测电路制约。700kHz/Gs (cesium), 2.8MHz/Gs(helium). 10-1Gs or nT。通过消除自旋交叉驰豫，灵敏度甚至可以做到10fT或nT/Hz-1/2[7]。

特点：光泵磁力计测的是总磁场，与磁场方向无关；体积大、造价高、功耗大（几W）；自旋驰豫时间长所以吸收线窄，使得灵敏度较高，但也因此限制了频率响应特性；某些方向存在死区（可通过采用多个相对泵浦光不同取向的sensor来消除）；传感器本身的磁特征可以做到非常低。目前主要受限于价格和碱气瓶体积。

应用：水下排雷

2.核进动磁力计 - Nuclear-precession magnetometer

工作原理： 原子矩和原子核矩的大小取决于波尔磁子eh/(2πm)，e为电子电量，h为普朗克常数，m是质量。因为原子核比电子质量大得多，所以核磁矩（nuclear magnetic moment）远小于电矩（electronic moment）。通过一个通电线圈产生的磁场，可以使某些碳氢化合物液体（如苯）中的质子暂时沿磁场排列。撤去线圈中的电流后，质子在外磁场作用下开始进动，偏离恒定磁场（待测）的质子自旋轴（好比陀螺仪轴向偏离地球磁场）绕平行于场方向的直线作圆周运动。该院周运动的速率（称为进动频率）与磁场强度成正比。所以，撤去电流后质子进动在线圈中会产生一个信号，其频率与待测磁场强度有关。也可利用光泵下原子核自选来实现磁场检测。比如氦的同位素H3, 经光泵后，其原子核的进动频率也可以用线圈捕获。因驰豫时间很长，这种传感器仅需在激发自旋时的很短时间内有能耗。

探测能力 ：Gs or nT。Gs或nT（光泵原子自旋进动）

3. Overhauser磁力计 - Overhauser magnetometer

工作原理： Overhauser核效应。在核磁共振中，两个（组）不同类型的质子若空间距离较接近，照射其中一个（组）质子会使另一个（组）质子的信号强度增强。这种现象称为核Overhauser效应，简称NOE。1950年伯克利在读研究生Overhouser预言，在某些系统中，通过使电子自旋共振饱和可以将核偏振提高1000倍，该提高源于质子自旋与电子自旋间通过一个汉密尔顿超精细项的相互作用，而该项正比于电子自旋与核自旋之积。Overhouser磁力计中的物质为包含质子和自由基的液体。自由基是包含未配对电子的分子，其电子共振线宽极窄，约1Oe。 应线宽窄，用不大的能量就可以使电子共振饱和，从而提高质子偏振。因质子进动频率正比于磁场强队，因此通过测量该频率可以实现对磁场的测量。

特点： Overhauser磁力计的噪声很低，可达0.015nT/rt Hz @1Hz. 灵敏度比质子进动磁力计搞一个数量级，且无死区。

4.光学原子磁力计 - optical atomic magnetometer

工作原理： 与光泵磁力计类似（光泵磁力计可视为该类的一种），但光学检测。气室通常通入两束光：泵浦光和探测光，也有合二为一的。通过检测探测光的偏振态或光强来解调磁场。偏振探测可检测极小的偏振变化，且可避免光源的光强波动噪声。

特点：目前最灵敏的磁力计是SERF（Spin-exchange relaxiation-free magnetometer）,灵敏度达nT/Hz-1/2，理论极限nT/Hz-1/2[8]

参考文献

[1] J. Lenz and S. Edelstein, "Magnetic sensors and their applications," IEEE Sensors Journal, vol. 6, no. 3, pp. 631-649, 2006.

[2] M. J. caruso, T. Bratland, C. H.Smith, and R. Schneider, "A New Perspective on Magnetic Field Sensing," Sensors, no. pp. 24-36, 1998.

[3] S. Gontarz, P. Szulim, J. Seńko, and J. Dybała, "Use of magnetic monitoring of vehicles for proactive strategy development," Transportation Research Part C: Emerging Technologies, vol. 52, no. pp. 102-115, 2015.

[4] M. Pannetieret al.,“Femtotesla magneticfield measurement with magnetoresistive sensors,” Science, vol. 304, pp. 1648–1650, 2004

[5] W. Happer,“Optical pumping,”Rev. Mod. Phys., vol. 44, pp. 169–249,1972.

[6] D. Budker, W. Gawlik, D. F. Kimball, S. M. Rochester, V. V. Yashchuk, and A. Weis,“Resonant nonlinear magneto-optical effects in atoms,”Rev. Mod. Phys., vol. 74, pp. 1153–1201, 2002

[7] J. C. Allred, R. N. Lyman, T. W. Kornack, and M. V. Romalis,“High sensitivity atomic magnetometer unaffected by spin-exchange relaxation,”Phys. Rev. Lett., vol. 89, pp. 130 801/1–130 801/4, 2002.

[8] Kominis, I. K., Kornack, T. W., Allred, J. C. & Romalis, M. V. A subfemtotesla multichannel atomic

magnetometer. Nature 422,596–599 (2003).

[9] D. Budker and M. Romalis, "Optical magnetometry," Nat Phys, vol. 3, no. 4, pp. 227-234, 2007.

用于工业机器人中的各类传感器，你都知道几种？

在工业自动化领域，机器人需要传感器提供必要的信息，以正确执行相关的操作。一份报告预测，到2021年，全球工业机器人传感器市场将以约8％的复合年增长率（CAGR）稳步增长。对于包括消费者和汽车在内的机器人传感应用，另一份报告明确指出，到2027年，视觉系统将单独成就57亿美元的市场，力传感器市场将超过69亿美元。

下面列出了工业机器人中最常用到的传感器。

二维视觉传感器

二维视觉是一个可以执行从检测运动物体到传输带上的零件定位等多种任务的摄像头。许多智能相机都可以检测零件并协助机器人确定零件的位置，机器人可以根据接收到的信息适当调整其动作。

三维视觉传感器

三维视觉系统必须拥有两个不同角度的摄像机或激光扫描器，用以检测对象的第三维度。例如，零件取放便是利用三维视觉技术检测物体并创建三维图像，分析并选择最好的拾取方式。

力/力矩传感器

如果说视觉传感器给了机器人眼睛，那么力/力矩传感器则给机器人带去了触觉。机器人利用力/力矩传感器感知末端执行器的力度。多数情况下，力/力矩传感器位于机器人和夹具之间，这样，所有反馈到夹具上的力都在机器人的监控之中。有了力/力矩传感器，装配、人工引导、示教、力度限制等应用才得以实现。

碰撞检测传感器

这种传感器有各种不同的形式，其主要应用是为作业人员提供一个安全的工作环境，协作机器人最需要它们。一些传感器可以是某种触觉识别系统，通过柔软的表面感知压力，给机器人发送信号，限制或停止机器人的运动。

一些传感器还可以直接内置在机器人中。有些公司利用加速度计反馈，还有些则使用电流反馈。在这两种情况下，当机器人感知到异常的力度时，便触发紧急停止，从而确保安全。

要想让工业机器人与人进行协作，首先要找出可以保证作业人员安全的方法。这些传感器有各种形式，从摄像头到激光等，目的是告诉机器人周围的状况。有些安全系统可以设置成当有人出现在特定的区域/空间时，机器人会自动减速运行，如果人员继续靠近，机器人则会停止工作。最简单的例子是电梯门上的激光安全传感器。当激光检测到障碍物时，电梯门会立即停止并退回，以避免碰撞。

其它传感器

市场上还有很多的传感器适用于不同的应用。例如焊缝追踪传感器等。

触觉传感器也越来越受欢迎。这类传感器一般安装在抓手上，用来检测和感觉抓取的物体是什么。传感器通常能够检测力度并得出力度分布的情况，从而知道对象的确切位置，让你可以控制抓取的位置和末端执行器的抓取力度。另外还有一些触觉传感器可以检测热量的变化。

视觉和接近传感器类似于自动驾驶车辆所需的传感器，包括摄像头、红外线、声纳、超声波、雷达和激光雷达。某些情况下可以使用多个摄像头，尤其是立体视觉。将这些传感器组合起来使用，机器人便可以确定尺寸，识别物体，并确定其距离。

射频识别（RFID）传感可以提供识别码并允许得到许可的机器人获取其他信息。

麦克风（声学传感器）帮助工业机器人接收语音命令并识别熟悉环境中的异常声音。如果加上压电传感器，还可以识别并消除振动引起的噪声，避免机器人错误理解语音命令。先进的算法甚至可以让机器人了解说话者的情绪。

温度传感是机器人自我诊断的一部分，可用于确定其周遭的环境，避免潜在的有害热源。利用化学、光学和颜色传感器，机器人能够评估、调整和检测其环境中存在的问题。

对于可以走路、跑步甚至跳舞的人形机器人，稳定性是一个主要问题。它们需要与智能手机相同类型的传感器，以便提供机器人的准确位置数据。在这些应用采用了具有3轴加速度计、3轴陀螺仪和3轴磁力计的9自由度（9DOF）传感器或惯性测量单元（IMU）。

传感器是实现软件智能的关键组件，没有传感器，很多复杂的操作就不能实现。它们不仅实现了复杂的操作，同时也保证这些操作在进行的过程中得到良好的控制。

工业机器人避障主要用到哪些传感器？

移动机器人需要通过传感器实时获取周围的障碍物信息，包括尺寸、形状和位置信息，来实现避障。避障使用的传感器有很多种，目前常见的有视觉传感器、激光传感器、红外传感器、超声波传感器等。

超声波传感器

超声波传感器的基本原理是测量超声波的飞行时间，通过d=vt/2测量距离，其中d是距离，v是声速，t是飞行时间。

上图是超声波传感器信号的一个示意。通过压电或静电变送器产生一个频率在几十kHz的超声波脉冲组成波包，系统检测高于某阈值的反向声波，然后使用测量到的飞行时间计算距离。超声波传感器一般作用距离较短，普通的有效探测距离几米，但是会有一个几十毫米左右的最小探测盲区。由于超声传感器成本低、实现方法简单、技术成熟，是移动机器人中常用的传感器。

红外传感器

一般的红外测距都是采用三角测距的原理。红外发射器按照一定角度发射红外光束，遇到物体之后，光会反向回来，检测到反射光之后，通过结构上的几何三角关系，就可以计算出物体距离D。

当D的距离足够近的时候，上图中L值会相当大，如果超过CCD的探测范围，虽然物体很近，传感器反而看不到了。当物体距离D很大时，L值就会很小，测量精度会变差。因此，常见的红外传感器的测量距离都比较近，小于超声波，同时远距离测量也有最小距离的限制。另外，对于透明的或者近似黑体的物体，红外传感器是无法检测距离的。但相对于超声来说，红外传感器具有更高的带宽。

激光传感器

常见的激光雷达是基于飞行时间的（ToF，time of flight），通过测量激光的飞行时间来测距d=ct/2，类似前面提到的超声测距公式，其中d是距离，c是光速，t是从发射到接收的时间间隔。

比较简单的方案是测量反射光的相移，传感器以已知的频率发射一定幅度的调制光，并测量发射和反向信号之间的相移，如上图。

调制信号的波长为lamda=c/f，其中c是光速，f是调制频率，测量到发射和反射光束之间的相移差theta之后，距离可由lamda*theta/4pi计算得到，如上图。

视觉传感器

常用的计算机视觉方案也有很多种， 比如双目视觉，基于TOF的深度相机，基于结构光的深度相机等。

基于结构光的深度相机发射出的光会生成相对随机但又固定的斑点图样，光斑打在物体上，因为与摄像头距离不同，被摄像头捕捉到的位置也不相同。先计算斑点与标定的标准图案在不同位置的偏移，利用摄像头位置、传感器大小等参数就可以计算出物体与摄像头的距离。

双目视觉的测距本质上也是三角测距法，由于两个摄像头的位置不同，就像人的两只眼睛一样，看到的物体也不一样。两个摄像头看到的同一个点P，在成像的时候会有不同的像素位置，此时通过三角测距就可以测出这个点的距离。

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