關(guān)于丹麥Brüel&Kj?r磁傳感器的應(yīng)用介紹

MM-0002 DISCONTINUED: 磁傳感器 設(shè)計(jì)用于振動(dòng)速度測(cè)量或電磁振動(dòng)激振器

應(yīng)用與市場(chǎng)

磁傳感器的應(yīng)用十分廣泛，已在國(guó)民經(jīng)濟(jì)、國(guó)防建設(shè)、科學(xué)技術(shù)、醫(yī)療衛(wèi)生等領(lǐng)域都發(fā)揮著重要作用，成為現(xiàn)代傳感器產(chǎn)業(yè)的一個(gè)主要分支。在傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)應(yīng)用和改造、資源探查及綜合利用、環(huán)境保護(hù)、生物工程、交通智能化管制等各個(gè)方面，它們發(fā)揮著愈來(lái)愈重要的作用。下面就一些重要方面的應(yīng)用作一論述。

丹麥Brüel&Kj?r磁傳感器的產(chǎn)業(yè)應(yīng)用

磁傳感器已經(jīng)在許多領(lǐng)域獲得了產(chǎn)業(yè)性的應(yīng)用，每年所需用的磁傳感器的總數(shù)量以數(shù)十億計(jì)。

1.1 電機(jī)工業(yè)

無(wú)刷電動(dòng)機(jī)具有體積小、重量輕、效率高、調(diào)速方便、維護(hù)少、壽命長(zhǎng)、不產(chǎn)生電磁干擾等一系列優(yōu)點(diǎn)，年需求量數(shù)以億計(jì)。

在無(wú)刷電動(dòng)機(jī)中，用磁傳感器來(lái)作轉(zhuǎn)子磁極位置傳感和定子電樞電流換向器。許多磁傳感器，霍爾器件、威根德器件、磁阻器件等都可以使用，但大量使用的，主要是霍爾器件。

電機(jī)的轉(zhuǎn)速檢測(cè)和控制使用了的旋轉(zhuǎn)編碼器，過(guò)去多用光編碼器。磁編碼器的使用顯示出越來(lái)越多的優(yōu)點(diǎn)，正在逐漸取代光學(xué)器件。使用磁傳感器還可以對(duì)電機(jī)進(jìn)行過(guò)載保護(hù)(主要用霍爾電流傳感器)及轉(zhuǎn)矩檢測(cè)。

1.2 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(交流變頻器用于電機(jī)調(diào)速，節(jié)能效果好)。這些變流裝置的核心，是大功率半導(dǎo)體器件。以磁傳感器為基礎(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)。使用變流技術(shù)可以大量節(jié)能，國(guó)外使用的電能95%是經(jīng)過(guò)變換來(lái)的，國(guó)內(nèi)變流技術(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)具有巨大的應(yīng)用前景。其中，可能吸納大量的電流傳感器，是磁傳感器的又一巨大的產(chǎn)業(yè)性應(yīng)用領(lǐng)域。

1.3 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)?；魻栯娏鱾鞲衅饕阎鸩皆陔娋W(wǎng)系統(tǒng)中得到應(yīng)用。用霍爾器件作成的電度表已從研制逐步轉(zhuǎn)向?qū)嵱没?，它們可自?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。

1.4 計(jì)算機(jī)技術(shù)與信息讀寫磁頭

磁信息記錄裝置除磁帶、磁盤等之外，還有磁卡、磁墨水記錄帳冊(cè)、鈔*的磁記錄等，對(duì)磁信息存儲(chǔ)和讀出傳感器有巨大需求。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)。

1.5 汽車工業(yè)

在汽車中，使用大量的電機(jī)(高級(jí)汽車每輛約需40～60臺(tái)電機(jī)，一般汽車中也有15臺(tái)，這些電機(jī)呈現(xiàn)出無(wú)刷化趨勢(shì))，其中使用磁傳感器的數(shù)量之大，不言而喻;另一個(gè)大量使用磁傳感器的是汽車的ABS系統(tǒng)(防抱制動(dòng)系統(tǒng))，平均每臺(tái)汽車要使用4～6只速度傳感器，使用的主要是感應(yīng)式速度傳感器。正在逐步推廣的新型的霍爾齒輪傳感器，以及威氏器件、非晶器件、磁阻器件等即將進(jìn)入這一領(lǐng)域。

另外是汽車發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)點(diǎn)火定時(shí)用的速度傳感器及點(diǎn)火器。這些方面也主要使用感應(yīng)傳感器?；魻桚X輪傳感器和霍爾片開(kāi)關(guān)已經(jīng)在一些車型中使用。據(jù)霍尼威爾公司報(bào)導(dǎo)，截止1996年6月，他們已向汽車工業(yè)供應(yīng)了8000萬(wàn)只霍爾翼片開(kāi)關(guān)和300萬(wàn)只霍爾齒輪速度傳感器。據(jù)預(yù)測(cè)，未來(lái)在一輛汽車中，將采用30多只象霍爾傳感器那樣的磁傳感器。

還有在工業(yè)自動(dòng)控制、機(jī)器人、辦公自動(dòng)化、家用電器及各種安全系統(tǒng)等領(lǐng)域，除大量使用無(wú)刷直流電機(jī)，交流變頻器等之外，在電冰箱、空調(diào)器、電飯煲等裝置中，使用了大量的磁性溫度控制器，上世紀(jì)80年代中期已經(jīng)超過(guò)數(shù)億只。

在傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)改造中的應(yīng)用及市場(chǎng)

據(jù)報(bào)道，1995年僅工業(yè)過(guò)程控制傳感器的*市場(chǎng)已達(dá)到260億美元;2001年計(jì)算機(jī)HDD用SV-GMR磁頭的市場(chǎng)超過(guò)了4000億日元(約合34億美元)。若采用新型微型磁傳感器，既使操作更簡(jiǎn)便，又提高了可靠性，增長(zhǎng)了器件壽命，降低了成本。

使用新型磁傳感器可以顯著提高測(cè)量和控制精度，如使用GMI(巨磁阻抗)磁場(chǎng)傳感器，檢測(cè)分辨率和常用磁通門磁強(qiáng)計(jì)一樣，而響應(yīng)速度卻快了一倍，消耗功率僅為后者的1%;若用霍爾器件，其分辨率僅4A/m，而所需外場(chǎng)比前者高300余倍;在應(yīng)力檢測(cè)中，SI 傳感器的靈敏度是常用電阻絲的2000倍高，是半導(dǎo)體應(yīng)變規(guī)的20～40倍。工業(yè)機(jī)床的油壓或氣壓汽缸活塞位置檢測(cè)，廣泛采用套在活塞桿上的永磁環(huán)和AMR元件組成的磁傳感器，檢測(cè)精度達(dá)0.1mm，檢測(cè)速度可在0～500mm/s內(nèi)以高低速度變換;改用GMI或SV-GMR傳感器后，測(cè)量精度至少可以提高1個(gè)數(shù)量級(jí)。在機(jī)床數(shù)控化時(shí)代，數(shù)字磁尺幫助設(shè)計(jì)師們實(shí)現(xiàn)了閉環(huán)控制。使用絕對(duì)信號(hào)輸出的磁尺，則不受噪聲、電源電壓波動(dòng)等干擾，也不必原點(diǎn)復(fù)位。使用工作狀態(tài)磁敏開(kāi)關(guān)，還可以完成手動(dòng)與數(shù)控之間的轉(zhuǎn)換。

旋轉(zhuǎn)磁編碼器在旋轉(zhuǎn)量的檢測(cè)控制中起關(guān)鍵作用，它在數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人、工廠自動(dòng)化設(shè)備的位置檢測(cè)、傳輸速度控制，磁盤、打印機(jī)之類的自動(dòng)化設(shè)備通訊設(shè)備的旋轉(zhuǎn)量檢測(cè)中都是不*缺*的重要部件。其檢測(cè)對(duì)象是光磁圖形，不受油霧粉塵的影響，因此比目前優(yōu)良的光編碼器的可靠性高壽命長(zhǎng)，尤其適合于自動(dòng)焊接、油漆機(jī)器人和與鋼鐵有關(guān)的位置檢測(cè)以及各種金屬、木材、塑料等加工行業(yè)的應(yīng)用。而仍大量使用光編碼器，由于這種器件易受粉塵、油污和煙霧的影響，用在自動(dòng)焊接、油漆機(jī)器人、紡織和鋼鐵、木料、塑料等的加工中，可靠性極差。應(yīng)用AMR、GMR 、GMI敏感元件構(gòu)成的旋轉(zhuǎn)磁編碼器，就不存在上述缺點(diǎn)，因此，它們的市場(chǎng)需求年增長(zhǎng)率在30%以上。在家用電器和節(jié)能產(chǎn)品中也也有其廣泛的應(yīng)用潛力，在節(jié)能環(huán)保產(chǎn)品中也大有用武之地。若使用微型磁編碼器和控制微機(jī)一體化，更有利于簡(jiǎn)化控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，減少元件數(shù)和占空體積，這在精密制造和加工業(yè)中意義十分重大。

在環(huán)境監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

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，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)用前景廣闊。

在交通管制中的應(yīng)用

交通事故和交通阻塞是城市中和城市間交通存在的一個(gè)大問(wèn)題。國(guó)內(nèi)外都在加強(qiáng)高速公路行車支持道路系統(tǒng)(AHS)、智能運(yùn)輸系統(tǒng)(ITS)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)1nT的GMI和SI傳感器，可構(gòu)成ITS傳感器(作高速路上的道路標(biāo)志，測(cè)車輪角度，貨車近接距離)，汽車通過(guò)記錄儀(測(cè)通行方向、速度、車身長(zhǎng)度、車種識(shí)別)，停車場(chǎng)成批車輛傳感器，加速度傳感器(測(cè)車輛通過(guò)時(shí)路橋的振動(dòng)等)。

磁傳感器在電子羅盤中的應(yīng)用

幾個(gè)世紀(jì)以來(lái)，人們?cè)趯?dǎo)航中一直使用磁羅盤。有資料顯示早在二千多年前中國(guó)人就開(kāi)始使用天然磁石-一種磁鐵礦來(lái)指示水平方向。電子羅盤(數(shù)字羅盤，電子指南針，數(shù)字指南針)是測(cè)量方位角(航向角)比較經(jīng)濟(jì)的一種電子儀器。如今電子指南針廣泛應(yīng)用于汽車和手持電子羅盤，手表，手機(jī)，對(duì)講機(jī)，雷達(dá)探測(cè)器，望遠(yuǎn)鏡，探星儀，穆斯林麥加探測(cè)器(穆斯林鐘)，手持 GPS 系統(tǒng)，尋路器，導(dǎo)航( 航位推測(cè) )，位置/方位系統(tǒng)，安全/定位設(shè)備，汽車、航海和航空的高性能導(dǎo)航設(shè)備，電子游戲機(jī)設(shè)備等需要方向或姿態(tài)顯示的設(shè)備。

地球本身是一個(gè)大磁鐵，地球表面的磁場(chǎng)大約為0.5Oe，地磁場(chǎng)平行地球表面并始終指向北方。利用GMR薄膜可做成用來(lái)探測(cè)地磁場(chǎng)的傳感器。圖5顯示這種傳感器的具體工作原理。我們可以制出能夠探測(cè)磁場(chǎng)X和Y方向分量的集成GMR傳感器。此傳感器可作為羅盤并應(yīng)用在各種交通工具上作為導(dǎo)航裝置。美國(guó)的NVE公司已經(jīng)把GMR傳感器用在車輛的交通控制系統(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)車輛的速度和車輛的長(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。另外高靈敏度和低磁場(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)。當(dāng)然，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。 

門磁傳感器在智能家居中的應(yīng)用

在智能家居門禁系統(tǒng)中門磁開(kāi)關(guān)的作用是負(fù)責(zé)門磁通電否，通電帶磁(閉門)，斷電消磁(開(kāi)門)，門磁安裝于門與門套上，開(kāi)關(guān)安裝于屋內(nèi)，配合自動(dòng)閉門器使用，一般可承受150公斤的拉力。

有線門磁為嵌入式安裝更加隱蔽，感應(yīng)門窗的開(kāi)合，適用于木質(zhì)或鋁合金門窗發(fā)出有線常閉/常開(kāi)開(kāi)關(guān)信號(hào)。門磁是用來(lái)探測(cè)門、窗、抽屜等是否被非法打開(kāi)或移動(dòng)。它由無(wú)線發(fā)射器和磁塊兩部分組成。門磁系統(tǒng)其實(shí)和床磁等原理相同。

丹麥Brüel&Kj?r磁傳感器MM-0002是一種可變磁阻裝置，可用于振動(dòng)速度測(cè)量或電磁振動(dòng)激振器。移動(dòng)部件可以是測(cè)試結(jié)構(gòu)本身，要求它是鐵磁性的，或者是提供一個(gè)高磁導(dǎo)率盤，粘合到電磁體對(duì)面的振動(dòng)結(jié)構(gòu)上。使用情景

無(wú)接觸速度檢測(cè)或激勵(lì)

不需要絕對(duì)值的振動(dòng)測(cè)量

計(jì)數(shù)機(jī)械事件，或配合電子計(jì)數(shù)器測(cè)量事件之間的時(shí)間

觸發(fā)頻閃儀，示波器，跟蹤濾波器等