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磁传感器在物联网设备中的应用

磁传感器在物联网设备中发挥着越来越重要的作用,因此要想设计出*佳、*有效/*具成本效益的物联网设备,人们必然要充分了解这些传感器的优势和劣势。下面我们讨论三种*流行的磁性技术。


无线技术的*新研究使得低成本、低功耗的SoC(片上系统)可以支持多种无线协议,如蓝牙、ZigBee、Z-Wave和Ant+。通过这些SoC,开发人员可以在家庭、商业、工厂和环境中设计设备,以及在人体和动物体内作植入,以此感知环境并通过互联网进行通信。我们通常把这种设备称为物联网(IoT)设备。在IoT设备中常用到三种类型的磁传感器,它们分别是TMR(隧道磁阻)传感器、裸簧 片开关和霍尔传感器。研发人员在决定为其设计选择哪种磁传感器时,他们应该知道选择的方法是什么。


磁传感器在物联网设备中发挥着越来越重要的作用,下面让我们看一些例子。


接近感应是磁传感器的常用方法。典型的例子是家庭安全系统中常见的门窗传感器(如图1)。当把传感器安装在门、窗框或外壳上时,磁铁安装在传感器附近的门或窗框上。当门或窗打开时,传感器检测不到磁场就将状态通过无线传输传送到安全系统基站。


磁传感器也能用来计算车轮和仪表的旋转。在工厂设置中,测量液体流量的流量计(图2)通常利用磁传感器来感测叶轮的旋转。而在自行车上,磁传感器被用来计量车轮和曲轴的旋转。


当磁传感器用作磁性浮子和一系列传感器共同测量液位时,这些传感器可以随着液位移动而感应浮子。这些应用都是利用固定表面上的磁传感器与附近表面上的磁体一起工作,而其中磁体和传感器是相对移动的这个原理。



通常,物联网设备需要模式选择拨盘或挡板,允许用户手动选择适当的模式或设置级别。传统的实现方法是使用机械触点,在转盘旋转时打开和关闭。然而,随着时间的推移,电气工程师发现机电触点容易发生故障,可以用非接触式的设计来替代,在每个模式位置使用磁性传感器和旋转的磁铁来激活传感器。


*后,触发“通电”功能已成为越来越常见的磁传感器应用。特别是对于密封的、小型电池供电的物联网设备,设计人员需要用一种方法使得设备在用户主动干预之外的情况下保持“关机”或“休眠”模式。一个很好的例子是可穿戴式连续血糖仪,用于测量并在患者、医生和胰岛素泵之间反馈血糖水平(图3)。



机械开关和电池“标签”可以使设备断电,但缺点是它们也使设备的电子装置易受恶劣环境的影响。*好的方法是在密封装置内部使用磁传感器,该磁传感器与装置外部的小磁铁耦合,通常嵌入到装置的保护性包装中。这样,当从包装中取出设备时(并且同时远离磁体的磁场),传感器输出改变并且由电路“打开”设备。这种方式不仅可以节省电池电量,还能为用户提供“即时开启”或“开箱即用体验”。


磁传感器性能的重要考虑因素包括功耗、灵敏度、输出响应、尺寸、可靠性和成本。在几种常见的磁传感器中,每种选择都有其与物联网设备相关的优缺点。


*简单、*长的磁传感器是古老的裸簧开关。簧 片开关是一种机电装置,由两个黑色金属“簧 片”组成,每个金属簧 片与导线相连,封装在玻璃管内。磁场把两个簧 片拉到一起,形成一个回路。簧 片开关常用于各种物联网设备中,尤其是用于安全系统、仪表和植入式医疗设备的门窗传感器。


簧 片开关*大的优点是自身作为无源器件是不消耗功率的,此外它很简单、价格较低,并且灵敏度范围有限。尽管如此,簧 片开关却有几个明显的局限性。簧 片开关的限制之一是尺寸。*常见的簧 片开关长度为10毫米,对于某些物联网设备是可接受的,但对于许多需要小于1毫米平方范围的传感器尺寸的可穿戴和植入式设备则不太合适。


更小的簧 片开关(长度小至5mm)是非常昂贵且难以获得。由于其机械特性和玻璃管设计固有的脆弱性,簧 片开关的可靠性较差。包覆成型的簧 片开关通过保护玻璃管和离开管子的引线周围的密封件来提高可靠性,但这却增加了成本和尺寸。


另一种经受时间考验的磁传感器类型是霍尔效应传感器。霍尔效应是在电导体上产生电压差(霍尔电压),与导体中的电流和垂直于电流的外加磁场交叉。


作为固态CMOS技术,霍尔效应传感器体积小,可靠性高且成本低。霍尔传感器的*大缺点是比较消耗电流。大多数霍尔效应传感器要消耗超过几微安(μA)的电流,这对许多电池供电的物联网设备而言是个难题。


*后一类磁传感器是磁阻(MR)传感器。基于存在磁场的情况下导体的电阻将改变的原理,不同的磁共振技术已经发展成为磁共振传感器的基础。


尽管所有这些传感器都具有固态集成电路的优点、体积小、成本低和可靠性高的特点,但隧道磁阻(TMR)传感器实现了*高灵敏度和*低功率的组合。由于功耗低至-200nA以下,TMR传感器代表了电池供电的物联网设备需要磁传感器功能的一种范式转变。此外,TMR传感器是所有MR传感器中*灵敏的,相当于*灵敏的簧 片开关的灵敏度。而高灵敏度传感器可以使用更小、更便宜的磁铁或更长的激活距离。


表1总结了簧 片开关、霍尔传感器和TMR传感器的相对优缺点。 在功耗、开关频率、可靠性、灵敏度、尺寸、抗噪性和成本方面,TMR传感器相比其他磁传感技术是处于优越地位的。



一旦选择了*适合您需要的传感器技术,还需要决定以哪个传感器输出、传感器极性响应、感应频率和磁灵敏度等。然后是设计磁子系统所要面对的挑战。(确定传感器的方向、磁铁的位置、磁铁的尺寸和类型,以满足操作要求和限制成本)。


大多数电气和机械产品设计工程师没有经验、知识或工具来正确设计以及验证磁感应设计。在这种情况下,这些物联网设备设计师应选择能提供专业应用工程支持、知识和工具的磁传感器供应商,来帮助进行磁传感器的设计。


“物联网”或许是一个行业流行词,但它更是一个非常真实的趋势,触及了我们生产生活上许多不同的应用。虽然在万物互联时代磁传感器变革了人类生产生活设备中的技术,但设备设计人员必须了解不同类型的优势,这样才能为其设计选择*佳的解决方案。



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