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传感器分类

放置在高速公路边的GMR传感器可以计算和区别通

  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。

  我国传感器产品仅有10大类、42小类、6000多个品种,品种繁多的磁性传感器只是其中一大类,它具有非接触测量、高可靠、坚固耐用、测量灵敏度高等基本特点。众所周知,磁场能够穿透许多非金属物质材料,因此无须直接接触目标物体就可触发交换过程。通过使用磁性导体(比如铁),磁场即可被传导到较远的距离,于是,信号就能从温度较高的区域传送出去。因此,人们把磁场、电流、应力应变、温度、光等引起敏感元件磁性能的变化转换成电信号,以这种方式来检测相应物理量的器件叫做磁性传感器。

  在工业应用领域,最流行的磁性传感器类型是电流传感器,包括分流电阻器、霍尔效应集成电路、电流感应变压器、开环与闭环霍尔器件以及磁通门传感器。

  在无刷电动机中,用磁性传感器来作转子磁极位置传感和定子电枢电流换向器,许多磁性传感器,霍尔器件、威根德器件、磁阻器件等都可以使用,但当前大量使用的,主要还是霍尔器件。另外磁性传感器还可以对电机进行过载保护及转矩检测;交流变频器用于电机调速,节能效果极好。由于磁编码器的使用显示出越来越多的优点,因此正在逐渐取代光编码器来对电机的转速进行检测和控制;例如,在电动车窗之中,传感器可以确定轴转动了多少圈,以控制车窗升降器的行程。传感器也可以探测到人手造成的异常负载情况,提供所谓的“防夹”功能,在碰到物体的时候,电机可以反转。用于直流电机换向和探测电流的电动助力转向传感器也是一个快速增长的应用,用于代替电动液压型系统。

  电力电子表技术是电力技术和电子技术的结合,可实现交直流电流的相互变换,并可在所需的范围内实现电流、电压和频率的自由调节。采用这些技术和产品,可做成各种特殊电源(如UPS、高频电源、开关电源、弧焊机逆变电源等)和交流变频器等产品。这些变频装置的核心,是大功率半导体器件。以磁性传感器为基础的各种电流传感器被用来监测控制和保护这些大功率器件。霍尔电流传感器响应速度快,且依靠磁场和被控电路耦合,不接入主电路,因而功耗低,抗过载能力强,线性好,可靠性高,既可作为大功率器件的过流保护驱动器,又可作为反馈器件,成为自控环路的一个控制环节。使用变频技术可以大量节能,目前国外使用的电能95%是经过变换来的,国内变频技术虽已受到高度重视,但仅有5%的电能经过这种变换,可见具其后续改造空间之大,将需求大量的电流传感器,这将是磁性传感器的又一巨大的产业性应用领域。

  电网的自动检测系统需采集大量的数据,经计算机处理之后,对电网的运行状况实施监控,并进行负载的分配调节和安全保护。自动监控系统的各个控制环节,都可用以磁性传感器为基础的电流传感器、互感器等来实现。霍尔电流传感器早已在电网系统中得到应用。用霍尔器件作成的电度表也已从研制转向实用化,它们可自动计费并可显示功率因数,以便随时进行调整,保证高效用电。

  磁信息记录装置除磁带、磁盘等之外,还有磁卡、磁墨水记录帐册、钞票的磁记录等,对磁信息存储和读出传感器有巨大需求。目前,感应磁头,薄膜磁阻磁头,非晶磁头等都获得了大量的使用。随着记录密度的提高,例如高到100G字节,需要更高灵敏度和空间分辨力的磁头。以多层金属薄膜为基础的巨磁阻磁头、用非晶合金丝制作的非晶合金磁头、巨磁阻抗磁头等正展开激烈的竞争。

  目前,国内外都在加强行车支持道路系统(AHS)、智能运输系统(].TS)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InT的GMI和SI传感器,可构成ITS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)等。在智能交通系统,如果你在公路上放置一个磁性传感器,任何一辆车在公路上开的时候,车走过的轨迹就能记录下来,从而可以控制高速公路的车流。

  去年动车出事以后,国家交通部为防止类似事故的发生,设计了许多方案,其中一个很简单方案,就是在动车沿线每隔两公里铺一个磁性传感器,这是一个单独系统,所以当动车没电的时候信号就可以自动传到调度中心。

  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。

  磁性传感器在汽车工业中的应用尤其普遍,例如包括汽车安全、汽车舒适性、汽车节能降耗等。单是在汽车车身应用领域,一辆车使用的磁性传感器与开关平均数量,就将从2008年的6.7颗,成长至2013年的9.4颗。据介绍,汽车领域占据了磁传感应用市场大约70Y0以上的份额。它在汽车中主要被用于车速、倾角、角度、距离、接近、位置等参数检测以及导航、定位等方面的应用,比如车速测量、踏板位置、变速箱位置、电机旋转、助力扭矩测量、曲轴位置、倾角测量、电子导航、防抱死检测、泊车定位、安全气囊与太阳能板中的缺陷检测、座椅位置记忆、改善导航系统的航向分辨率。在节能降耗中,尤其是在制造商目前面临减少点滴碳排放或其它污染物压力的时候,这方面的一个重点领域是马达,马达正在从存在摩擦力的“一刻不停”的滑轮系统向电子马达转变,后者可以按需控制。与此同时,电子马达向效率更高和更加可靠的有刷DC马达转变,而磁性传感器的应用能够让马达控制或换向更加精确。此外,汽车防抱死刹车系统(ABS)中的基本轮转速感测、转向系统中的扭矩感测、电子线控节气门系统和电池监测、智能电扇等都有着磁性传感器的身影。在混合动力电动汽车中,磁性传感器用于监控辅助电机逆变器。逆变器用于把电池直流电转换成电机的交流电。这种转换需要使用三个电流传感器,电机的每个相位都需要一个。高级汽车需要使用霍尔IC和AMR传感器。中低档轿车中有10多种电机,如风扇冷却、交流发电机以及风挡雨刷;豪华轿车拥有将近100个电机,其中包括用于空调送风机、电子转向与油门控制的传感器,用于自动化与新型双离合系统的传动传感器,以及用于座位位置调整、天窗、转速表、前灯位置调整、靠枕的传感器,甚至用于根据空气质量信息来控制进气风门。

  随着人口老龄化趋势的日渐明显,用以辅助健康和监护的医疗技术变得愈发重要。医疗

  传感器的应用和推广大大降低了人工成本和错误的产生,同时也提高了自动化程度和精确度,

  这一切使得持续的监控和治疗成为可能。磁性传感器在医疗领域中的应用,尽管规模要小于

  工业领域,但却能够在各种场合以各种方式辅助病人护理和监控:救护车,医院和家庭护理

  等。无论是在手术过程中,重症监护室,医院复健护理,还是在家庭护理方面,都提供了有

  效的方式以控制运动、气流、探测血压以及用药等挽救生命或者提高生命质量。它主要用于

  使用换向传感器的医疗设备之中用于电机控制,比如呼吸机、输液、胰岛素和肾脏透析机等

  方面的应用;电磁编码器霍尔传感器用于注射泵中检测流速以确定注射器是否为空和注射器

  是否堵塞的(应用于监测血液再造系统、自动血样分析系统)。德国卡塞尔大学科学家研制

  的一种带磁场的微型传感器通过遥控牵引磁化纳米生物分子,可将血液中极少量的特定蛋白

  质分子检测出来,从而通过正常的血液分析取代脊髓液检查。磁性传感器在医疗领域应用的

  另一个例子是用于准备样本的简单离心机,它用来帮助控制小型电机,使其变得更加安静和

  随着消费电子在全球的风靡,磁性传感器在消费电子中的应用表现也十分强劲,丝毫不逊色。例如手机、笔记本电脑、电子玩具、电子罗盘等中都有着非常广泛的应用。MEMS传感器与磁传感器在应用中互相促进,这对于推动磁性传感器在消费电子市场的逐步增长起着一定贡献。虽然磁阻传感器发展历程已经很漫长,技术相对成熟,但仅作为电子罗盘的单独应用,在以前并不被人们很看好,而现在它与MEMS的结合,会在导航市场成为一个亮点。由于MEMS和磁阻传感器在功能上可以互相补充,它们的结合使导航产品更加精准。如果把陀螺仪、加速度和磁传感器三种传感器集成在一起,三者在功能上互相辅助,则构成了功能更强大的惯性导航产品。

  在多轴测量电子罗盘中,磁性传感器担当着重要部件的角色。而目前具备GPS系统的手机与平板电脑都会采取多轴测量电子罗盘做为标配,这也让磁性传感器在无形之中搭上了消费电子的快车。目前磁性传感器在消费电子中的应用,还让游戏控制器、笔记本、数码相机等具有了地理标签功能。

  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。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。电子罗盘在武器/导弹导航(航位推测),航海和航空的高性能导航设备中功不可没。如果在水雷或地雷上安装磁性传感器,由于坦克或者军舰都是钢铁制造的,在它们接近(无须接触目标)时,传感器就可以探测到磁场的变化使水雷或地雷爆炸,提高了杀伤力。美国海军于20世纪80年代初开始研制Terfenol-D水下声纳,由永磁体产生偏磁场,螺线管产生交流磁场,随着磁场的变化环就膨胀收缩将声波发射出去,利用水声传播特性对水中目标进行传感探测,用于搜索、测定、识别和跟踪潜艇和其他水中目标,进行水声对抗,水下战术通信、导航和武器制导、保障舰艇、反潜飞机的战术机动和水中武器的使用等。

  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和感应式磁传感器,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,应用前景也很广阔。

  在其它工业应用方面,磁性传感器可用于电脑服务器等机器的不间断电源(UPS)、焊接系统、机器人技术、火车运输基础设施、非道路车辆和叉车。在许多测量50安培以下电流的应用中,比如住宅太阳能逆变器应用或小型UPS系统,使用简单的resistive bar或分路(shunt)。但随着所测电流强度的上升,shunt变得笨重和昂贵。在大型变频电机等电流较高的应用中,开环与闭环霍尔传感器在一个小型封装中使用霍尔效应IC;也可以提高集成度,在封装中包含一个专用集成电路。霍尔IC同样用于工业洗衣机变频器控制应用之中。除了电流传感器,独立霍尔效应IC或磁阻传感器开关也存在规模一定的市场,这些器件用于电机整流,以降低纹波和改善性能,或者用于位置测量等。

  

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