磁性傳感器的應(yīng)用
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我國(guó)傳感器產(chǎn)品僅有10大類、42小類、6000多個(gè)品種，品種繁多的磁性傳感器只是其中一大類，它具有非接觸測(cè)量、高可靠、堅(jiān)固耐用、測(cè)量靈敏度高等基本特點(diǎn)。眾所周知，磁場(chǎng)能夠穿透許多非金屬物質(zhì)材料，因此無(wú)須直接接觸目標(biāo)物體就可觸發(fā)交換過(guò)程。通過(guò)使用磁性導(dǎo)體（比如鐵），磁場(chǎng)即可被傳導(dǎo)到較遠(yuǎn)的距離，于是，信號(hào)就能從溫度較高的區(qū)域傳送出去。因此，人們把磁場(chǎng)、電流、應(yīng)力應(yīng)變、溫度、光等引起敏感元件磁性能的變化轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，以這種方式來(lái)檢測(cè)相應(yīng)物理量的器件叫做磁性傳感器。
一、工業(yè)上用途廣泛
在工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域，最流行的磁性傳感器類型是電流傳感器，包括分流電阻器、霍爾效應(yīng)集成電路、電流感應(yīng)變壓器、開(kāi)環(huán)與閉環(huán)霍爾器件以及磁通門(mén)傳感器。
1、電機(jī)
在無(wú)刷電動(dòng)機(jī)中，用磁性傳感器來(lái)作轉(zhuǎn)子磁極位置傳感和定子電樞電流換向器，許多磁性傳感器，霍爾器件、威根德器件、磁阻器件等都可以使用，但當(dāng)前大量使用的，主要還是霍爾器件。另外磁性傳感器還可以對(duì)電機(jī)進(jìn)行過(guò)載保護(hù)及轉(zhuǎn)矩檢測(cè)；交流變頻器用于電機(jī)調(diào)速，節(jié)能效果極好。由于磁編碼器的使用顯示出越來(lái)越多的優(yōu)點(diǎn)，因此正在逐漸取代光編碼器來(lái)對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行檢測(cè)和控制；例如，在電動(dòng)車(chē)窗之中，傳感器可以確定軸轉(zhuǎn)動(dòng)了多少圈，以控制車(chē)窗升降器的行程。傳感器也可以探測(cè)到人手造成的異常負(fù)載情況，提供所謂的“防夾”功能，在碰到物體的時(shí)候，電機(jī)可以反轉(zhuǎn)。用于直流電機(jī)換向和探測(cè)電流的電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向傳感器也是一個(gè)快速增長(zhǎng)的應(yīng)用，用于代替電動(dòng)液壓型系統(tǒng)。
2、電力電子技術(shù)
電力電子表技術(shù)是電力技術(shù)和電子技術(shù)的結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)交直流電流的相互變換，并可在所需的范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)電流、電壓和頻率的自由調(diào)節(jié)。采用這些技術(shù)和產(chǎn)品，可做成各種特殊電源（如UPS、高頻電源、開(kāi)關(guān)電源、弧焊機(jī)逆變電源等）和交流變頻器等產(chǎn)品。這些變頻裝置的核心，是大功率半導(dǎo)體器件。以磁性傳感器為基礎(chǔ)的各種電流傳感器被用來(lái)監(jiān)測(cè)控制和保護(hù)這些大功率器件?；魻栯娏鱾鞲衅黜憫?yīng)速度快，且依靠磁場(chǎng)和被控電路耦合，不接入主電路，因而功耗低，抗過(guò)載能力強(qiáng)，線性好，可靠性高，既可作為大功率器件的過(guò)流保護(hù)驅(qū)動(dòng)器，又可作為反饋器件，成為自控環(huán)路的一個(gè)控制環(huán)節(jié)。使用變頻技術(shù)可以大量節(jié)能，目前國(guó)外使用的電能95%是經(jīng)過(guò)變換來(lái)的，國(guó)內(nèi)變頻技術(shù)雖已受到高度重視，但僅有5%的電能經(jīng)過(guò)這種變換，可見(jiàn)具其后續(xù)改造空間之大，將需求大量的電流傳感器，這將是磁性傳感器的又一巨大的產(chǎn)業(yè)性應(yīng)用領(lǐng)域。
3、能源管理
電網(wǎng)的自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)需采集大量的數(shù)據(jù)，經(jīng)計(jì)算機(jī)處理之后，對(duì)電網(wǎng)的運(yùn)行狀況實(shí)施監(jiān)控，并進(jìn)行負(fù)載的分配調(diào)節(jié)和安全保護(hù)。自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)的各個(gè)控制環(huán)節(jié)，都可用以磁性傳感器為基礎(chǔ)的電流傳感器、互感器等來(lái)實(shí)現(xiàn)?；魻栯娏鱾鞲衅髟缫言陔娋W(wǎng)系統(tǒng)中得到應(yīng)用。用霍爾器件作成的電度表也已從研制轉(zhuǎn)向?qū)嵱没鼈兛勺詣?dòng)計(jì)費(fèi)并可顯示功率因數(shù)，以便隨時(shí)進(jìn)行調(diào)整，保證高效用電。
4、磁信息記錄裝置
磁信息記錄裝置除磁帶、磁盤(pán)等之外，還有磁卡、磁墨水記錄帳冊(cè)、鈔票的磁記錄等，對(duì)磁信息存儲(chǔ)和讀出傳感器有巨大需求。目前，感應(yīng)磁頭，薄膜磁阻磁頭，非晶磁頭等都獲得了大量的使用。隨著記錄密度的提高，例如高到100G字節(jié)，需要更高靈敏度和空間分辨力的磁頭。以多層金屬薄膜為基礎(chǔ)的巨磁阻磁頭、用非晶合金絲制作的非晶合金磁頭、巨磁阻抗磁頭等正展開(kāi)激烈的競(jìng)爭(zhēng)。
5、交通控制
目前，國(guó)內(nèi)外都在加強(qiáng)行車(chē)支持道路系統(tǒng)(AHS)、智能運(yùn)輸系統(tǒng)(]．TS)和道路交通信息系統(tǒng)(VICS)等的開(kāi)發(fā)與建設(shè)。在這些新系統(tǒng)中，高靈敏度、高速響應(yīng)微型磁傳感器大有用武之地。例如，用分辨率可達(dá)InT的GMI和SI傳感器，可構(gòu)成ITS感器（作高速路上的道路標(biāo)志，測(cè)車(chē)輪角度，貨車(chē)近接距離），汽車(chē)通過(guò)記錄儀（測(cè)通行方向、速度、車(chē)身長(zhǎng)度、車(chē)種識(shí)別）、停車(chē)場(chǎng)成批車(chē)輛傳感器、加速度傳感器（測(cè)車(chē)輛通過(guò)時(shí)路橋的振動(dòng)等）等。在智能交通系統(tǒng)，如果你在公路上放置一個(gè)磁性傳感器，任何一輛車(chē)在公路上開(kāi)的時(shí)候，車(chē)走過(guò)的軌跡就能記錄下來(lái)，從而可以控制高速公路的車(chē)流。
去年動(dòng)車(chē)出事以后，國(guó)家交通部為防止類似事故的發(fā)生，設(shè)計(jì)了許多方案，其中一個(gè)很簡(jiǎn)單方案，就是在動(dòng)車(chē)沿線每隔兩公里鋪一個(gè)磁性傳感器，這是一個(gè)單獨(dú)系統(tǒng)，所以當(dāng)動(dòng)車(chē)沒(méi)電的時(shí)候信號(hào)就可以自動(dòng)傳到調(diào)度中心。
美國(guó)的NVE公司已經(jīng)把GMR傳感器用在車(chē)輛的交通控制系統(tǒng)上。例如，放置在高速公路邊的GMR傳感器可以計(jì)算和區(qū)別通過(guò)傳感器的車(chē)輛，如果同時(shí)分開(kāi)放置兩個(gè)GMR傳感器，還可以探測(cè)出通過(guò)車(chē)輛的速度和車(chē)輛的長(zhǎng)度，當(dāng)然GMR也可用在公路的收費(fèi)亭，從而實(shí)現(xiàn)收費(fèi)的自動(dòng)控制。
二、在汽車(chē)中的應(yīng)用無(wú)處不在
磁性傳感器在汽車(chē)工業(yè)中的應(yīng)用尤其普遍，例如包括汽車(chē)安全、汽車(chē)舒適性、汽車(chē)節(jié)能降耗等。單是在汽車(chē)車(chē)身應(yīng)用領(lǐng)域，一輛車(chē)使用的磁性傳感器與開(kāi)關(guān)平均數(shù)量，就將從2008年的6.7顆，成長(zhǎng)至2013年的9.4顆。據(jù)介紹，汽車(chē)領(lǐng)域占據(jù)了磁傳感應(yīng)用市場(chǎng)大約70Y0以上的份額。它在汽車(chē)中主要被用于車(chē)速、傾角、角度、距離、接近、位置等參數(shù)檢測(cè)以及導(dǎo)航、定位等方面的應(yīng)用，比如車(chē)速測(cè)量、踏板位置、變速箱位置、電機(jī)旋轉(zhuǎn)、助力扭矩測(cè)量、曲軸位置、傾角測(cè)量、電子導(dǎo)航、防抱死檢測(cè)、泊車(chē)定位、安全氣囊與太陽(yáng)能板中的缺陷檢測(cè)、座椅位置記憶、改善導(dǎo)航系統(tǒng)的航向分辨率。在節(jié)能降耗中，尤其是在制造商目前面臨減少點(diǎn)滴碳排放或其它污染物壓力的時(shí)候，這方面的一個(gè)重點(diǎn)領(lǐng)域是馬達(dá)，馬達(dá)正在從存在摩擦力的“一刻不停”的滑輪系統(tǒng)向電子馬達(dá)轉(zhuǎn)變，后者可以按需控制。與此同時(shí)，電子馬達(dá)向效率更高和更加可靠的有刷DC馬達(dá)轉(zhuǎn)變，而磁性傳感器的應(yīng)用能夠讓馬達(dá)控制或換向更加精確。此外，汽車(chē)防抱死剎車(chē)系統(tǒng)(ABS)中的基本輪轉(zhuǎn)速感測(cè)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中的扭矩感測(cè)、電子線控節(jié)氣門(mén)系統(tǒng)和電池監(jiān)測(cè)、智能電扇等都有著磁性傳感器的身影。在混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)中，磁性傳感器用于監(jiān)控輔助電機(jī)逆變器。逆變器用于把電池直流電轉(zhuǎn)換成電機(jī)的交流電。這種轉(zhuǎn)換需要使用三個(gè)電流傳感器，電機(jī)的每個(gè)相位都需要一個(gè)。高級(jí)汽車(chē)需要使用霍爾IC和AMR傳感器。中低檔轎車(chē)中有10多種電機(jī)，如風(fēng)扇冷卻、交流發(fā)電機(jī)以及風(fēng)擋雨刷；豪華轎車(chē)擁有將近100個(gè)電機(jī)，其中包括用于空調(diào)送風(fēng)機(jī)、電子轉(zhuǎn)向與油門(mén)控制的傳感器，用于自動(dòng)化與新型雙離合系統(tǒng)的傳動(dòng)傳感器，以及用于座位位置調(diào)整、天窗、轉(zhuǎn)速表、前燈位置調(diào)整、靠枕的傳感器，甚至用于根據(jù)空氣質(zhì)量信息來(lái)控制進(jìn)氣風(fēng)門(mén)。
三、在醫(yī)療領(lǐng)域應(yīng)用中發(fā)揮關(guān)鍵作用
隨著人口老齡化趨勢(shì)的日漸明顯，用以輔助健康和監(jiān)護(hù)的醫(yī)療技術(shù)變得愈發(fā)重要。醫(yī)療
傳感器的應(yīng)用和推廣大大降低了人工成本和錯(cuò)誤的產(chǎn)生，同時(shí)也提高了自動(dòng)化程度和精確度，
這一切使得持續(xù)的監(jiān)控和治療成為可能。磁性傳感器在醫(yī)療領(lǐng)域中的應(yīng)用，盡管規(guī)模要小于
工業(yè)領(lǐng)域，但卻能夠在各種場(chǎng)合以各種方式輔助病人護(hù)理和監(jiān)控：救護(hù)車(chē)，醫(yī)院和家庭護(hù)理
等。無(wú)論是在手術(shù)過(guò)程中，重癥監(jiān)護(hù)室，醫(yī)院復(fù)健護(hù)理，還是在家庭護(hù)理方面，都提供了有
效的方式以控制運(yùn)動(dòng)、氣流、探測(cè)血壓以及用藥等挽救生命或者提高生命質(zhì)量。它主要用于
使用換向傳感器的醫(yī)療設(shè)備之中用于電機(jī)控制，比如呼吸機(jī)、輸液、胰島素和腎臟透析機(jī)等
方面的應(yīng)用；電磁編碼器霍爾傳感器用于注射泵中檢測(cè)流速以確定注射器是否為空和注射器
是否堵塞的（應(yīng)用于監(jiān)測(cè)血液再造系統(tǒng)、自動(dòng)血樣分析系統(tǒng)）。德國(guó)卡塞爾大學(xué)科學(xué)家研制
的一種帶磁場(chǎng)的微型傳感器通過(guò)遙控牽引磁化納米生物分子，可將血液中極少量的特定蛋白
質(zhì)分子檢測(cè)出來(lái)，從而通過(guò)正常的血液分析取代脊髓液檢查。磁性傳感器在醫(yī)療領(lǐng)域應(yīng)用的
另一個(gè)例子是用于準(zhǔn)備樣本的簡(jiǎn)單離心機(jī)，它用來(lái)幫助控制小型電機(jī)，使其變得更加安靜和
可靠。在助聽(tīng)器領(lǐng)域，巨磁阻傳感器IC (GMR)與霍爾及簧片開(kāi)關(guān)競(jìng)爭(zhēng)。
四、在無(wú)線一消費(fèi)領(lǐng)域市場(chǎng)誘人
隨著消費(fèi)電子在全球的風(fēng)靡，磁性傳感器在消費(fèi)電子中的應(yīng)用表現(xiàn)也十分強(qiáng)勁，絲毫不遜色。例如手機(jī)、筆記本電腦、電子玩具、電子羅盤(pán)等中都有著非常廣泛的應(yīng)用。MEMS傳感器與磁傳感器在應(yīng)用中互相促進(jìn)，這對(duì)于推動(dòng)磁性傳感器在消費(fèi)電子市場(chǎng)的逐步增長(zhǎng)起著一定貢獻(xiàn)。雖然磁阻傳感器發(fā)展歷程已經(jīng)很漫長(zhǎng)，技術(shù)相對(duì)成熟，但僅作為電子羅盤(pán)的單獨(dú)應(yīng)用，在以前并不被人們很看好，而現(xiàn)在它與MEMS的結(jié)合，會(huì)在導(dǎo)航市場(chǎng)成為一個(gè)亮點(diǎn)。由于MEMS和磁阻傳感器在功能上可以互相補(bǔ)充，它們的結(jié)合使導(dǎo)航產(chǎn)品更加精準(zhǔn)。如果把陀螺儀、加速度和磁傳感器三種傳感器集成在一起，三者在功能上互相輔助，則構(gòu)成了功能更強(qiáng)大的慣性導(dǎo)航產(chǎn)品。
在多軸測(cè)量電子羅盤(pán)中，磁性傳感器擔(dān)當(dāng)著重要部件的角色。而目前具備GPS系統(tǒng)的手機(jī)與平板電腦都會(huì)采取多軸測(cè)量電子羅盤(pán)做為標(biāo)配，這也讓磁性傳感器在無(wú)形之中搭上了消費(fèi)電子的快車(chē)。目前磁性傳感器在消費(fèi)電子中的應(yīng)用，還讓游戲控制器、筆記本、數(shù)碼相機(jī)等具有了地理標(biāo)簽功能。
五、在航空、航天、衛(wèi)星通信及軍事工業(yè)大顯身手
高靈敏度和低磁場(chǎng)的傳感器可以用在航空、航天及衛(wèi)星通信技術(shù)上。大家知道，在軍事工業(yè)中隨著吸波技術(shù)的發(fā)展，軍事物件可以通過(guò)覆蓋一層吸波材料而隱蔽，但是它們無(wú)論如何都會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)，因此通過(guò)GMR磁場(chǎng)傳感器可以把隱蔽的物體找出來(lái)。GMR磁場(chǎng)傳感器可以應(yīng)用在衛(wèi)星上，用來(lái)探測(cè)地球表面上的物體和底下的礦藏分布。電子羅盤(pán)在武器／導(dǎo)彈導(dǎo)航（航位推測(cè)），航海和航空的高性能導(dǎo)航設(shè)備中功不可沒(méi)。如果在水雷或地雷上安裝磁性傳感器，由于坦克或者軍艦都是鋼鐵制造的，在它們接近（無(wú)須接觸目標(biāo)）時(shí)，傳感器就可以探測(cè)到磁場(chǎng)的變化使水雷或地雷爆炸，提高了殺傷力。美國(guó)海軍于20世紀(jì)80年代初開(kāi)始研制Terfenol-D水下聲納，由永磁體產(chǎn)生偏磁場(chǎng)，螺線管產(chǎn)生交流磁場(chǎng)，隨著磁場(chǎng)的變化環(huán)就膨脹收縮將聲波發(fā)射出去，利用水聲傳播特性對(duì)水中目標(biāo)進(jìn)行傳感探測(cè)，用于搜索、測(cè)定、識(shí)別和跟蹤潛艇和其他水中目標(biāo)，進(jìn)行水聲對(duì)抗，水下戰(zhàn)術(shù)通信、導(dǎo)航和武器制導(dǎo)、保障艦艇、反潛飛機(jī)的戰(zhàn)術(shù)機(jī)動(dòng)和水中武器的使用等。
六、在環(huán)境監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用前景廣闊
環(huán)境保護(hù)的前提是對(duì)各個(gè)環(huán)境參數(shù)（溫度、氣壓、大氣成份、噪聲……．）的監(jiān)測(cè)，這里需要使用多種大量的傳感器。采用強(qiáng)磁致伸縮非晶磁彈微型磁傳感器和感應(yīng)式磁傳感器，可以同時(shí)測(cè)量真空或密閉空間的溫度和氣壓，而且不用接插件，可以遙測(cè)和遠(yuǎn)距離訪問(wèn)。在食品包裝、環(huán)境科學(xué)實(shí)驗(yàn)等方面，應(yīng)用前景也很廣闊。
七、在其它工業(yè)應(yīng)用方面也引人關(guān)注
在其它工業(yè)應(yīng)用方面，磁性傳感器可用于電腦服務(wù)器等機(jī)器的不間斷電源(UPS)、焊接系統(tǒng)、機(jī)器人技術(shù)、火車(chē)運(yùn)輸基礎(chǔ)設(shè)施、非道路車(chē)輛和叉車(chē)。在許多測(cè)量50安培以下電流的應(yīng)用中，比如住宅太陽(yáng)能逆變器應(yīng)用或小型UPS系統(tǒng)，使用簡(jiǎn)單的resistive bar或分路(shunt)。但隨著所測(cè)電流強(qiáng)度的上升，shunt變得笨重和昂貴。在大型變頻電機(jī)等電流較高的應(yīng)用中，開(kāi)環(huán)與閉環(huán)霍爾傳感器在一個(gè)小型封裝中使用霍爾效應(yīng)IC;也可以提高集成度，在封裝中包含一個(gè)專用集成電路。霍爾IC同樣用于工業(yè)洗衣機(jī)變頻器控制應(yīng)用之中。除了電流傳感器，獨(dú)立霍爾效應(yīng)IC或磁阻傳感器開(kāi)關(guān)也存在規(guī)模一定的市場(chǎng)，這些器件用于電機(jī)整流，以降低紋波和改善性能，或者用于位置測(cè)量等…。
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