磁电式传感器，常见磁场传感器-原理

今天给各位分享关于“磁电式传感器”的核心内容以及“常见磁场传感器-原理”的相关知识，希望对各位有所帮助。

电磁传感器(普通磁场传感器-原理)。

1.磁感应强度和磁场强度的单位。

1.磁感应强度B-磁通量密度。

磁强度(也称为磁通密度)的单位是特斯拉，符号是T..这个单位是1960年在巴黎举行的国际计量会议上命名的，以纪念在电磁学领域做出重要贡献的美国塞尔维亚发明家和电子工程师尼古拉·特斯拉。

1 T = 1 V sm= 1 kgsA= 1 NA m= 1 Wbm1 T = 1 V sm

在厘米克秒的单位制中，磁感应强度的单位是高斯，这是为了纪念德国数学家约翰·卡尔·弗里德里希·高斯而命名的。常用符号g或Gs。转换关系

1Gs=110&深圳生活网nbsp;T。1Gs=110&深圳人寿网。t .

例如在Waitai 空中，磁感应强度在0.1 ~ 10nt之间；冰箱贴纸的磁感应强度约为10Gs；实验室产生的最强瞬时磁场记录为80T。最强的人工磁场为2800T(爆炸产生)。

2.磁场强度H-磁场强度。

在国际单位制中，磁场强度的单位是a/m，在CGS单位制中，对应的单位是奥斯特，符号是Oe。1930年，国际电工委员会为纪念丹麦物理学家汉斯·奥斯特将其命名。转换关系

1Oe=1000/4≈79.5774715安/米.

磁场强度H的单位奥斯特与磁感应强度B的单位高斯密切相关。在磁导率为的介质里，磁场强度h的单位与磁感应强度b高斯的单位密切相关。在渗透性为的介质中，

在真空中，1Oe=1Gs。地球磁场的强度约0.1-1Gs或nT。在true 空中，1Oe=1Gs。地球的磁场强度约为0.1-1Gs或nt。

二、磁场传感器的分类。

根据可检测磁场的大小或灵敏度，磁场传感器可分为以下几类:

1.低灵敏度磁力计(B> 1 Gs ornT)1.低灵敏度磁力计(b >: 1 Gs ornT)

测量比地磁更强的磁场。广泛应用于工业，如非接触开关、电流测量、磁记忆读取等。最常用的传感器包括检测线圈、霍尔效应传感器、磁致伸缩磁力计等。

2.中灵敏度磁力计(Gs~1 Gs)2.中灵敏度磁力仪(Gs~1 Gs)。

测量地磁大小的磁场，测量永久偶极子对地磁方向或强度的扰动。主要应用包括磁罗盘、导航、武器探测、勘探、交通管制等。最常用的传感器包括检测线圈、磁通门计、磁阻磁力计等。由于地磁太阳、地质和潮汐的影响，波动范围从1/1000万到1/10000，约为1/f，地磁噪声是影响这类传感器性能的主要因素。

3.高灵敏度磁力计（B<Gs or 1nT）3.高灵敏度磁力仪(B

用于弱磁场检测，测量磁场梯度或永久偶极矩引起的磁场变化。如绘制大脑功能图、磁异常检测(MAD)，如远程检测导弹、舰船、坦克、飞机等引起的磁异常。)，等等。最常用的传感器包括SQUID梯度仪和光泵磁力仪。

4.医学/生物磁强计。

磁场传感器也可以用于医学生物学领域，这不是根据检测强度分类的。例如，微磁珠被用作分析DNA核酸杂交的磁性标记。SQUID用于脑磁图。

三、常用磁场传感器的原理及应用。

(a)矢量探测器(vectro磁力计):

矢量磁场传感器对磁通量敏感，可以同时检测磁场的大小和方向。

1.探测线圈-搜索线圈磁力计。

工作原理:法拉第电磁感应定律。当通过线圈的磁通量发生变化时，开路线圈两端会产生感应电压，闭合线圈会产生感应电流。磁场可以通过检测电压或电流(或液晶电路的振荡频率)的变化来测量。

探测能力:超过20英尺。

带宽:1Hz-1MHz。

特点:可靠性高，不能测量和稳定恒定磁场。

应用:地磁监测、空科学、飞机地面检查、飞机缝翼或起落架位置指示等。

2.磁通门磁力仪。

工作原理:法拉第电磁感应定律。一种传感器，在交变磁场的饱和激励下，利用测量磁场中高导电磁芯的磁感应强度和磁场强度之间的非线性关系来测量弱磁场。

探测能力：nT (10pT-10mT)检测能力:nT (10pT-10mT)

带宽:0-10kHz。

特点:可以测量静态磁场，比检测线圈多消耗5倍的功率。

应用:地磁(方位)探测、环境磁场监测、机场安检、惯性导航。

3.超导体量子干涉装置。

SQUID是目前最灵敏的低频磁场探测器。

工作原理:超导线圈的约瑟夫森效应。超导线圈的磁通量是量子化的，只能是基本通量量子ch/2e的整数倍。磁通量可以通过测量电流来测量。超导环中的超导电流在基点发生干涉，干涉信号被射频电路感知并读出。

探测能力:超过10英尺。

带宽:

特点:它极其灵敏，但需要冷却到线圈材料的超导温度以下(液氦4K)，所以体积大，重量重。可以测量任意方向的外磁场分量的梯度。

应用:天文学、地质学、医学、量子计算。

4.迈斯纳效应磁力仪-迈斯纳效应磁力仪。

工作原理:超导体的迈斯纳效应。超导体内部磁场为零，因此磁场无法通过超导体[4]，超导体排斥磁场。

探测能力:32英尺。

特点:可在77K(液氮)下工作。新设备。

应用:与SQUID相同。

霍尔效应传感器-霍尔效应传感器。

工作原理:霍尔效应。当带电导体置于磁场中时，由于洛伦兹力，导体中的电荷在垂直于磁场和电流方向的导体两端积累，产生电压。通过测量霍尔电压来测量磁场。

探测能力：10-1000Gs ornT探测能力:10-1000 gsorn。

带宽:0-1MHz。

特点:应用广泛，价格低廉。可测量的静态磁场。功耗0.1-0.2W。

应用:电流测量、速度测量、磁开关等。

6.磁阻磁力仪-磁阻磁力仪。

(1)各向异性磁阻(AMR)传感器。

工作原理:磁阻效应。磁场改变了材料的电阻。用恒流，检测电阻或电压的变化(变化很小，检测电路是关键)。各向异性磁阻材料(如坡莫合金)的电阻与电流与磁化方向的夹角有关，外部磁场改变磁化方向，从而改变电阻。当垂直于电流和磁场时，电阻最小。可以测量磁场方向和大小。

探测能力：0.01-50Gs or 1nT （open loop）， 可达0.1nT（closed-loop feedback）检测能力:0.01-50Gs或1nT(开环)，最高可达0.1nT(闭环反馈)。

带宽:0-1GHz。

特点:价格低廉，结构简单。功耗0.1-0.5mW，工作温度-55℃-200℃。

应用:磁带机或磁盘磁头、惯性导航、车辆检测等。

(2)巨磁阻传感器。

工作原理:某些材料的巨磁电阻效应。在外加磁场下，材料的电阻变化很大。这种效应最早发现于1988年，并于2007年获得诺贝尔奖。最简单的结构由夹在两种铁磁材料之间的导体组成。每层只有200纳米厚.

测量范围：nT测量范围:nT

用途:广泛用于硬盘的读出头和磁开关。

(3)磁性隧道结传感器-磁性隧道结(mtj)传感器。

工作原理:隧道磁阻效应。结构与GMR相似，只是夹层不是导体，而是绝缘体(如厚度为1mm的Al2O3)。1995年首次报道。

特点:电阻值、阻抗值高于GMR，功耗低于GMR。固有噪声很大。

应用:在低成本、低功耗、高灵敏度的磁场传感器中有潜在的应用。

(4)异常磁阻效应传感器——超常规磁阻传感器。

工作原理:异常磁阻效应。锑化铟环组镀金。0.磁场具有最低的电阻，并且电阻随着磁场在正/负方向上的增加而增加。

同样，还有弹道磁阻效应(两块磁铁之间的微小金属接触)。

7-自旋阀晶体管。

工作原理:自旋阀夹在一对半导体之间。电流随磁场的变化可达200%。

特点:目前输出电流只有微A量级，难以实用。

8.巨磁阻抗(GMI)磁传感器。

工作原理:巨磁阻抗效应。当交变磁场通过某些材料时，材料的阻抗发生明显变化。

特点:阻抗与磁场和驱动电流频率有关。镍铁/铜合金的线阻抗峰值为几兆赫。为了利用这种效应，驱动电流频率需要达到千兆赫。

9.磁二极管-磁二极管。

工作原理:其实是一个半导体二极管，只是以蓝宝石为衬底，P区和N区用未掺杂的硅来划分。有了正压p和负压n，空空穴和电子将注入中间的硅层。一些载流子，尤其是硅与氧化硅界面或硅与蓝宝石界面的载流子，会发生复合，导致材料电阻增大。在没有磁场的情况下，两者都有助于电阻的变化。当垂直于载体运动方向施加磁场时，载体将沿磁场方向上下偏移。因为电子和空空穴的运动方向相反，所以它们偏向同一边。硅与蓝宝石界面处的复合概率高于硅与氧化硅界面处的复合概率。电阻随磁场而变化。

特点:磁二极管对磁场的响应比硅基霍尔元件强几倍。

10.磁性晶体管-磁性晶体管。

工作原理:类似磁二极管。与npn二极管类似，N发射极与N集电极由P基极隔开。区别在于有两个集电极，两个集电极测得的电压根据磁场的方向不同而不同。

特点:可以根据霍尔效应或苏赫尔效应检测磁场。

11.磁致伸缩磁力计。

(1)光纤磁场传感器——光纤磁力仪。

工作原理:基于一些光纤干涉仪(MZ、萨格纳克、迈克尔逊等)。)，光纤由磁致伸缩材料驱动实现非平衡相位调制，通过光的干涉光谱变化实现解调。

探测能力：nT检测能力:nT。

带宽:0-60kHz。

特点:可以感应磁场方向，甚至可以测量磁力线的曲率。

(2)磁电传感器。

工作原理:磁致伸缩材料与压电材料相互作用，将磁致伸缩转化为电压信号输出。

探测能力:具有探测pT量级的潜力。

特点:不需要额外的电源，但需要100Gs以上的偏置，以避免弱场的非线性响应区。

12.磁光传感器-磁光传感器。

工作原理:法拉第磁光旋转效应。偏振光通过深圳生活网的一些晶体后，偏振方向随磁场发生偏转。

带宽:最大的优势是高达GHz的快速响应。

特点:灵敏度可达30pT。

13.基于微机电系统的磁力计。

工作原理:主要利用微结构在洛伦兹力作用下的旋转。

检测能力:最低检测200nT。

(2)标量/总场磁力仪。

标量探测器对磁场的大小敏感，只探测磁场的大小，但不能分辨方向。优点是不受探测器方向、晃动等影响。基本原理是某些电子或原子核自旋能级的能量差随磁场变化(如塞曼效应)实现测量。要获得高灵敏度，需要与原子的长寿命、窄带能级共振，因此10Hz以上的传感器灵敏度会急剧下降。

1.光泵磁力仪-光泵磁力仪。

工作原理:利用铯/铷/钾等碱金属元素的塞曼效应。以单价铯原子为例，光泵磁力仪利用其三种能态:一种高能态和两种非常接近的低能态。两个低能态之间的能量差对应于射频/微波频率的谱线，而两个低能态和高能态之间的跃迁对应于一条谱线。两种低能态之间的能量差是由于电子自旋的不同取向造成的。电子自旋方向只有两种选择:平行/垂直于外磁场方向的轴，需要不同的能量，两者的区别是一个自旋角动量量子单位。所选高能态的特殊之处在于它具有与两个低能态之一相同的自旋角动量。含有铯原子的气体由圆偏振光泵浦。在初始状态下，气体中原子的电子以两种低能态分布。当原子吸收圆偏振光子时，它们的角动量变化一个单位。这样，处于远离高能态一个单位角动量的能态的电子会吸收光子，而与高能态具有相同角动量的电子则不会吸收光子。探测器探测到的光束被吸收而衰减。高能态的电子会迅速跃迁到更低的能级以下。每个电子跃迁都有一定的机会回到不吸收光子的能量状态。足够长的时间后，几乎所有的电子都会转化为这种能量状态，气体对光的吸收也会减少。也就是说，气体在被完全泵浦后变得对入射光透明。如果在平行于光路的方向上施加一个具有合适频率的射频电场，电子的自旋角动量将被反转。这相当于射频场将电子从一种低能态穿梭到另一种低能态，消除了光泵的作用，气体又开始吸收光。射频和光的相互作用产生一种特殊的峰值振荡，光泵磁力仪就是基于这种振荡来测量磁场的。

反转电子自旋的能量，即射频电场的频率，与磁场强度有关(因塞曼效应磁场会影响两个低能态之间的能量差)。在磁力计中，反馈电路用于控制射频，以最小化透光率。频率反映了磁场的大小。[5-6]

探测能力：灵敏度和动态范围受检测电路制约。700kHz/Gs (cesium), 2.8MHz/Gs(helium). 10-1Gs ornT。通过消除自旋交叉驰豫，灵敏度甚至可以做到10fT或nT/Hz-1/2[7]。检测能力:灵敏度和动态范围受检测电路限制。700kHz/Gs(铯)，2.8MHz/Gs(氦)。10nT/Hz-1/2[7].

特点:光泵磁力仪测量的是总磁场，与磁场方向无关。体积大，成本高，功耗高(几W)；自旋弛豫时间长，因此吸收线窄，使得灵敏度更高，但也限制了频率响应特性。在某些方向上存在死区(可以通过使用相对于泵浦光具有不同取向的多个传感器来消除)；传感器本身的磁特性可能非常低。目前主要受碱筒价格和体积的限制。

应用:水下排雷。

2.核旋进磁力仪。

工作原理:原子矩和原子核矩取决于玻尔磁子eh/(2m)，e为电子电荷，h为普朗克常数，m为质量。因为原子核比电子质量大得多，所以原子核的磁矩比电子矩小得多。某些烃类液体(如苯)中的质子可以通过通电线圈产生的磁场暂时沿磁场排列。当线圈中的电流去除后，质子在外磁场的作用下开始进动，偏离恒定磁场(待测)的质子自旋轴(就像陀螺仪轴向偏离地球磁场一样)绕平行于场方向的直线做圆周运动。医院周围的运动速度(称为进动频率)与磁场强度成正比。因此，去除电流后，质子进动会在线圈中产生信号，其频率与待测磁场强度有关。磁场探测也可以通过光泵下的原子核自选择来实现。例如，氦同位素H3的进动频率也可以在被光泵之后被线圈捕获。由于弛豫时间长，这种传感器在激发自旋时只需要在短时间内消耗能量。

探测能力：Gs ornT。Gs或nT（光泵原子自旋进动）探测能力:nT(光泵原子自旋进动)。

3.上手用户磁力仪-上手用户磁力仪。

工作原理:上手核效应。在核磁共振中，如果两个(组)不同类型质子的空之间的距离很近，照射一个(组)质子将增强另一个(组)质子的信号强度。这种现象被称为核上手效应，简称NOE效应。1950年，伯克利的研究生Overhouser预测，在某些系统中，通过饱和电子自旋共振，可以使核极化增加1000倍，这是质子自旋和电子自旋通过哈密顿超精细项相互作用的结果，哈密顿超精细项与电子自旋和核自旋的乘积成正比。过热磁力仪中的物质是一种含有质子和自由基的液体。自由基是含有不成对电子的分子，其共振线宽极窄，约为1Oe。线宽要窄，电子共振可以用很少的能量饱和，从而改善质子极化。因为质子进动的频率与磁场强度成正比，所以可以通过测量这个频率来测量磁场。

特点:上手用户磁力仪噪声很低，达到0.015nT/rt Hz @1Hz。灵敏度比质子旋进磁力仪高一个数量级，无死区。

4.光学原子磁力仪。

工作原理:类似于光泵磁力仪(光泵磁力仪可视为这类之一)，但光学检测。通常，两束光被引入气室:泵浦光和探测光，其中一些被组合成一束。通过检测探测光的偏振状态或光强来解调磁场。偏振检测可以检测非常小的偏振变化，避免光源的光强波动噪声。

特点：目前最灵敏的磁力计是SERF（Spin-exchange relaxiation-free magnetometer）,灵敏度达nT/Hz-1/2，理论极限nT/Hz-1/2[8]特点:目前灵敏度最高的磁强计是SERF(自旋交换无弛豫磁强计)，灵敏度为nT/Hz-1/2[8]。

参考

[1]楞次和埃德尔斯坦磁性传感器及其应用。IEEE传感器杂志，第6卷，第3期，第631-649页，2006年。

[2]卡鲁索，布拉特兰，史密斯和施耐德；磁场传感的新视角传感器，第24-36页，1998年。

[3] S. Gontarz，P. Szulim，J. Seko和J. Dybaa使用车辆磁性监控进行主动策略开发。运输研究第三部分:新兴技术，第52卷，第102-115页，2015年。

[4] M. Pannetieret等人，“利用磁阻传感器进行Femtotesla磁场测量”，《科学》，第304卷，第1648-1650页，2004年

[5] W. Happer，“光泵”，修订版Mod。Phys，第44卷，第169-249页，1972年。

[6]布德克，高立克，金博尔，罗彻斯特，雅舒克和魏斯，“原子中的共振非线性磁光效应”，修改版。Phys，第74卷，第1153-1201页，2002年

[7]艾尔里德，莱曼，科纳克和罗曼利斯，“不受自旋交换弛豫影响的高灵敏度原子磁力仪”，列特物理评论。，第89卷，第130 801/1-130 801/4页，2002年。

[8]基米尼斯、伊·克、科纳克、t·w·阿勒里德、j·c . & amp；多通道原子

磁力计。自然422，596–599(2003年)。

[9]布德克和罗马利斯；光学磁测术。Nat Phys，第3卷，第4期，第227-234页，2007年。

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