【導(dǎo)讀】磁力計(jì)是可以測(cè)量磁場(chǎng)大小或方向的設(shè)備。它們?cè)陔娮赢a(chǎn)品中幾乎無(wú)處不在。它們可能像您的智能手機(jī)用來(lái)檢測(cè)它是否直立的那樣簡(jiǎn)單，也可能像 NASA 用來(lái)測(cè)量火星磁場(chǎng)的那樣復(fù)雜。
磁力計(jì)是可以測(cè)量磁場(chǎng)大小或方向的設(shè)備。它們?cè)陔娮赢a(chǎn)品中幾乎無(wú)處不在。它們可能像您的智能手機(jī)用來(lái)檢測(cè)它是否直立的那樣簡(jiǎn)單，也可能像 NASA 用來(lái)測(cè)量火星磁場(chǎng)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(guò)間接方法測(cè)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(chǎng)。
在數(shù)學(xué)上，磁矩表示如下：
τ = 扭矩
m = 磁矩
B = 外部磁場(chǎng)
作為矢量，磁場(chǎng)的方向與其振幅一樣重要。一些磁力計(jì)可以測(cè)量磁場(chǎng)的方向和大小（矢量磁力計(jì)），而其他磁力計(jì)只能測(cè)量其幅度（標(biāo)量磁力計(jì)）。
關(guān)于單位，國(guó)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(chǎng)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(chǎng)之前和之后對(duì)磁場(chǎng)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(chǎng)強(qiáng)度 H 的關(guān)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?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(chǎng)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(cè)量其性能的能力帶來(lái)了物理和材料領(lǐng)域的革命。
高靈敏度電子測(cè)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(duì)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(duì)簡(jiǎn)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。
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(chǎng)磁力計(jì)）等。
霍爾效應(yīng)傳感器廣泛用于強(qiáng)磁場(chǎng)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(cè)和控制。
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(guò)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(chǎng)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(cè)量加速度、角速度和磁場(chǎng)。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(cè)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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