磁性感測器

磁性材料在感受到外界的熱、光、壓力、放射線等之後，其磁特性會改變。利用這種物質可以做成各種可靠性好，靈敏度高的感測器，這類感測器是利用磁性材料作為其敏感元件，故稱磁性感測器。

基本介紹

• 中文名：磁性感測器
• 外文名：magnetic sensor
• 特點：利用磁性材料作為其敏感元件
• 領域：物理
• 分類：壓磁式、磁電式感測器

簡介

磁性感測器的探測器為磁性探頭。磁性探頭工作時在周圍形成一個靜磁場，當鐵磁金屬製成的物體，如步槍、車輛等進入這個靜磁場時，就會感應產生一個新的磁場，干擾了原來的靜磁場，由於目標的運動變化所產生的干擾使磁場發生變化，引起磁力計指針的偏轉及擺動，產生一個電信號，進而實現對攜帶武器的人和車輛的探測。

磁性感測器鑑別目標性質的能力較強，能區別徒手人員、武裝人員和各種車輛；同時對目標探測的反應速度也比較快，一般為2.5s，可實時地探測快速運動的目標。與其他感測器相比，磁性感測器還有一個突出特點，就是它能適應各種條件下的戰場探測，特別適用於震動感測器難以探測的沼澤、灘頭、水網等地區，從而彌補了震動感測器的不足。但是磁性感測器的能源有限，這使得它的探測距離較近，一般對人員的探測距離為3～4m，對輪式車輛的探測距離為15m以內，對履帶式車輛的探測距離為25m以內。

磁性感測器的典型產品主要有Honeywell公司的HMC系列微型磁阻感測器，這是磁阻系列感測器中靈敏度最高、對微型金屬目標信號探測距離最遠的一類感測器。另外，我國研究較為成熟的磁通門感測器也具有較好的探測靈敏度和解析度，有的磁通門產品靈敏度可以達到0.5mV/nT、解析度優於1nT。

工作原理

工作方式

磁性材料在受到外界的熱、光、力以及射線的作用時，要改變其磁特性。如圖，磁性感測器的輸入量有熱、光、應力、射線、磁等使磁性感測器（磁性材料）的B_m、H_c、μ或R發生變化。利用這些磁參數的變化轉換成電信號。

對感測器用磁性材料性能的要求

①反應迅速。用p表示檢出量（一般為電壓e或電流i），

則：

上式中，Q表示磁性量（B_m、H_c、μ或R），並表示輸入量（熱、光、力…），t為時間。

表示輸入量x作用在磁性材料上時，材料的磁量（B_m、H_c、μ或R）所發生的變化速率，亦就是材料所具有的對敏感輸入量的固有特性，表示磁性材料對輸入量回響的快慢。為了提高器件的性能，要求和都高。

現舉例說明上式意義，設（敏感）輸入量x為熱量，用溫度

T表示，Q為磁感應強度B_m，p為e（感應電動勢），所以：

式中，為飽和磁感應強度隨溫度的變化，為磁性材料對溫度的回響速率。根據式，要提高p值，必須使和都高，其中為輸入量的變化速率，為磁性量對輸入量的反應速度，主要決定於磁性材料的特性，必須進一步討論。

②Q隨x的變化規律要快。材料的磁性量Q（B_m、H_c、μ或R）隨輸入量x（光、熱、壓力…）的變化規律有3種類型，如圖所示。

曲線a：在指定x附近，Q值急劇變化，在x為其他值時，Q值幾乎不變——存貯信息和能量變換用；

曲線b：Q與x的關係基本上按比例減少（或增加）——測量和控制用；

曲線c：是最常見的情況。

常用分類

凡是利用磁性質、磁通量變化來製作的感測器叫磁性感測器。常見的磁性感測器有二種：壓磁式感測器和磁電式感測器。這兩種感測器在工作原理及使用範圍上都有較大差異，下面分別予以介紹。

壓磁式感測器

壓磁式感測器與其它感測器相比，具有輸出功率大、抗干擾能力強，精度高，線性好、壽命長，維護方便，運行條件要求低（能在一般有灰塵、水和腐蝕性氣體的環境中長期運行）等優點。因此，很適合於重工業、化學工業部門運用，是一種十分有發展前途的感測器。目前，這種感測器已成功地用在冶金、礦山、造紙、印刷、運輸等各個工業部門，特別是各種自動化系統中用來測量軋鋼機的軋制力、鋼帶的張力，卷揚機的定量自動提升、紙張的張力、吊車提物的自動稱重、配料斗的稱重、金屬切削過程的切削力以及電梯安全保護等各方面。

磁電式感測器

磁電式感測器多用於測量速度、加速度、位移、振動、扭矩等參數。將被測的參數變換為感應電動勢的變換器稱為磁電式感測器或感應感測器。磁電式感測器是以導線在磁場中運動產生感應電動勢為基礎的。根據電磁感應定律，具有W匝的線圈的感應電動勢e與穿過該線圈的磁通Φ的變化速度成正比例，即

若機械量直接控制感測器線圈所交鏈的磁通的變化，則這種感測器可以不經中間轉換元件，而將機械運動的速度直接轉換為與其成比例的電信號。

下圖為磁電式感測器的原理圖，它相當於一個發電機，線圈1是經軸2與被測參數連線在一起在磁場內運動。有的感測器採用線圈靜止，而磁鐵運動。

當感測器的結構已定時，磁感強度及線圈總長L都為常數，因此感應電動勢與線圈對磁場的相對運動速度成正比。所以，磁電感測器只可用來測定線速度或角速度，但是由於速度與位移（或加速度）僅差一積分（或微分）關係，因此若在感應電動勢中測量電路中接一積分電路，那么輸出電動勢就與位移量成正比關係；如果在測量電路中接一微分電路，則輸出電動勢就與運動的加速度成正比關係。這樣磁電式感測器除可測量速度外，還可用來測量運動的位移和加速度。磁電式感測器的輸出量，除了電動勢的幅值大小外，也可以是輸出電動勢的頻率值，如磁電式轉速表即為一個例子。

磁性感測器的動向

以程式控制、環境控制、醫療診斷為首的自動化工程目前已開始進入家庭的日常生活，獲得信息並及時處理信息的重要性正在增大，特別是最近，信息處理的主要場所已進入家庭的客廳和廚房。所有這些場合，情報信息的檢測是先決條件，因此，感測器變得很重要。

使用感測器的各種場合很多，感測器的類型種類也很多。大體上可以分為電磁性和非電磁性兩大類。電磁性的信息容易進行傳遞、記錄、放大和計算等，也便於輸入計算機。可是，非電磁性的信號處理就很困難，必須把它們變換為磁性信號，作為這種變換方式磁性感測器是最有效的。

磁性感測器這一名詞有兩層意思。第一，是檢測具有磁性信號的磁性感測器。第二，把非磁性的信息變換為磁性信號用的磁性感測器。

另外，從構造上來分類磁性感測器也有兩種類型：第一是功能性的感測器，它是利用特殊磁性感測器材料做成的。第二是結構性感測器，它是用一般磁性材料製成的、其機械結構設計十分巧妙的感測器。