了解磁力計及其用途

文章出處：新聞資訊責任編輯：开云体育网页登录發表時間：2024-12-02 10:01:21

從(cong) 引導航天器穿越浩瀚的宇宙到精確定位我們(men) 腳下埋藏的寶藏，磁力計是我們(men) 所依賴的無數技術的無名英雄。但磁力計到底是什麽(me) ？從(cong) 本質上講，它是一種測量磁場強度和方向的設備，磁場是我們(men) 周圍看不見的力量。

但它們(men) 的應用遠遠超出了檢測金屬物體(ti) 的範圍。磁力計在導航係統、機器人、醫療設備甚至科學研究中至關(guan) 重要。在本文中，我們(men) 將深入研究不同類型的磁力計、它們(men) 的不同用途，以及它們(men) 如何徹底改變從(cong) 消費電子產(chan) 品到太空探索等行業(ye) 。

磁力計與(yu) 陀螺儀(yi) 和加速計結合使用，可實現精確的姿態確定和運動跟蹤。這種 3 軸磁力計、3 軸陀螺儀(yi) 和 3 軸加速度計的算法組合稱為(wei) 9 軸傳(chuan) 感器融合。傳(chuan) 感器融合的要點是，將來自構成 9 軸運動傳(chuan) 感基礎的三個(ge) 傳(chuan) 感器（磁力計、加速度計和陀螺儀(yi) ）的信息巧妙地組合起來，所提供的信息超出了其各個(ge) 組成部分的總和。優(you) 勢可以彌補劣勢，劣勢則依賴於(yu) 三者之間的某種神奇和巧妙的結合。

地球磁場示意圖

傳感器融合和運動跟蹤中的磁力計質量

傳(chuan) 感器融合的準確性僅(jin) 達到其最薄弱的傳(chuan) 感器鏈路。如果將一個(ge) 蹩腳的陀螺儀(yi) 放入方程式中，很明顯運動跟蹤也會(hui) 受到相應的影響。加速度計也是如此，當然還有磁力計。但磁力計從(cong) 一開始就一直是三者中最神秘和最古怪的，隻有很少的工程師徹底理解它的貢獻、動力學和特性。好的磁傳(chuan) 感器如何影響融合和運動跟蹤的結果？到底什麽(me) 是好的磁力計和不太好的磁力計呢？

什麽是磁力計，它們的用途是什麽？

磁力計是用於(yu) 測量磁場的設備。磁力計的主要目的是準確檢測磁場變化，其輸出用於(yu) 導航、物體(ti) 檢測和位置跟蹤等。目前有多種類型的磁力計，包括磁通門、光泵浦、超導量子幹涉器件 (SQUID)、霍爾效應傳(chuan) 感器、磁阻傳(chuan) 感器、洛倫(lun) 茲(zi) 力和磁感應傳(chuan) 感器。

• 磁通門磁力計：磁通門技術使用具有磁滯現象的磁性材料，使它們(men) 能夠輕鬆測量磁場中最微小的變化。雖然磁通門磁力計具有良好的靈敏度，但往往體(ti) 積龐大且功耗相當大，限製了它們(men) 在緊湊型設備中的適用性。

• 光泵磁力計：這些磁力計利用原子蒸氣室和激光來測量磁場。光泵磁力計以其高靈敏度和準確性而聞名，使其適合科學研究。然而，它們(men) 複雜的設計和相對較高的成本限製了它們(men) 在商業(ye) 應用中的廣泛采用。

• SQUID 磁力計： SQUID 磁力計以其極高的靈敏度而聞名。這些傳(chuan) 感器利用超導材料，通過檢測超導電路中的量子幹涉來測量磁場的變化。然而，它們(men) 對低溫的依賴以及需要小心處理使得它們(men) 很難在大多數應用中使用。

• 霍爾效應磁力計：霍爾效應傳(chuan) 感器利用霍爾效應檢測磁場強度。導體(ti) 上產(chan) 生電勢差稱為(wei) 電壓的產(chan) 生。垂直於(yu) 磁場。盡管霍爾效應磁力計尺寸緊湊且功耗低，但其靈敏度有限，主要用於(yu) 檢測應用的開啟或關(guan) 閉類型。

• 磁阻 (MR) 傳(chuan) 感器：所有磁阻傳(chuan) 感器的工作原理是，沉積在半導體(ti) 基板上的某些磁性材料會(hui) 隨所施加的磁場的變化而改變其抵抗電流的能力。磁阻傳(chuan) 感器的主要形式有各向異性磁阻（AMR）、隧道磁阻（TMR）和巨磁阻（GMR）。所有這三種技術都表現出基於(yu) 施加磁場的傳(chuan) 導變化，盡管它們(men) 實現這些變化的方式略有不同。所有這三種產(chan) 品都具有相似的磁性測量功能，而選擇其中一種的原因通常是圍繞特定供應商的可製造性問題。 AMR 是迄今為(wei) 止最常用的磁阻磁傳(chuan) 感器形式。

• 洛倫(lun) 茲(zi) 力磁力計：如今，旭化成微器件 (AKM) 生產(chan) 市場領先的芯片級磁力計，其技術基於(yu) 洛倫(lun) 茲(zi) 力原理，這一原理體(ti) 現在其專(zhuan) 有的霍爾效應傳(chuan) 感器中。

這個(ge) 概念很簡單。通過在所需的電流路徑上施加電壓，在半導體(ti) 材料中產(chan) 生電流。當電子流過半導體(ti) 介質時，另一組無源電極垂直於(yu) 電流流動方向放置，以便施加到電流流動路徑的任何橫向磁場都會(hui) 導致電子朝一個(ge) 或另一個(ge) 方向輕微偏轉的傳(chuan) 感電極。電子的這種偏轉是由電流通過磁場運動產(chan) 生的洛倫(lun) 茲(zi) 力引起的。

可以想象，在不大於(yu) 1.5 毫米 x 1.5 毫米的芯片上的電極之間傳(chuan) 輸電流的微小距離內(nei) ，由像地球一樣弱的磁場引起的偏轉量幾乎無法檢測到。事實上，矽基霍爾效應傳(chuan) 感器隻能獲得非常嘈雜的信號，因此 AKM 使用更奇特的半導體(ti) 基板以及奇特的摻雜材料。這有助於(yu) 增強信號，使 AKM 的霍爾效應傳(chuan) 感器可以用作地磁羅盤。在地磁場測量設備領域，AKM 的傳(chuan) 感器速率在可接受的性能方麵是最低的。另外，由於(yu) 霍爾效應傳(chuan) 感器的自然測量軸與(yu) 芯片平麵正交，X 和 Y 分量測量是通過巧妙的環形通量集中器完成的，該集中器將磁場的 X 和 Y 分量彎曲到傳(chuan) 感器的敏感部分。這進一步降低了傳(chuan) 感器的一些測量能力。

在為(wei) 特定應用選擇正確的傳(chuan) 感器時，了解不同類型的磁力計及其獨特的特性至關(guan) 重要。每種技術都有獨特的優(you) 點和局限性，我們(men) 將在下麵的比較中探討這些優(you) 點和局限性

磁力計類型	優點	缺點
磁通門磁力計	靈敏度高、量程寬，可測量靜態場	體積大、功耗高
光泵磁力計	極高的靈敏度、極高的準確度	設計複雜、昂貴、需要受控環境
SQUID 磁力計	極高的靈敏度，極低的噪音	需要低溫冷卻、精細處理
霍爾效應磁力計	結構緊湊、成本低、功耗低	靈敏度有限，精度受溫度影響
磁阻 (MR) 傳感器	結構緊湊、成本低、功耗低、靈敏度好	對溫度變化敏感，需要校準，易受磁場幹擾
洛倫茲力磁力計	結構緊湊、成本低、靈敏度好	對溫度有些敏感性，可能需要校準
磁感應式傳感器	高靈敏度、高精度、超大動態範圍、不易受磁幹擾、低功耗	尺寸比芯片級傳感器更大

磁感應傳感器

磁感應傳(chuan) 感器因其準確可靠的磁場測量而成為(wei) 霍爾效應磁力計和磁阻傳(chuan) 感器的絕佳替代品。

它們(men) 比霍爾效應和 MR 傳(chuan) 感器更大。盡管如此，盡管它們(men) 的尺寸很大，但與(yu) 競爭(zheng) 技術中成本最低的磁傳(chuan) 感器相比，它們(men) 仍然非常具有成本競爭(zheng) 力，並且在信噪比和靈敏度方麵表現好一個(ge) 數量級。它們(men) 還具有極大的測量動態範圍，非常適合在具有挑戰性的磁性環境中進行地磁場測量，例如許多實際應用中的情況。

磁力計應用

雖然磁力計在運動跟蹤中的作用至關(guan) 重要，但它們(men) 是多功能傳(chuan) 感器，其應用跨越行業(ye) 和科學學科。讓我們(men) 深入探討他們(men) 發揮作用的一些關(guan) 鍵領域：

1.導航和定向：

• 智能手機和平板電腦：您徒步旅行時使用的指南針應用程序？它由磁力計供電，感應地球磁場，為(wei) 您指明正確的方向。但它不僅(jin) 僅(jin) 是一個(ge) 簡單的指南針。在《Pokémon Go》等 AR 遊戲中，磁力計有助於(yu) 將虛擬世界與(yu) 您的真實環境保持一致，讓這些數字生物看起來就像就在您麵前一樣。

• 無人機和機器人：磁力計為(wei) 無人機和機器人提供重要的航向信息，確保它們(men) 即使在 GPS 信號不可用時也能保持在航線上（想想室內(nei) 倉(cang) 庫或災區）。一些高端無人機使用磁力計進行障礙物檢測，感測大型金屬物體(ti) 引起的磁場變化。

2.物體檢測：

• 金屬探測器：機場安全、尋寶，甚至尋找埋在地下的管道——所有這些都依靠磁力計來檢測金屬的存在。當附近有金屬物體(ti) 時，磁場的變化會(hui) 觸發警報。

• 車輛檢測：磁力計嵌入道路中，可以感知車輛的通行，為(wei) 交通管理、停車係統甚至收費提供數據。

3、科學研究：

• 地質調查：安裝在飛機或船上的磁力計用於(yu) 繪製地球磁場圖並發現隱藏的地質結構，例如礦床或水下火山。

• 太空探索：衛星使用磁力計研究其他行星和衛星的磁場，為(wei) 我們(men) 提供有關(guan) 其組成和潛在宜居性的線索。

4.醫療應用：

• 心跳監測：極其靈敏的磁力計可以檢測人體(ti) 心髒產(chan) 生的微弱磁場，提供一種非侵入性的方式來監測心髒健康狀況。

• 腦成像 (MEG)：腦磁圖 (MEG) 使用磁力計陣列來測量大腦活動產(chan) 生的磁場，有助於(yu) 診斷神經係統疾病。

5.利基和新興應用：

• 考古調查：磁力計有助於(yu) 定位埋藏的文物或結構，而無需挖掘。

• 動物追蹤：一些研究使用磁力計來追蹤依靠地球磁場進行導航的動物的遷徙模式。

• 潛艇探測：軍(jun) 用磁力計用於(yu) 探測潛艇引起的地球磁場扭曲，這對海軍(jun) 行動至關(guan) 重要。

這隻是磁力計應用廣闊世界的一瞥。隨著傳(chuan) 感器技術的不斷進步，我們(men) 可以預期更多創造性和影響力的用途將會(hui) 出現。

結論

磁力計在無數依賴磁場精確測量的應用中發揮著不可或缺的作用。在各種類型的磁力計中，磁感應傳(chuan) 感器技術以其準確性、功效和多功能性而脫穎而出。磁感應傳(chuan) 感器能夠提供高精度的磁場測量，不斷革新磁傳(chuan) 感領域，推動從(cong) 軍(jun) 事定位導航工作到汽車、機器人、消費電子和可穿戴應用等領域的進步。