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浅析磁力传感器工作原理

发布时间:2019-11-22 19:46 来源:未知 编辑:admin

  磁传感器是把磁场、电流、应力应变、温度、光等外界因素引起敏感元件磁性能变化转换成电信号,以这种方式来检测相应物理量的器件。

  磁传感器广泛用于现代工业和电子产品中以感应磁场强度来测量电流、位置、方向等物理参数。在现有技术中,有许多不同类型的传感器用于测量磁场和其他参数。

  磁传感器是把磁场、电流、应力应变、温度、光等外界因素引起敏感元件磁性能变化转换成电信号,以这种方式来检测相应物理量的器件。磁传感器分为三类:指南针、磁场感应器、位置传感器。指南针:地球会产生磁场,如果你能测地球表面磁场就可以做指南针。电流传感器:电流传感器也是磁场传感器。电流传感器可以用在家用电器、智能电网、电动车、风力发电等等。位置传感器: 如果一个磁体和磁传感器相互之间有位置变化,这个位置变化是线性的就是线性传感器,如果转动的就是转动传感器。

  据报道,1995年仅工业过程控制传感器的全球市场已达到260亿美元;2001年计算机HDD用SV-GMR磁头的市场超过了4000亿日元(约合34亿美元)。若采用新型微型磁传感器,既使操作更简便,又提高了可靠性,增长了器件寿命,降低了成本。

  使用新型磁传感器可以显着提高测量和控制精度,如使用GMI(巨磁阻抗)磁场传感器,检测分辨率和常用磁通门磁强计一样,而响应速度却快了一倍,消耗功率仅为后者的1%;若用霍尔器件,其分辨率仅4A/m,而所需外场比前者高300余倍;在应力检测中,SI 传感器的灵敏度是常用电阻丝的2000倍高,是半导体应变规的20~40倍。工业机床的油压或气压汽缸活塞位置检测,广泛采用套在活塞杆上的永磁环和AMR元件组成的磁传感器,检测精度达0.1mm,检测速度可在0~500mm/s内以高低速度变换;改用GMI或SV-GMR传感器后,测量精度至少可以提高1个数量级。在机床数控化时代,数字磁尺帮助设计师们实现了闭环控制。使用绝对信号输出的磁尺,则不受噪声、电源电压波动等干扰,也不必原点复位。使用工作状态磁敏开关,还可以完成手动与数控之间的转换。

  旋转磁编码器在旋转量的检测控制中起关键作用,它在数控机床、机器人、工厂自动化设备的位置检测、传输速度控制,磁盘、打印机之类的自动化设备通讯设备的旋转量检测中都是不可缺少的重要部件。其检测对象是光磁图形,不受油雾粉尘的影响,因此比目前最先进的光编码器的可靠性高寿命长,尤其适合于自动焊接、油漆机器人和与钢铁有关的位置检测以及各种金属、木材、塑料等加工行业的应用。而仍大量使用光编码器,由于这种器件易受粉尘、油污和烟雾的影响,用在自动焊接、油漆机器人、纺织和钢铁、木料、塑料等的加工中,可靠性极差。应用AMR、GMR 、GMI敏感元件构成的旋转磁编码器,就不存在上述缺点,因此,它们的市场需求年增长率在30%以上。在家用电器和节能产品中也也有其广泛的应用潜力,在节能环保产品中也大有用武之地。若使用微型磁编码器和控制微机一体化,更有利于简化控制系统结构,减少元件数和占空体积,这在精密制造和加工业中意义十分重大。

  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,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,应用前景广阔。

  交通事故和交通阻塞是城市中和城市间交通存在的一个大问题。国内外都在加强高速公路行车支持道路系统(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。在这些新系统中,高灵敏度、高速响应微型磁传感器大有用武之地。例如,用分辨率可达1nT的GMI和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,货车近接距离),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)。

  几个世纪以来,人们在导航中一直使用磁罗盘。有资料显示早在二千多年前中国人就开始使用天然磁石-一种磁铁矿来指示水平方向。电子罗盘(数字罗盘,电子指南针,数字指南针)是测量方位角(航向角)比较经济的一种电子仪器。如今电子指南针广泛应用于汽车和手持电子罗盘,手表,手机,对讲机,雷达探测器,望远镜,探星仪,穆斯林麦加探测器(穆斯林钟),手持 GPS 系统,寻路器,武器/导弹导航( 航位推测 ),位置/方位系统,安全/定位设备,汽车、航海和航空的高性能导航设备,电子游戏机设备等需要方向或姿态显示的设备。

  地球本身是一个大磁铁,地球表面的磁场大约为0.5Oe,地磁场平行地球表面并始终指向北方。利用GMR薄膜可做成用来探测地磁场的传感器。图5显示这种传感器的具体工作原理。我们可以制出能够探测磁场X和Y方向分量的集成GMR传感器。此传感器可作为罗盘并应用在各种交通工具上作为导航装置。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。例如,放置在高速公路边的GMR传感器可以计算和区别通过传感器的车辆。如果同时分开放置两个GMR传感器,还可以探测出通过车辆的速度和车辆的长度,当然GMR也可用在公路的收费亭,从而实现收费的自动控制。另外高灵敏度和低磁场的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磁场传感器可以把隐蔽的物体找出来。当然,GMR磁场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。

  在智能家居门禁系统中门磁开关的作用是负责门磁通电否,通电带磁(闭门),断电消磁(开门),门磁安装于门与门套上,开关安装于屋内,配合自动闭门器使用,一般可承受150公斤的拉力。

  有线门磁为嵌入式安装更加隐蔽,感应门窗的开合,适用于木质或铝合金门窗发出有线常闭/常开开关信号。门磁是用来探测门、窗、抽屉等是否被非法打开或移动。它由无线发射器和磁块两部分组成。门磁系统其实和床磁等原理相同。

  电子罗盘是一种重要的导航工具,能实时提供移动物体的航向和姿态。随着半导体工艺的进步和手机操作系统的发展,集成了越来越多传感器的智能手机变得功能强大,很多手机上都实现了电子罗盘的功能。而基于电子罗盘的应用(如Android的Skymap)在各个软件平台上也流行起来。

  要实现电子罗盘功能,需要一个检测磁场的三轴磁力传感器和一个三轴加速度传感器。随着微机械工艺的成熟,意法半导体推出将三轴磁力计和三轴加速计集成在一个封装里的二合一传感器模块LSM303DLH,方便用户在短时间内设计出成本低、性能高的电子罗盘。本文以LSM303DLH为例讨论该器件的工作原理、技术参数和电子罗盘的实现方法。

  如图1所示,地球的磁场象一个条形磁体一样由磁南极指向磁北极。在磁极点处磁场和当地的水平面垂直,在赤道磁场和当地的水平面平行,所以在北半球磁场方向倾斜指向地面。用来衡量磁感应强度大小的单位是Tesla或者Gauss(1Tesla=10000Gauss)。随着地理位置的不同,通常地磁场的强度是0.4-0.6 Gauss。需要注意的是,磁北极和地理上的北极并不重合,通常他们之间有11度左右的夹角。

  地磁场是一个矢量,对于一个固定的地点来说,这个矢量可以被分解为两个与当地水平面平行的分量和一个与当地水平面垂直的分量。如果保持电子罗盘和当地的水平面平行,那么罗盘中磁力计的三个轴就和这三个分量对应起来,如图2所示。

  实际上对水平方向的两个分量来说,他们的矢量和总是指向磁北的。罗盘中的航向角(Azimuth)就是当前方向和磁北的夹角。由于罗盘保持水平,只需要用磁力计水平方向两轴(通常为X轴和Y轴)的检测数据就可以用式1计算出航向角。当罗盘水平旋转的时候,航向角在0?- 360?之间变化。

  在LSM303DLH中磁力计采用各向异性磁致电阻(Anisotropic Magneto-Resistance)材料来检测空间中磁感应强度的大小。这种具有晶体结构的合金材料对外界的磁场很敏感,磁场的强弱变化会导致AMR自身电阻值发生变化。

  在制造过程中,将一个强磁场加在AMR上使其在某一方向上磁化,建立起一个主磁域,与主磁域垂直的轴被称为该AMR的敏感轴,如图3所示。为了使测量结果以线性的方式变化,AMR材料上的金属导线角倾斜排列,电流从这些导线所示。由初始的强磁场在AMR材料上建立起来的主磁域和电流的方向有45的夹角。

  当有外界磁场Ha时,AMR上主磁域方向就会发生变化而不再是初始的方向了,那么磁场方向和电流的夹角也会发生变化,如图5所示。对于AMR材料来说,角的变化会引起AMR自身阻值的变化,并且呈线所示。

  ST利用惠斯通电桥检测AMR阻值的变化,如图7所示。R1/R2/R3/R4是初始状态相同的AMR电阻,但是R1/R2和R3/R4具有相反的磁化特性。当检测到外界磁场的时候,R1/R2阻值增加∆R而R3/R4减少∆R。这样在没有外界磁场的情况下,电桥的输出为零;而在有外界磁场时电桥的输出为一个微小的电压∆V。

  当R1=R2=R3=R4=R,在外界磁场的作用下电阻变化为∆R时,电桥输出?V正比于?R。这就是磁力计的工作原理。

  由于受到外界环境的影响,LSM303DLH中AMR上的主磁域方向不会永久保持不变。LSM303DLH内置有置位/复位电路,通过内部的金属线圈周期性的产生电流脉冲,恢复初始的主磁域,如图8所示。需要注意的是,置位脉冲和复位脉冲产生的效果是一样的,只是方向不同而已。

  1) 即使遇到外界强磁场的干扰,在干扰消失后LSM303DLH也能恢复正常工作而不需要用户再次进行校正。

  2) 即使长时间工作也能保持初始磁化方向实现精确测量,不会因为芯片温度变化或内部噪音增大而影响测量精度。

  LSM303DLH集成三轴磁力计和三轴加速计,采用数字接口。磁力计的测量范围从1.3 Gauss到8.1 Gauss共分7档,用户可以自由选择。并且在20 Gauss以内的磁场环境下都能够保持一致的测量效果和相同的敏感度。它的分辨率可以达到8 mGauss并且内部采用12位ADC,以保证对磁场强度的精确测量。和采用霍尔效应原理的磁力计相比,LSM303DLH的功耗低,精度高,线性度好,并且不需要温度补偿。

  LSM303DLH具有自动检测功能。当控制寄存器A被置位时,芯片内部的自测电路会产生一个约为地磁场大小的激励信号并输出。用户可以通过输出数据来判断芯片是否正常工作。

  作为高集成度的传感器模组,除了磁力计以外LSM303DLH还集成一颗高性能的加速计。加速计同样采用12位ADC,可以达到1mg的测量精度。加速计可运行于低功耗模式,并有睡眠/唤醒功能,可大大降低功耗。同时,加速计还集成了6轴方向检测,两路可编程中断接口。

  一个传统的电子罗盘系统至少需要一个三轴的磁力计以测量磁场数据,一个三轴加速计以测量罗盘倾角,通过信号条理和数据采集部分将三维空间中的重力分布和磁场数据传送给处理器。处理器通过磁场数据计算出方位角,通过重力数据进行倾斜补偿。这样处理后输出的方位角不受电子罗盘空间姿态的影响,如图9所示。

  LSM303DLH将上述的加速计、磁力计、A/D转化器及信号条理电路集成在一起,仍然通过I2C总线和处理器通信。这样只用一颗芯片就实现了6轴的数据检测和输出,降低了客户的设计难度,减小了PCB板的占用面积,降低了器件成本。

  LSM303DLH的典型应用如图10所示。它需要的周边器件很少,连接也很简单,磁力计和加速计各自有一条I2C总线和处理器通信。如果客户的I/O接口电平为1.8V,Vdd_dig_M、Vdd_IO_A和Vdd_I2C_Bus均可接1.8V供电,Vdd使用2.5V以上供电即可;如果客户接口电平为2.6V,除了Vdd_dig_M要求1.8V以外,其他皆可以用2.6V。在上文中提到,LSM303DLH需要置位/复位电路以维持AMR的主磁域。C1和C2为置位/复位电路的外部匹配电容,由于对置位脉冲和复位脉冲有一定的要求,建议用户不要随意修改C1和C2的大小。

  对于便携式设备而言,器件的功耗非常重要,直接影响其待机的时间。LSM303DLH可以分别对磁力计和加速计的供电模式进行控制,使其进入睡眠或低功耗模式。并且用户可自行调整磁力计和加速计的数据更新频率,以调整功耗水平。在磁力计数据更新频率为7.5Hz、加速计数据更新频率为50Hz时,消耗电流典型值为0.83mA。在待机模式时,消耗电流小于3uA。

  电子指南针主要是通过感知地球磁场的存在来计算磁北极的方向。然而由于地球磁场在一般情况下只有微弱的0.5高斯,而一个普通的手机喇叭当相距2厘米时仍会有大约4高斯的磁场,一个手机马达在相距2厘米时会有大约6高斯的磁场,这一特点使得针对电子设备表面地球磁场的测量很容易受到电子设备本身的干扰。

  磁场干扰是指由于具有磁性物质或者可以影响局部磁场强度的物质存在,使得磁传感器所放置位置上的地球磁场发生了偏差。如图11所示,在磁传感器的XYZ 坐标系中,绿色的圆表示地球磁场矢量绕z轴圆周转动过程中在XY平面内的投影轨迹,再没有外界任何磁场干扰的情况下,此轨迹将会是一个标准的以O(0,0)为中心的圆。当存在外界磁场干扰的情况时,测量得到的磁场强度矢量将为该点地球磁场与干扰磁场的矢量和。记作:

  一般可以认为,干扰磁场在该点可以视为一个恒定的矢量。有很多因素可以造成磁场的干扰,如摆放在电路板上的马达和喇叭,还有含有铁镍钴等金属的材料如屏蔽罩,螺丝,电阻, LCD背板以及外壳等等。同样根据安培定律有电流通过的导线。

  为了校准这些来自电路板的磁场干扰,主要的工作就是通过计算将求出。

  针对XY轴的校准,将配备有磁传感器的设备在XY平面内自转,如图11,等价于将地球磁场矢量绕着过点O(x,y)垂直于XY平面的法线旋转,而红色的圆为磁场矢量在旋转过程中在XY平面内投影的轨迹。这可以找到圆心的位置为((Xmax + Xmin)/2, (Ymax + Ymin)/2)。 同样将设备在XZ平面内旋转可以得到地球磁场在XZ平面上的轨迹圆,这可以求出三维空间中的磁场干扰矢量(x, y, z)。

  一般情况下,当带有传感器的设备在空中各个方向旋转时,测量值组成的空间几何结构实际上是一个圆球,所有的采样点都落在这个球的表面上,如图13所示,这一点同两维平面内投影得到的圆类似。

  这种情况下,可以通过足够的样本点求出圆心O(x, y, z), 即固定磁场干扰矢量的大小及方向。公式如下:

  8字校准法要求用户使用需要校准的设备在空中做8字晃动,原则上尽量多的让设备法线所示。

  如图16所示,经过10面校准方法之后,同样可以采样到以上所述球体表面的部分轨迹,从而推导出球心的位置,即固定磁场干扰矢量的大小及方向。

  经过校准后电子指南针在水平面上已经可以正常使用了。但是更多的时候手机并不是保持水平的,通常它和水平面都有一个夹角。这个夹角会影响航向角的精度,需要通过加速度传感器进行倾斜补偿。

  对于一个物体在空中的姿态,导航系统里早已有定义,如图17所示,Android中也采用了这个定义。Pitch()定义为x轴和水平面的夹角,图示方向为正方向;Roll()定义为y轴和水平面的夹角,图示方向为正方向。由Pitch角引起的航向角的误差如图18所示。可以看出,在x轴方向10度的倾斜角就可以引起航向角最大7-8度的误差。

  手机在空中的倾斜姿态如图19所示,通过3轴加速度传感器检测出三个轴上重力加速度的分量,再通过式2可以计算出Pitch和Roll。

  式3可以将磁力计测得的三轴数据(XM,YM ,ZM)通过Pitch和Roll转化为式1中计算航向角需要的Hy和Hx。之后再利用式1计算出航向角。

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