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传感器分类

在食品包装、环境科学实验等方面

  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。

  磁敏传感器,顾名思义就是感知磁性物体的存在或者磁性强度(在有效范围内)这些磁性材料除永磁体外,还包括顺磁材料(铁、钴、镍及其它们的合金)当然也可包括感知通电(直、交)线包或导线周围的磁场。

  一,传统的磁检测中首先被采用的是电感线圈为敏感元件。特点正是无须在线圈中通电,一般仅对运动中的永磁体或电流载体起敏感作用。后来发展为用线圈组成振荡槽路的。如探雷器,金属异物探测器,测磁通的磁通计等。(磁通门,振动样品磁强计)。

  霍尔效应:通电的载体在受到垂直于载体平面的外磁场作用时,则载流子受到洛伦兹力的作用,并有向两边聚集的倾向,由于自由电子的聚集(一边多一边必然少)从而形成电势差,在经过特殊工艺制备的半导体材料这种效应更为显著。从而形成了霍尔元件。早期的霍尔效应的材料Insb(锑化铟)。为增强对磁场的敏感度,在材料方面半导体IIIV元素族都有所应用。近年来,除Insb之外,有硅衬底的,也有砷化镓的。霍尔器件由于其工作机理的原因都制成全桥路器件,其内阻大约都在150~500之间。对线性传感器工作电流大约在2~10mA左右,一般采用恒流供电法。

  Insb与硅衬底霍尔器件典型工作电流为10mA。而砷化镓典型工作电流为2mA。作为低弱磁场测量,我们希望传感器自身所需的工作电流越低越好。(因为电源周围即有磁场,就不同程度引进误差。另外,目前的传感器对温度很敏感,通的电流大了,有一个自身加热问题。(温升)就造成传感器的零漂。这些方面除外附补偿电路外,在材料方面也在不断的进行改进。

  霍尔传感器主要有两大类,一类为开关型器件,一类为线性霍尔器件,从结构形式(品种)及用量、产量前者大于后者。霍尔器件的响应速度大约在1us量级。

  磁阻传感器,磁敏二极管等是继霍尔传感器后派生出的另一种磁敏传感器。采用的半导体材料于霍尔大体相同。但这种传感器对磁场的作用机理不同,传感器内载流子运动方向与被检磁场在一平面内。(顺便提醒一点,霍尔效应于磁阻效应是并存的。在制造霍尔器件时应努力减少磁阻效应的影响,而制造磁阻器件时努力避免霍尔效应(在计算公式中,互为非线性项)。在磁阻器件应用中,温度漂移的控制也是主要矛盾,在器件制备方面,磁阻器件由于与霍尔不同,因此,早期的产品为单只磁敏电阻。由于温度漂移大,现在多制成单臂(两只磁敏电阻串联)主要是为补偿温度漂移。目前也有全桥产品,但用法(目的)与霍尔器件略有差异。据报导磁阻器件的响应速度同霍尔1uS量级。

  磁阻传感器由于工作机理不同于霍尔,因而供电也不同,而是采用恒压源(但也需要一定的电流)供电。当后续电路不同对供电电源的稳定性及内部噪声要求高低有所不同。

  在磁敏元件作为检测磁场而设计和制造的,一般检测的概念是:测量磁场中某一点的磁性。作为点的定义在几何学中是无限小的。在磁场检测中,由于磁场的面积、体积、缝隙大小等都是有限面积(尺寸),因此我们希望磁敏元件之面积与被测磁场面积相比也应该是越小越准确。在磁场成像的技术中,元件体积越小,在相同的面积内采集的像素就愈多。分辨率、清晰度越高。在表面磁场测量与多级磁体的检测中,在磁栅尺中,必然有如此要求。从磁敏元件工作机理看,为提高灵敏度在几何形状处于磁场中的几何尺寸都有相应要求,这与“点”的要求是相矛盾的。在与国外专家技术交流中得知,1999年俄罗斯专家说他们制成了体积0.6mm得探头(是几个研究所合作搞成的)。美国也有相应的产品,售价约70美元一只。是否是目前最高水平,未见其它报导。

  

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