磁場傳感器的應(yīng)用及功能實(shí)現(xiàn)資料下載

磁傳感器

磁傳感器是把磁場、電流、應(yīng)力應(yīng)變、溫度、光等外界因素引起敏感元件磁性能變化轉(zhuǎn)換成電信號，以這種方式來檢測相應(yīng)物理量的器件。

磁傳感器廣泛用于現(xiàn)代工業(yè)和電子產(chǎn)品中以感應(yīng)磁場強(qiáng)度來測量電流、位置、方向等物理參數(shù)。在現(xiàn)有技術(shù)中，有許多不同類型的傳感器用于測量磁場和其他參數(shù)。

磁傳感器是把磁場、電流、應(yīng)力應(yīng)變、溫度、光等外界因素引起敏感元件磁性能變化轉(zhuǎn)換成電信號，以這種方式來檢測相應(yīng)物理量的器件。磁傳感器分為三類：指南針、磁場感應(yīng)器、位置傳感器。指南針：地球會產(chǎn)生磁場，如果你能測地球表面磁場就可以做指南針。電流傳感器：電流傳感器也是磁場傳感器。電流傳感器可以用在家用電器、智能電網(wǎng)、電動車、風(fēng)力發(fā)電等等。位置傳感器： 如果一個磁體和磁傳感器相互之間有位置變化，這個位置變化是線性的就是線性傳感器，如果轉(zhuǎn)動的就是轉(zhuǎn)動傳感器。

大生活中用到很多磁傳感器，比如說指南針，電腦硬盤、家用電器等等。

在傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)改造中的應(yīng)用及市場

據(jù)報(bào)道，1995年僅工業(yè)過程控制傳感器的全球市場已達(dá)到260億美元；2001年計(jì)算機(jī)HDD用SV-GMR磁頭的市場超過了4000億日元（約合34億美元）。若采用新型微型磁傳感器，既使操作更簡便，又提高了可靠性，增長了器件壽命，降低了成本。

使用新型磁傳感器可以顯著提高測量和控制精度，如使用GMI（巨磁阻抗）磁場傳感器，檢測分辨率和常用磁通門磁強(qiáng)計(jì)一樣，而響應(yīng)速度卻快了一倍，消耗功率僅為后者的1%;若用霍爾器件，其分辨率僅4A/m，而所需外場比前者高300余倍；在應(yīng)力檢測中，SI 傳感器的靈敏度是常用電阻絲的2000倍高，是半導(dǎo)體應(yīng)變規(guī)的20～40倍。工業(yè)機(jī)床的油壓或氣壓汽缸活塞位置檢測，廣泛采用套在活塞桿上的永磁環(huán)和AMR元件組成的磁傳感器，檢測精度達(dá)0.1mm，檢測速度可在0～500mm/s內(nèi)以高低速度變換；改用GMI或SV-GMR傳感器后，測量精度至少可以提高1個數(shù)量級。在機(jī)床數(shù)控化時代，數(shù)字磁尺幫助設(shè)計(jì)師們實(shí)現(xiàn)了閉環(huán)控制。使用絕對信號輸出的磁尺，則不受噪聲、電源電壓波動等干擾，也不必原點(diǎn)復(fù)位。使用工作狀態(tài)磁敏開關(guān)，還可以完成手動與數(shù)控之間的轉(zhuǎn)換。

旋轉(zhuǎn)磁編碼器在旋轉(zhuǎn)量的檢測控制中起關(guān)鍵作用，它在數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人、工廠自動化設(shè)備的位置檢測、傳輸速度控制，磁盤、打印機(jī)之類的自動化設(shè)備通訊設(shè)備的旋轉(zhuǎn)量檢測中都是不可缺少的重要部件。其檢測對象是光磁圖形，不受油霧粉塵的影響，因此比目前先進(jìn)的光編碼器的可靠性高壽命長，尤其適合于自動焊接、油漆機(jī)器人和與鋼鐵有關(guān)的位置檢測以及各種金屬、木材、塑料等加工行業(yè)的應(yīng)用。而仍大量使用光編碼器，由于這種器件易受粉塵、油污和煙霧的影響，用在自動焊接、油漆機(jī)器人、紡織和鋼鐵、木料、塑料等的加工中，可靠性極差。應(yīng)用AMR、GMR 、GMI敏感元件構(gòu)成的旋轉(zhuǎn)磁編碼器，就不存在上述缺點(diǎn)，因此，它們的市場需求年增長率在30%以上。在家用電器和節(jié)能產(chǎn)品中也也有其廣泛的應(yīng)用潛力，在節(jié)能環(huán)保產(chǎn)品中也大有用武之地。若使用微型磁編碼器和控制微機(jī)一體化，更有利于簡化控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，減少元件數(shù)和占空體積，這在精密制造和加工業(yè)中意義十分重大。

在環(huán)境監(jiān)測中的應(yīng)用

環(huán)境保護(hù)的前提是對各個環(huán)境參數(shù)（溫度、氣壓、大氣成份、噪聲……）的監(jiān)測，這里需要使用多種大量的傳感器。采用強(qiáng)磁致伸縮非晶磁彈微型磁傳感器，可以同時測量真空或密閉空間的溫度和氣壓，而且不用接插件，可以遙測和遠(yuǎn)距離訪問。在食品包裝、環(huán)境科學(xué)實(shí)驗(yàn)等方面，應(yīng)用前景廣闊。

在交通管制中的應(yīng)用

交通事故和交通阻塞是城市中和城市間交通存在的一個大問題。國內(nèi)外都在加強(qiáng)高速公路行車支持道路系統(tǒng)（AHS）、智能運(yùn)輸系統(tǒng)（ITS）和道路交通信息系統(tǒng)（VICS）等的開發(fā)與建設(shè)。在這些新系統(tǒng)中，高靈敏度、高速響應(yīng)微型磁傳感器大有用武之地。例如，用分辨率可達(dá)1nT的GMI和SI傳感器，可構(gòu)成ITS傳感器（作高速路上的道路標(biāo)志，測車輪角度，貨車近接距離），汽車通過記錄儀（測通行方向、速度、車身長度、車種識別），停車場成批車輛傳感器，加速度傳感器（測車輛通過時路橋的振動等）。

磁傳感器在電子羅盤中的應(yīng)用

幾個世紀(jì)以來，人們在導(dǎo)航中一直使用磁羅盤。有資料顯示早在二千多年前中國人就開始使用天然磁石-一種磁鐵礦來指示水平方向。電子羅盤（數(shù)字羅盤，電子指南針，數(shù)字指南針）是測量方位角（航向角）比較經(jīng)濟(jì)的一種電子儀器。如今電子指南針廣泛應(yīng)用于汽車和手持電子羅盤，手表，手機(jī)，對講機(jī)，雷達(dá)探測器，望遠(yuǎn)鏡，探星儀，穆斯林麥加探測器（穆斯林鐘），手持 GPS 系統(tǒng)，尋路器，武器/導(dǎo)彈導(dǎo)航（ 航位推測 ），位置/方位系統(tǒng)，安全/定位設(shè)備，汽車、航海和航空的高性能導(dǎo)航設(shè)備，電子游戲機(jī)設(shè)備等需要方向或姿態(tài)顯示的設(shè)備。

地球本身是一個大磁鐵，地球表面的磁場大約為0.5Oe，地磁場平行地球表面并始終指向北方。利用GMR薄膜可做成用來探測地磁場的傳感器。圖5顯示這種傳感器的具體工作原理。我們可以制出能夠探測磁場X和Y方向分量的集成GMR傳感器。此傳感器可作為羅盤并應(yīng)用在各種交通工具上作為導(dǎo)航裝置。美國的NVE公司已經(jīng)把GMR傳感器用在車輛的交通控制系統(tǒng)上。例如，放置在高速公路邊的GMR傳感器可以計(jì)算和區(qū)別通過傳感器的車輛。如果同時分開放置兩個GMR傳感器，還可以探測出通過車輛的速度和車輛的長度，當(dāng)然GMR也可用在公路的收費(fèi)亭，從而實(shí)現(xiàn)收費(fèi)的自動控制。另外高靈敏度和低磁場的傳感器可以用在航空、航天及衛(wèi)星通信技術(shù)上。大家知道，在軍事工業(yè)中隨著吸波技術(shù)的發(fā)展，軍事物件可以通過覆蓋一層吸波材料而隱蔽，但是它們無論如何都會產(chǎn)生磁場，因此通過GMR磁場傳感器可以把隱蔽的物體找出來。當(dāng)然，GMR磁場傳感器可以應(yīng)用在衛(wèi)星上，用來探測地球表面上的物體和底下的礦藏分布。

門磁傳感器在智能家居中的應(yīng)用

在智能家居門禁系統(tǒng)中門磁開關(guān)的作用是負(fù)責(zé)門磁通電否，通電帶磁（閉門），斷電消磁（開門），門磁安裝于門與門套上，開關(guān)安裝于屋內(nèi)，配合自動閉門器使用，一般可承受150公斤的拉力。

有線門磁為嵌入式安裝更加隱蔽，感應(yīng)門窗的開合，適用于木質(zhì)或鋁合金門窗發(fā)出有線常閉/常開開關(guān)信號。門磁是用來探測門、窗、抽屜等是否被非法打開或移動。它由無線發(fā)射器和磁塊兩部分組成。門磁系統(tǒng)其實(shí)和床磁等原理相同。

磁場傳感器（Magnetic Field Sensors）

磁場傳感器可以用來檢測磁場大小，和加速度傳感器一樣，有x、y、z軸三個方向，單位為uT（microteslas）。磁場傳感器也稱為compass（指南針），在uses-feature中使用android.hardware.sensor.compass作為其名字。說實(shí)在的，單看磁場數(shù)值也看不出所以然。

說個故事，單位部門調(diào)整，一撥同事到10樓，這是上下移動實(shí)驗(yàn)室的夾層，下面是移動網(wǎng)絡(luò)（有4G小基站）實(shí)驗(yàn)室。一聽要挪過去，各個憂心忡忡，這輻射如何辦？按秘書的說法，怎么辦，涼拌。正好玩磁場傳感器，雖然magneTIc不是electromagneTIc，電場、磁場相互作用，在具體的都還給老師了。手頭上也沒有什么能夠進(jìn)行測試的，就用磁場傳感器測一測。這種事情多半都是自己嚇自己，智能手機(jī)將成為摸金校尉的必備工具。

下面是小例子代碼片段：

public class MagneTIcFieldSensorAcTIvity extends Activity implements SensorEventListener{

……

@Override

protected void onCreate（Bundle savedInstanceState） {

……

sensorManager = （SensorManager）getSystemService（SENSOR_SERVICE）；

sensor = sensorManager.getDefaultSensor（Sensor.TYPE_MAGNETIC_FIELD）；

}

…… //注冊和注銷磁場傳感器監(jiān)聽器

private int count = 1;

@Override

public void onSensorChanged（SensorEvent event） {

if（ count == 20）{ //磁場傳感器很敏感，每20個變化，顯示一次數(shù)值

double value = Math.sqrt（event.values［0］*event.values［0］ event.values［1］*event.values［1］

event.values［2］*event.values［2］）；

String str = String.format（“X：%8.4f ， Y：%8.4f ， Z：%8.4f \n總值為：%8.4f”，

event.values［0］，event.values［1］，event.values［2］，value）；

count = 1;

tv.setText（str）；

}

}

@Override

public void onAccuracyChanged（Sensor sensor， int accuracy） {

// Nothing here

}

}

方位傳感器（Orientation Sensors）

磁場傳感器和加速度傳感器結(jié)合可或者設(shè)備擺放角度，兩者結(jié)合可以獲取方位。這些計(jì)算由Android代勞了，SensorManager提供getRotationMatrix（），獲得轉(zhuǎn)動的矩陣，并進(jìn)一步通過getOrientation（）獲得方位矩陣。Android還有方位傳感器（orientation Sensors），不是物理實(shí)體，而是通過acceleration傳感器和磁場感應(yīng)器來獲取方位，而在Android2.2開始方位傳感器就被deprecated了。

設(shè)備擺放情況通過azimuth、pitch和roll來表示。

azimuth即方位角，就是手機(jī)方向和正北的夾角，百度百科這樣描述方位角：是從某點(diǎn)的指北方向線起，依順時針方向到目標(biāo)方向線之間的水平夾角。pitch和roll可能是引用了航天的術(shù)語。azimuth，pitch和roll分別是z軸、X軸和Y軸的旋轉(zhuǎn)角度。

老方法采用orientation傳感器，azimuth從0~360。pitch是在x軸方向的轉(zhuǎn)動角度，其實(shí)就是Y軸和水平面的仰角，范圍為-180~180，正的為朝下（手機(jī)頭低于水平面），負(fù)的為朝上，pitch的方向逆時針為正。roll是Y軸防線的轉(zhuǎn)動角度，實(shí)際就是X軸和水平面的角度，范圍在-90~90，同樣逆時針為正，右軸高于左軸時為正，右軸高于左軸時為負(fù)。

新的方法，azimuth的范圍是-180~180，當(dāng)然我們可以進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶幚?，如果小于零，則加360，這樣就可以和orientation的得到的值一樣。需要注意的是pitch的范圍是-90~90，機(jī)頭上翹為負(fù)；roll的范圍是-180~180，和老方法相反，右軸高時為負(fù)。

這兩種方式的數(shù)值可能會使人有些迷糊，我們在使用之前先查文檔弄清楚就是了。我曾經(jīng)有個疑惑為何有兩個數(shù)值的范圍是360度，其中一個數(shù)值只有180度。想想球面就知道了，以地球儀為例，經(jīng)度范圍是360°，維度范圍是180°，就可以確定球面上的任何一點(diǎn)，以球心到該點(diǎn)假設(shè)是手機(jī)中軸線，還有一個圍繞Y軸360°轉(zhuǎn)的角度的第三維，這就可以確定所有的排放方式。

小例子

下面小例子我們將同時展現(xiàn)新舊兩種方式。

public class VirtualJax extends Activity implements SensorEventListener{

。 。 //注冊和注銷傳感器監(jiān)聽器，本例涉及三個傳感器（加速度傳感器、地磁傳感器和方位傳感器），可以用sensorManager.unregister（this）注銷監(jiān)聽器所涉及的全部傳感器。

private Sensor accelSensor = null， compassSensor = null， orientSensor = null;

private float［］ accelValues = new float［3］， compassValues = new float［3］，orientValues = new float［3］；

private boolean ready = false; //檢查傳感器是否正常工作，即是否同時具有加速傳感器和磁場傳感器。

private float［］ inR = new float［9］；

private float［］ inclineMatrix = new float［9］；

private float［］ prefValues = new float［3］；

private double mInclination;

private int count = 1;

@SuppressWarnings（“deprecation”） //因?yàn)閛rientaion已經(jīng)不再使用，為了不要顯示warning，加上此標(biāo)識

@Override

public void onSensorChanged（SensorEvent event） {

//【1】將相關(guān)傳感器的數(shù)值分別讀入accelValues，compassValues（磁力感應(yīng)器的數(shù)值）和orientValues數(shù)組中

switch（event.sensor.getType（））{

case Sensor.TYPE_ACCELEROMETER：

for（int i = 0 ; i 《 3 ; i ）{

accelValues［i］ = event.values［i］；

}

if（compassValues［0］ ！= 0） //如果accelerator和magnetic傳感器都有數(shù)值，設(shè)置為真

ready = true;

break;

case Sensor.TYPE_MAGNETIC_FIELD：

for（int i = 0 ; i 《 3 ; i ）{

compassValues［i］ = event.values［i］；

}

if（accelValues［2］ ！= 0） //檢查accelerator和magnetic傳感器都有數(shù)值，只是換一個軸向檢查

ready = true;

break;

case Sensor.TYPE_ORIENTATION：

for（int i = 0 ; i 《 3 ; i ）{

orientValues［i］ = event.values［i］；

}

break;

}

if（！ready）

return;

//【2】根據(jù)加速傳感器的數(shù)值accelValues［3］和磁力感應(yīng)器的數(shù)值compassValues［3］，進(jìn)行矩陣計(jì)算，獲得方位

//【2.1】計(jì)算rotation matrix R（inR）和inclination matrix I（inclineMatrix）

if（SensorManager.getRotationMatrix（inR， inclineMatrix， accelValues， compassValues））{

/* 【2.2】根據(jù)rotation matrix計(jì)算設(shè)備的方位。，范圍數(shù)組：

values［0］： azimuth， rotation around the Z axis.

values［1］： pitch， rotation around the X axis.

values［2］： roll， rotation around the Y axis.*/

SensorManager.getOrientation（inR， prefValues）；

//【2.2】根據(jù)inclination matrix計(jì)算磁仰角，地球表面任一點(diǎn)的地磁場總強(qiáng)度的矢量方向與水平面的夾角。

mInclination = SensorManager.getInclination（inclineMatrix）；

//【3】顯示測量值

if（count % 100 == 0）{

doUpdate（null）；

count = 1;

}

}else{

Toast.makeText（this， “無法獲得矩陣（SensorManager.getRotationMatrix）”， Toast.LENGTH_LONG）；

finish（）；

}

}

//【3】顯示測量值

public void doUpdate（View v）{

if（！ready）

return;

//preValues［0］是方位角，單位是弧度，范圍是-pi到pi，通過Math.toDegrees（）轉(zhuǎn)換為角度

float mAzimuth = （float）Math.toDegrees（prefValues［0］）；

/*//糾正為orientation的數(shù)值。

* if（mAzimuth 《 0）

mAzimuth = 360.0;*/

String msg = String.format（“推薦方式：\n方位角：%7.3f\npitch： %7.3f\nroll： %7.3f\n地磁仰角：%7.3f\n”，

mAzimuth，Math.toDegrees（prefValues［1］），Math.toDegrees（prefValues［2］），

Math.toDegrees（mInclination））；

nowOne.setText（msg）；

msg = String.format（“老方式：\n方位角：%7.3f\npitch： %7.3f\nroll： %7.3f”，

orientValues［0］，orientValues［1］，orientValues［2］）；

oldOne.setText（msg）；

}

}