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什么是磁力計(jì)?

發(fā)布時(shí)間:2023-05-13 責(zé)任編輯:lina

【導(dǎo)讀】磁力計(jì)是可以測量磁場大小或方向的設(shè)備。它們在電子產(chǎn)品中幾乎無處不在。它們可能像您的智能手機(jī)用來檢測它是否直立的那樣簡單,也可能像 NASA 用來測量火星磁場的那樣復(fù)雜。 


磁力計(jì)是可以測量磁場大小或方向的設(shè)備。它們在電子產(chǎn)品中幾乎無處不在。它們可能像您的智能手機(jī)用來檢測它是否直立的那樣簡單,也可能像 NASA 用來測量火星磁場的那樣復(fù)雜。 

在這里,我們將了解磁力計(jì)的基本原理及其應(yīng)用。在以后的文章中,我們將仔細(xì)研究特定類型的磁力計(jì)。

磁力計(jì)如何工作?

磁力計(jì)通常通過間接方法測量所謂的磁矩。具有面積 A 和電流 I 的閉環(huán)的磁矩是一個(gè)矢量,其大小等于 I 乘以 A。該環(huán)路經(jīng)歷的扭矩等于磁矩乘以磁場。

在數(shù)學(xué)上,磁矩表示如下:

τ = 扭矩 
m = 磁矩
B = 外部磁場

作為矢量,磁場的方向與其振幅一樣重要。一些磁力計(jì)可以測量磁場的方向和大?。ㄊ噶看帕τ?jì)),而其他磁力計(jì)只能測量其幅度(標(biāo)量磁力計(jì))。

關(guān)于單位,國際系統(tǒng) (SI) 單位是 Am 2。然而,它通常以許多其他單位表示,例如$$frac{erg}{G}$$,其中 erg 是一個(gè)能量單位,相當(dāng)于 10 -7 焦耳,G 是一個(gè) 高斯。

磁力計(jì)和磁滯曲線

當(dāng)磁性材料浸入磁場中時(shí),其特性會(huì)發(fā)生變化。根據(jù)這些材料在施加磁場之前和之后對磁場的反應(yīng)方式,它們分為順磁性、抗磁性或鐵磁性材料組。除此之外,還有非磁性材料,它們具有弱磁性。

表示磁性能的工具是磁滯曲線。它表示磁通密度 B 與磁場強(qiáng)度 H 的關(guān)系。


什么是磁力計(jì)?
圖 1. 滯后曲線示例。圖片由NDT 資源中心提供


磁性材料顯著的方面是,即使我們移除所施加的力,它們?nèi)员3执呕癄顟B(tài)(即,它們表現(xiàn)出保持性)。然后,為了使材料返回到初始點(diǎn),需要施加負(fù)磁場強(qiáng)度 (H) 使其消磁(矯頑力)。

由于磁性材料的特殊性及其廣泛的應(yīng)用,以良好的分辨率測量其性能的能力帶來了物理和材料領(lǐng)域的革命。

高靈敏度電子測量

與許多其他傳感器一樣,磁性傳感器伴隨著一組電子系統(tǒng),以便處理小電信號(hào)并生成微控制器、處理器或人類可讀的輸入。這些系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和構(gòu)建是一項(xiàng)挑戰(zhàn),因?yàn)樵诖蠖鄶?shù)情況下,信號(hào)非常小并且對噪聲非常敏感。因此,設(shè)計(jì)人員需要在電路復(fù)雜性、傳感器容量和成本之間取得平衡。 

有一些經(jīng)常使用且相對簡單的組件,例如濾波器或放大器,但也有其他更復(fù)雜的組件,例如調(diào)制解調(diào)鏈或鎖定放大器。 

隨著小型化的進(jìn)展,經(jīng)常會(huì)發(fā)現(xiàn)部分模擬調(diào)理電路在信號(hào)鏈中的集成電路 (IC) 內(nèi)實(shí)現(xiàn),因?yàn)榕c分立解決方案相比,它更不易出錯(cuò)且更緊湊。


什么是磁力計(jì)?
圖 2. 霍爾傳感器 IC 的內(nèi)部零件。圖片由Allegro提供


另一方面,集成解決方案的靈活性可能較低。在特定或新穎的應(yīng)用中工作時(shí),設(shè)計(jì)人員可能更喜歡分立式選項(xiàng),因?yàn)樗麄兛赡苄枰_發(fā)新的調(diào)節(jié)鏈。

磁力計(jì)應(yīng)用

磁力計(jì)廣泛用于日常應(yīng)用中。通常,復(fù)雜的傳感器是為高度化的實(shí)驗(yàn)室保留的,例如斯特拉斯堡的材料物理和化學(xué)。這種磁力計(jì)可以包括振動(dòng)樣本磁力計(jì)、SQUID 磁力計(jì)和 AGFM(替代梯度場磁力計(jì))等。

霍爾效應(yīng)傳感器廣泛用于強(qiáng)磁場應(yīng)用。它們的應(yīng)用是電機(jī)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用中的運(yùn)動(dòng)檢測和控制。


什么是磁力計(jì)?
圖 3. 霍爾傳感器 IC。圖片由 Microchip 提供


通常會(huì)放置一些傳感器,通常是兩個(gè)或三個(gè),在空間上分布在電機(jī)軸周圍,觸發(fā)傳感器的金屬部件位于它們前面。每次金屬部件經(jīng)過傳感器前面時(shí),它們都會(huì)生成方波或正弦信號(hào),用于計(jì)算速度或位置。

MEMS 磁力計(jì)在市場上也很容易找到。它們通常是慣性運(yùn)動(dòng)單元 (IMU) 的一部分,用于測量加速度、角速度和磁場。STMicroelectronics 的 eCompasses等模型可以集成在 PCB 中,然后連接到濾波器或微控制器等其他部件。您可能會(huì)發(fā)現(xiàn)這些磁力計(jì)用于智能手機(jī)屏幕中的運(yùn)動(dòng)檢測等應(yīng)用,可根據(jù)其水平或垂直方向自動(dòng)調(diào)整顯示屏的信息。 


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