無端子連接

　　盡管磁傳感器的使用難度更大，但卻能提供精確、可靠的數(shù)據(jù)，而且無需使用物理端子。
　　監(jiān)控溫度、壓力、張力或流量等屬性的傳感器會提供與所需參數(shù)直接相關(guān)的輸出信號。 另一方面，磁傳感器不同于大多數(shù)的這類檢測器，因為磁傳感器通常不是直接測量相關(guān)的物理屬性。而是檢測變化，或者由物體或事件造成或改變的磁場干擾。因此，磁場可能帶有與方向、存在狀態(tài)、選裝、角度或電流等屬性相關(guān)的信息，而這些信息將由磁傳感器轉(zhuǎn)換為電壓。少數(shù)磁傳感器是完全測量磁場，例如指南針中測量地磁場。輸出信號需經(jīng)過一些信號處理以轉(zhuǎn)換為所需參數(shù)。顯然，磁場分布取決于產(chǎn)生或干擾磁場的物體（即磁體、電流等）或事件的距離和形式。因此在應(yīng)用設(shè)計中，應(yīng)始終考慮傳感器和產(chǎn)生磁場的物體這兩方面的因素，這一點非常重要。盡管磁傳感器的使用難度更大，但卻能提供精確、可靠的數(shù)據(jù)，而且無需使用物理端子。

　　磁阻效應(yīng)

　　1857 年，Lord Kelvin 將一個鐵塊放在磁場中，注意到鐵塊的電阻發(fā)生了微弱變化，由此發(fā)現(xiàn)了磁阻效應(yīng)。 但直到 100 多年后的 1971 年，才由 Hunt 第一次提出了磁阻 (MR) 傳感器的概念。又經(jīng)過 20 年，到了 1991 年，IBM 公司在硬盤驅(qū)動器中引入了第一個 MR 頭，使用一條磁阻材料來檢測位數(shù)。早期時候，MR 傳感器只是用于要求不高的價格標(biāo)簽和標(biāo)記閱讀器（只讀）和磁帶應(yīng)用中（1985 年）。亨特元件的幾何結(jié)構(gòu) – 磁阻薄膜具有感應(yīng)電流 I 和磁化矢量 M，與薄膜平面上的電流形成角度 α，以此確定信號（見圖 1）。磁場 Hy 耦合到軟磁傳感器材料中，這將改變由感應(yīng)電流探測的帶條電阻系數(shù)。

　　MR 效應(yīng)的物理起源

　　過渡金屬中磁阻效應(yīng)的物理起源在于依賴電子散射的磁化方向。在過渡金屬中，主要的電流載體是 4s 電子，因為其遷移率高于 3d 電子。當(dāng)電子從平行方向遷移到磁化方向時，從 s 到 d 頻段的電子散射最高。

　　惠斯通電橋

　　在大多數(shù)應(yīng)用中，并不適合使用理論性的亨特元件，因為其不能提供零基準(zhǔn)。通過使用惠斯通電橋，可避免這種劣勢以及電阻的溫度依賴性。

　　磁單位

　　不熟悉磁學(xué)知識的普通讀者會認(rèn)為，磁單位的使用情況相當(dāng)混亂。下表應(yīng)能幫助快速找到不同單位之間所用的換算系數(shù)：

　　表 1：磁單位的換算系數(shù)；

　　磁阻傳感器

　　磁阻傳感器基本可分為兩個類別。 在高磁場應(yīng)用中，例如施加場的磁場強度高到足以使軟磁傳感器材料達(dá)到飽和（約為 H>10 kA/m）時，傳感器中的磁化矢量始終（幾乎）平行于施加場。磁阻高磁場傳感器的一個常見應(yīng)用是非接觸式角度傳感器，例如 KMT32B、KMT36H 或 MLS 位移傳感器。在低磁場應(yīng)用中，磁化矢量主要由帶條的形式?jīng)Q定，因為磁化顯示了縱向流變的自然偏好。外部磁場導(dǎo)致帶條中磁化的 α 扭曲，在 MR 效應(yīng)的作用下改變了電阻。此模式中通常會使用線性低磁場傳感器，例如 MR174B 沖模、KMY 傳感器和 MS32 等開關(guān)傳感器。

　　MR 傳感器

　　帶有線性化傳遞曲線

　　對亨特元件施加低磁場只會引起磁化的輕微變化，反過來公式 (1) 中的余弦項將很難隨 α 的輕微變化發(fā)生更改。亨特元件對較小的磁場強度不敏感。為了使 MR 傳感器能夠感應(yīng)到低磁場，必須修改 MR 傳遞曲線 (1)。最常用的方式是通過巴伯極來實現(xiàn)（見圖 2）。 

　　巴伯極是很小的高導(dǎo)電金屬條，放置在坡莫合金的頂部。受幾何結(jié)構(gòu)作用，其將對坡莫合金中的電流進(jìn)行分流并改變電流通路，但并不會改變磁性行為。巴伯極間隙之間的電流將沿最短的通路傳遞，例如垂直于巴伯極。

　　圖 2：在 MR 帶條上覆蓋高導(dǎo)電巴伯極將能改變亨特元件中的電流方向，但不會改變坡莫合金的磁性行為。

　圖 3：MR 元件的特色傳遞曲線，(a) 不帶有和 (b) 帶有巴伯極。

　　傳感器線性

　　傳感器輸出信號的線性取決于實信號振幅與最大輸出電壓振幅之間的關(guān)系。圖 4 顯示了與此商數(shù)有關(guān)的線性偏差（以百分比表示）：

　　圖 4：KMY20S/M 和 KMZ20S/M 的線性

　　傳感器穩(wěn)定性

　　無論是平行還是反平行于外部磁場，磁疇的靜磁能都是相同的。也就是說，穩(wěn)態(tài)環(huán)境下的磁疇可能在兩個方向之間搖擺不定。使用高磁場傳感器后，就不會出現(xiàn)此問題，因為 α 的傳遞曲線是二次型。但使用巴伯極傳感器時，會產(chǎn)生戲劇性效果，因為現(xiàn)在輸出信號也發(fā)生了變化。

　　正因如此，諸如巴伯極傳感器之類的低磁場磁阻傳感器必須通過外部附加磁場 (Hx) 進(jìn)行穩(wěn)定（偏磁），而該外部磁場最好是沿 MR 帶條方向（即 X 方向）。該磁場的唯一任務(wù)是確定磁疇校準(zhǔn)的優(yōu)先方向。偏磁場必須足夠強大，以確保干擾磁場無法轉(zhuǎn)變磁疇。有實證研究發(fā)現(xiàn)，偏磁場強度大于2.5 kA/m 左右即可確保傳感器保持適當(dāng)性能。

　　圖 5：巴伯極傳感器在不同偏磁場中的特色曲線。

　　較小的偏磁場

　　請記住，偏磁場將能改變傳感器的靈敏度。這從圖 x 和表 x 中可以看出。

　　圖 6：靈敏度與偏磁場。

　　某些應(yīng)用中需要高靈敏度。此時，可在沒有偏磁場的情況下工作。為此，傳感器必須預(yù)先處理好：測量前，通過所定義 x 方向的短磁脈沖對磁化進(jìn)行翻轉(zhuǎn)（稱為預(yù)磁化）。為了避免在預(yù)磁化到測量之間的時間內(nèi)發(fā)生帶條磁化翻轉(zhuǎn)，必須將外部磁場的強度限制為約小于 0.5 kA/m。

　　表 2：靈敏度和建議工作區(qū)域。

　　永磁體和巴伯極傳感器

　　穩(wěn)定化 Hx 磁場通常由永磁體產(chǎn)生。使用 KMY20S 或 KMZ20S 時，客戶必須通過永磁體來形成所需的偏磁場。KMY20M 和 KMZ20M 都帶有內(nèi)部硬鐵氧體磁鐵。外部磁場的最大強度只能通過永磁體材料的穩(wěn)定性進(jìn)行限制。當(dāng)使用 KMY20M 和 KMZ20M 類型的傳感器時，強度超過約 40 kA/m（500 高斯）的干擾磁場可能改變永磁體的磁化方向，而且這種改變是不可逆的。這可能導(dǎo)致偏移電壓發(fā)生永久改變，且傳感器功能發(fā)生損壞。通過將 S 類型傳感器與其他磁體（例如稀土磁體，必須由用戶提供）結(jié)合使用，可放寬這種限制。

　　溫度

　　歐姆電阻和磁阻都來源于導(dǎo)電電子的散射過程。所有散射過程都具有溫度依賴性，因此電橋電阻和 MR效應(yīng)∆R/R 也會顯示出溫度依賴性。溫度系數(shù)通常與兩個溫度相關(guān)，通過：

　　當(dāng)使用坡莫合金時，電橋電阻和振幅溫度系數(shù)的值基本相同，但表示符號不同，TCBR≈-TCSV。

　　因此，用戶可以通過使用恒定電流供給來補償靈敏度的溫度依賴性。在這種情況下，電源電壓會隨著溫度和電橋電阻升高而增加。其作用是輸出電壓增高，從而補償靈敏度損失。

　　另一個重要值是偏移的溫度系數(shù)。該溫度系數(shù)的形成原因是四個電橋電阻器的溫度行為中的細(xì)微差別。實際上，可以觀察到輸出電壓偏移，但無法與磁場造成的常規(guī)輸出信號區(qū)分開來。在使用直流信號耦合的應(yīng)用中，偏移的溫度系數(shù)將因此能限制測量的準(zhǔn)確度。

　　坡莫合金是一種非常穩(wěn)固的材料，在有涂層保護(hù)的情況下，可承受高達(dá) 300°C 左右的超高溫度。在這種情況下，包裝將成為限制因素。

　　轉(zhuǎn)載請注明來源：賽斯維傳感器網(wǎng)（www.renegade-mag.com）