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传感器应用的磁性材料

时间:2019-02-17   来源:vr赛车电子  编辑:热敏电阻厂家  浏览:
磁传感器需要了解其制造过程中所用材料的基本磁性。本文介绍了一些常见的磁性材料类型,它们的特性以及它们的使用方式。
虽然大多数材料(如果不是所有材料)都有一些可测量的电磁相互作用,但vr赛车正在研究那些属于以下类别的材料:
 
硬磁材料
软磁材料
电导体

硬磁材料
出于本讨论的目的,硬磁材料就是那些可以制造有用永磁体的材料。例子包括:
  铁氧体:低磁通量; 低成本; 通常与塑料粘合剂混合制成“冰箱磁铁”条
 
  铝镍钴合金:成本适中; 低至中等通量,取决于等级; 可在高温(>200ºC)温度下使用; 各种等级的各种磁性使其在传感器应用中非常有用
 
 钕铁硼(钕 - 铁 - 硼):成本适中; 高通量; 限温操作(<150ºC); 很容易腐蚀

钐钴(钐 - 钴):成本高;
高通量; 高温操作; 非常脆弱

图1.以线性模式配置的磁传感器用于确定物体与磁体的接近程度(A); 以旋转模式配置的装置测量感兴趣对象的旋转速率(B)。
 
硬磁材料通常以两种方式用于传感器应用中。第一种是作为致动器磁铁。在该操作模式中,致动器磁体本身是传感器的目标。这种感测方法(磁铁的接近度)是有用的,主要是因为强磁场(> 200-300 G)通常不会在自然界中发生,也不会偶然产生。
图1显示了这些材料用于线性和旋转模式。
线性致动模式通常用于接近装置中以检测磁体是否足够靠近传感器。旋转致动模式通常用于测量环形磁铁固定到的物体的速度。
 
图2.通过测量由目标的存在引起的偏置场的变化,可以使用简单的接近传感器来检测含铁物体。

使用硬磁材料的第二种方式是在传感器组件中提供偏置场。该偏置场与被感测的物体(通常由诸如钢的软磁材料制成)相互作用,并且传感器元件检测由该相互作用引起的偏置场的变化。
图2显示了以这种方式制造的简单的铁制品接近检测器。在偏置磁体的极面处测量的通量与铁质物体与极面的距离成反比(见图3)。

图3.图2中偏置磁体极面的磁通量与目标距磁极面的距离成反比。

实现这种类型的传感器的一个主要问题是需要设置适当的触发点,该触发点对于磁体强度和传感器误差的正常制造分布是有效的。
另一种常见的偏磁传感器架构是叶片断路器(见图4)。这里,铁质叶片中断了它们之间的通量路径偏置磁铁和传感器元件。
图4.偏置磁铁传感器的叶片断路器类型中断磁铁和传感器元件之间的磁通路径。

这导致感测通量相对于叶片位置的非常急剧的变化率(参见下面的图5),远高于先前描述的接近检测器的变化率。这提供了为叶片设置非常明确的开启和关闭位置的能力。
该架构的另一个优点是中断和非中断状态之间的大对比使其成为非常容易制造的传感器。

 

图5.图4所示传感器的响应表现出检测到的通量与叶片位置的急剧变化率。

软磁材料
软磁材料是磁导率显着高于自由空间(μr>μ0)的材料,不能永久磁化。这些特性允许软磁材料以与铜线用于传导电流的方式相同的方式传导磁通量。一些常见的例子是纯铁和冷轧钢,以及诸如坡莫合金的镍铁钢。软磁材料的主要传感器应用是:
  • 助焊剂指南
  • 希尔兹
  • 传感器元件使用非线性效应
     
磁通传感器在磁传感器中非常有用,因为它们允许设计人员以比自由空间提供的方式更加任意的方式引导磁通量。这提供了两个主要的好处。
 
图6.通过添加增加可用通量的磁通引导,可以增强叶片灭弧室类型的磁传感器。该vr赛车降低了传感器组件的总成本。

首先是设计师可以更接近地指定传感器和待感测物体之间的相互作用点。这改善了传感器的空间分辨率和方向性,使其对非预期的刺激不太敏感。另一个好处是,通量导向器可用于集中和增加可检测的通量水平,从而放松对传感器元件的要求。
图6显示了如何在叶片断路器的设计中使用磁通导向器。在这个例子中,通量引导的增加增加了可用的通量(由传感器测量)目前没有助焊剂引导。
 
图7.软磁材料可用作磁通屏蔽,将磁通线分流到不需要的区域。

这允许使用更小,更便宜的磁体以及更便宜的传感器元件。这种传感器广泛用于汽车点火正时系统。
屏蔽是软磁材料的另一种常见应用。虽然磁通线不能停止死亡(它们形成闭环),但它们可以在不需要它们的区域周围分流(见图7)。多层屏蔽可以以嵌套图案布置,以提供更有效的屏蔽。
 
图8.磁通可变电感式传感器的工作原理是软磁材料的磁导率不随施加磁场的变化而变化。

最后,可以利用软磁材料的非线性效应用于实际感测磁场。这种类型的一种简单传感器是磁通可变电感式传感器。该装置的工作原理是软磁材料的磁导率不是作为施加场的函数而恒定的。渗透率在零通量时达到峰值,随着通量的增加而下降到接近自由空间的峰值。缠绕在这种材料的芯上的电感器(见图8)将具有电感与通量响应,如图9(下图)所示。这种类型的装置可以制造得非常灵敏,并且已经被用作磁罗盘应用的基础。
 

图9.图8中的传感器设计将显示此处所示的电感与磁通响应。

导体,“非磁性”磁性材料
高导电性有色金属材料,如铝,黄铜和铜,通常不被视为具有显着的磁性。虽然这种假设在DC或稳态场中基本上是正确的,但在描述这些材料与AC或时变磁场的相互作用时,它变得不太准确。原因是暴露在时变场中会在这些材料中产生感应电流(通常称为涡流)(参见图10)。


图10.涡流传感器基于高导电有色金属材料与时变磁场相互作用的方式

涡电流以抵抗磁场变化的方式形成。它们用于防止磁场进入导体,以及防止导体内的磁场进入。在场地开启的情况下,场地将在其形成的瞬间大部分围绕导电体,并且需要一定的时间进入该体内(参见下面的图11)。对于连续变化或AC场的情况,场将仅穿透到一定深度,称为趋肤深度。趋肤深度是所讨论材料的场频率和电导率的函数。

图11.涡流有助于防止磁场进入导体,并防止导体中的磁场离开。

涡流效应对变压器和射频系统设计的适用性早已得到认可,但在商品传感器的设计中往往被忽略,因为商品传感器通常认为磁场“瞬间”起作用。然而,随着动态性能要求的提高,这些影响的知识变得越来越重要,例如在汽车点火正时系统中,其中10kHz范围内的频率响应现在变得必要。
 
总结
设计具有成本效益的磁传感器系统需要了解传感器元件周围材料的特性。其中一些属性是显而易见的,而其他属性,如涡流效应则不然。对这些问题的认识可以使可行的传感器组件与既不符合成本也不符合性能目标的传感器组件之间存在差异。