【導讀】磁力計是可以測量磁場大小或方向的設備。它們在電子產品中幾乎無處不在。它們可能像您的智能手機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雜。
磁力計是可以測量磁場大小或方向的設備。它們在電子產品中幾乎無處不在。它們可能像您的智能手機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雜。
在這里，我們將了解磁力計的基本原理及其應用。在以后的文章中，我們將仔細研究特定類型的磁力計。
磁力計如何工作？
磁力計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)的磁矩是一個矢量，其大小等于 I 乘以 A。該環(huán)路經歷的扭矩等于磁矩乘以磁場。
在數學上，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。一些磁力計可以測量磁場的方向和大小（矢量磁力計），而其他磁力計只能測量其幅度（標量磁力計）。
關于單位，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 是一個能量單位，相當于 10 -7 焦耳，G 是一個 高斯。
磁力計和磁滯曲線
當磁性材料浸入磁場中時，其特性會發(fā)生變化。根據這些材料在施加磁場之前和之后對磁場的反應方式，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 與磁場強度 H 的關系。
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，它們仍保持磁化狀態(tài)（即，它們表現(xiàn)出保持性）。然后，為了使材料返回到初始點，需要施加負磁場強度 (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)的設計和構建是一項挑戰(zhàn)，因為在大多數情況下，信號非常小并且對噪聲非常敏感。因此，設計人員需要在電路復雜性、傳感器容量和成本之間取得平衡。
有一些經常使用且相對簡單的組件，例如濾波器或放大器，但也有其他更復雜的組件，例如調制解調鏈或鎖定放大器。
隨著小型化的進展，經常會發(fā)現(xiàn)部分模擬調理電路在信號鏈中的集成電路 (IC) 內實現(xiàn)，因為與分立解決方案相比，它更不易出錯且更緊湊。
圖 2. 霍爾傳感器 IC 的內部零件。圖片由Allegro提供
另一方面，集成解決方案的靈活性可能較低。在特定或新穎的應用中工作時，設計人員可能更喜歡分立式選項，因為他們可能需要開發(fā)新的調節(jié)鏈。
磁力計應用
磁力計廣泛用于日常應用中。通常，復雜的傳感器是為高度化的實驗室保留的，例如斯特拉斯堡的材料物理和化學。這種磁力計可以包括振動樣本磁力計、SQUID 磁力計和 AGFM（替代梯度場磁力計）等。
霍爾效應傳感器廣泛用于強磁場應用。它們的應用是電機驅動應用中的運動檢測和控制。
圖 3. 霍爾傳感器 IC。圖片由 Microchip 提供
通常會放置一些傳感器，通常是兩個或三個，在空間上分布在電機軸周圍，觸發(fā)傳感器的金屬部件位于它們前面。每次金屬部件經過傳感器前面時，它們都會生成方波或正弦信號，用于計算速度或位置。
MEMS 磁力計在市場上也很容易找到。它們通常是慣性運動單元 (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。您可能會發(fā)現(xiàn)這些磁力計用于智能手機屏幕中的運動檢測等應用，可根據其水平或垂直方向自動調整顯示屏的信息。
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