Что такое магнитометр?

Изучите основы магнитометров, включая их связь с кривыми гистерезиса и их применения.

Магнитометры - это устройства, которые могут измерять величину или направление магнитного поля. Они присутствуют практически везде в электронике. Они могут быть такими же простыми, как тот, который использует ваш смартфон, чтобы определить, находится ли он в вертикальном положении, или такими же сложными, как тот, который НАСА использует для измерения магнитного поля Марса.

Здесь мы рассмотрим основы магнитометров и их применения. В следующих статьях мы подробнее рассмотрим конкретные типы магнитометров.

Как работают магнитометры?

Магнитометры, обычно косвенным методом, измеряют так называемый магнитный момент. Магнитный момент замкнутого контура с площадью A и током I представляет собой вектор, величина которого равна I, умноженному на A. Крутящий момент, испытываемый этим контуром, равен магнитному моменту, умноженному на магнитное поле.

Математически магнитный момент выражается следующим образом:

$$ \ overrightarrow {\ tau} =\ overrightarrow {m} \ times \ overrightarrow {B} $$

Где

• τ =крутящий момент
• m =магнитный момент
• B =внешнее магнитное поле

Как векторная величина, направление магнитного поля так же важно, как и его амплитуда. Некоторые магнитометры могут измерять как направление, так и величину магнитного поля (векторные магнитометры), в то время как другие могут измерять только его амплитуду (скалярные магнитометры).

Что касается единиц, то единица Международной системы (СИ) - Am ² . . Однако часто можно увидеть, что это выражается во многих других единицах, таких как $$ \ frac {erg} {G} $$, где эрг - это единица энергии, эквивалентная 10 ^-7 джоулей, а G - один гаусс.

Магнитометры и кривые гистерезиса

Свойства магнитных материалов меняются, когда они погружаются в магнитное поле. В зависимости от того, как эти материалы реагируют на поле до и после его применения, они попадают в группы парамагнитных, диамагнитных или ферромагнитных материалов. Кроме того, существуют немагнитные материалы, которые обладают слабыми магнитными свойствами.

Лучшим инструментом для представления магнитных свойств является кривая гистерезиса. Он представляет собой зависимость плотности магнитного потока B от силы напряженности магнитного поля H.

Рисунок 1. Пример кривой гистерезиса. Изображение предоставлено Ресурсным центром NDT

Наиболее важным аспектом магнитных материалов является то, что даже когда мы убираем приложенную силу, они остаются намагниченными (то есть проявляют удерживающую способность). Затем, чтобы вернуть материал в исходную точку, необходимо приложить отрицательное магнитное поле (H) для его размагничивания (коэрцитивная сила).

Из-за особенностей магнитных материалов и множества областей их применения возможность измерения их свойств с хорошим разрешением произвела революцию в области физики и материалов.

Измерение высокочувствительной электроники

Магнитные датчики, как и многие другие датчики, сопровождаются набором электронных систем для обработки небольших электрических сигналов и генерирования считываемых входных данных микроконтроллером, процессором или людьми. Проектирование и построение этих систем представляет собой сложную задачу, потому что в большинстве случаев сигналы довольно малы и очень чувствительны к шуму. Следовательно, разработчикам необходимо найти компромисс между сложностью схемы, емкостью датчика и стоимостью.

Есть часто используемые и относительно простые компоненты, такие как фильтры или усилители, но есть и другие, более сложные, такие как цепи модуляции-демодуляции или синхронизированные усилители.

С прогрессом миниатюризации часто обнаруживается, что часть схемы аналогового преобразования реализована внутри интегральной схемы (ИС) в сигнальной цепи, поскольку она менее подвержена ошибкам и более компактна по сравнению с дискретным решением. P>

Рисунок 2. Внутренние части ИС датчика Холла. Изображение предоставлено Allegro

С другой стороны, интегрированное решение может быть менее гибким. При работе с конкретным или новым приложением дизайнеры могут предпочесть дискретный вариант, потому что им может потребоваться разработать новую цепочку кондиционирования.

Приложения для магнитометров

Магнитометры широко используются в быту. Обычно самые сложные сенсоры зарезервированы для узкоспециализированных лабораторий, таких как Физика и химия материалов в Страсбурге. Такие магнитометры могут включать в себя, среди прочего, магнитометры с вибрирующими образцами, СКВИД-магнитометры и AGFM (альтернативный магнитометр с градиентным полем).

Датчики на эффекте Холла широко используются в приложениях с сильным магнитным полем. Их самые большие приложения - это обнаружение движения и управление моторными приводами.

Рисунок 3. Датчик Холла IC. Изображение предоставлено Microchip

Обычно некоторые датчики, обычно два или три, размещают пространственно распределенными вокруг оси двигателя, а металлические компоненты, запускающие датчик, перед ними. Каждый раз, когда металлические части проходят перед датчиком, они генерируют квадратный или синусоидальный сигнал, позволяющий рассчитать скорость или положение.

Магнитометры MEMS также легко найти на рынке. Обычно они являются частью устройств инерционного движения (IMU), которые измеряют ускорение, угловую скорость и магнитные поля. Такие модели, как электронные компасы STMicroelectronics, могут быть интегрированы в печатную плату, а затем подключены к другим частям, таким как фильтры или микроконтроллеры. Вы можете найти эти магнитометры, используемые для таких приложений, как обнаружение движения на экране смартфона, который автоматически регулирует информацию дисплея в зависимости от его горизонтальной или вертикальной ориентации.

<час />

Какую дополнительную информацию вы хотели бы узнать о магнитометрах? Делитесь своими вопросами в комментариях ниже.