【導讀】磁力計是可以測量磁場(chǎng)大小或方向的設備。它們在電子產(chǎn)品中幾乎無(wú)處不在。它們可能像您的智能手機用來(lái)檢測它是否直立的那樣簡(jiǎn)單，也可能像 NASA 用來(lái)測量火星磁場(chǎng)的那樣復雜。
磁力計是可以測量磁場(chǎng)大小或方向的設備。它們在電子產(chǎn)品中幾乎無(wú)處不在。它們可能像您的智能手機用來(lái)檢測它是否直立的那樣簡(jiǎn)單，也可能像 NASA 用來(lái)測量火星磁場(chǎng)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(lèi)型的磁力計。
磁力計如何工作？
磁力計通常通過(guò)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(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。一些磁力計可以測量磁場(chǎng)的方向和大?。ㄊ噶看帕τ嫞?，而其他磁力計只能測量其幅度（標量磁力計）。
關(guān)于單位，國際系統 (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，相當于 10 -7 焦耳，G 是一個(gè) 高斯。
磁力計和磁滯曲線(xiàn)
當磁性材料浸入磁場(chǎng)中時(shí)，其特性會(huì )發(fā)生變化。根據這些材料在施加磁場(chǎng)之前和之后對磁場(chǎng)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(xiàn)。它表示磁通密度 B 與磁場(chǎng)強度 H 的關(guān)系。
圖 1. 滯后曲線(xiàn)示例。圖片由NDT 資源中心提供
磁性材料顯著(zhù)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，它們表現出保持性）。然后，為了使材料返回到初始點(diǎn)，需要施加負磁場(chǎng)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(lái)了物理和材料領(lǐng)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(zhù)一組電子系統，以便處理小電信號并生成微控制器、處理器或人類(lèi)可讀的輸入。這些系統的設計和構建是一項挑戰，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(jīng)常使用且相對簡(jiǎn)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(zhù)小型化的進(jìn)展，經(jīng)常會(huì )發(fā)現部分模擬調理電路在信號鏈中的集成電路 (IC) 內實(shí)現，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(shí)，設計人員可能更喜歡分立式選項，因為他們可能需要開(kāi)發(fā)新的調節鏈。
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(shí)驗室保留的，例如斯特拉斯堡的材料物理和化學(xué)。這種磁力計可以包括振動(dòng)樣本磁力計、SQUID 磁力計和 AGFM（替代梯度場(chǎng)磁力計）等。
霍爾效應傳感器廣泛用于強磁場(chǎng)應用。它們的應用是電機驅動(dòng)應用中的運動(dòng)檢測和控制。
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軸周?chē)?，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，用于計算速度或位置。
MEMS 磁力計在市場(chǎng)上也很容易找到。它們通常是慣性運動(dòng)單元 (IMU) 的一部分，用于測量加速度、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)現這些磁力計用于智能手機屏幕中的運動(dòng)檢測等應用，可根據其水平或垂直方向自動(dòng)調整顯示屏的信息。
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