技术文章—磁传感器在IoT领域中的应用
最后更新：2020-04-02 12:30:31 手机定位技术交流文章
无线技术的进步带来了低成本、低功耗、片上系统(SoC)支持——支持大量无线保真，如蓝牙、紫蜂、Z-Wave和ANT+。有了这些系统芯片，开发人员可以围绕家庭、企业、工厂和环境设计设备——以及安装或植入人体和动物体内的设备——这些设备可以感知环境并通过互联网进行交流。这些设备通常被称为物联网设备。这种物联网设备中常用的三种磁传感器是TMR(隧道磁阻传感器)、裸弹簧开关和霍尔传感器。了解这三种传感器的特点后，设备设计人员可以根据实际情况选择最佳方案。
磁传感器在物联网设备中发挥着重要作用。让我们看一些例子。接近感应是磁传感器的一个非常常见的应用。一个典型的例子是通常安装在家庭安全系统中的门窗传感器(图1)。传感器安装在门窗框或外壳上，磁性装置安装在靠近传感器的门窗框上。当门或窗打开时，传感器检测磁场和无线通信的状态，以满足安全系统的要求。
图1:家庭安全系统
磁性传感器也可以用来计算车轮和仪表的旋转。在工厂安装中，如图2所示，用于测量液体流量的流量计通常使用磁传感器来感测叶轮的旋转。在自行车上，磁传感器计算车轮和曲轴的转动。磁性传感器也可以用来测量液位。磁性浮子和一系列传感器可用于“感应”浮子随液位的移动。所有这些应用都利用固定表面上的磁性传感器，并与相对于传感器移动的附近表面上的磁体一起工作。
图2:磁性传感器在计量中的应用
通常，物联网设备需要一个模式选择盘或面板，以允许用户手动选择适当的模式或级别设置。传统的实现方法是在转盘旋转时使用机电触点来切换触点。然而，随着时间的推移，电气工程师发现机电接触容易失效。可由非接触式设计取代，该设计在每个模式位置使用磁性传感器，并使用磁铁旋转来激活传感器。
最后，越来越常见的磁传感器应用是触发“通电”功能。特别是对于密封的小型电池供电的物联网设备，设计者需要一种方法来保持设备处于“关机”或“睡眠”模式，直到用户开始使用该设备。一个很好的例子是可佩戴式连续血糖仪，用于测量人体的血糖水平并将其传达给患者、医生和胰岛素泵(图3)。
图3:可佩戴式连续血糖仪
机械开关和电池的“标签”可以使设备断电，但当设备处于恶劣环境时，会影响设备。一个更好的方法是在密封装置内部使用一个磁传感器，并在装置外部添加一个小磁铁，通常嵌入装置的保护包装中。这样，当装置从包中取出时，也意味着装置远离磁场。此时，传感器输出发生变化，高低电平切换可使电路从设备的“关”切换到“开”。这种方法不仅节省了电池电量，还为用户提供了“即时”或“开箱即用”的体验。
所有这些磁传感器功能的重要考虑因素包括功耗、灵敏度、输出响应选项、尺寸、可靠性和成本。几种常见的磁传感器选项，每种选项在物联网设备中各有优缺点。
簧片开关
最简单的磁传感器是簧片开关。簧片开关是一种机电设备，由两个黑色金属“簧片”组成，将簧片拉到电线上，并用玻璃管包裹。磁场将两个簧片拉在一起以闭合电路。簧片开关通常用于各种物联网设备，最显著的是用于安全系统、仪表和植入式医疗设备的门窗传感器。簧片开关的最大优点是它们是无源器件，功耗为零。簧片开关还具有简单、便宜和灵敏度范围有限的优点。然而，簧片开关有几个重要的局限性。簧片开关的限制之一是尺寸。最常见的簧片开关长度为10毫米，这对于某些物联网设备来说是可以接受的，但对于许多传感器尺寸小于1平方毫米的可穿戴和可植入设备来说则不合适。更小的簧片开关是可用的(长度低至5毫米)，但是它们非常昂贵并且难以获得。由于簧片开关的机械性能和固有的脆性玻璃管设计，它们的可靠性也很差。包覆成型的簧片开关通过保护玻璃管周围的密封和管外的电线提高了可靠性，但这增加了成本和尺寸。
霍尔效应传感器
另一种经受住时间考验的磁传感器是霍尔效应传感器。霍尔效应是导体上产生的电压差(霍尔电压)，它与导体中的电流和垂直于电流的外加磁场垂直。霍尔效应传感器是一种固态CMOS技术，具有体积小、可靠性高、成本低等优点。霍尔传感器最大的缺点是它们的电流消耗。大多数霍尔效应传感器的电流超过几微安，这对许多电池驱动的物联网设备来说是个问题。
磁阻传感器
最后一种磁传感器是磁阻传感器。基于导体电阻在磁场中变化的原理，不同的磁阻技术已经发展成为磁阻传感器的基础。尽管所有这些传感器都具有固态集成电路、小尺寸、低成本和高可靠性的优点，但是隧道磁阻传感器提供了最高灵敏度和最低功耗的组合。TMR传感器的功耗低至200纳。此外，磁流变传感器是所有磁流变传感器中最灵敏的，相当于最灵敏的簧片开关的灵敏度。高灵敏度传感器可以使用更小、更便宜的磁体或更长的激活距离。表1总结了簧片开关、霍尔传感器和TMR传感器的相对优缺点。在功耗、开关频率、可靠性、灵敏度、尺寸、抗噪性和成本方面，TMR传感器优于其他磁传感技术。
表1:簧片开关/霍尔/TMR传感器的比较
一旦您选择了最适合您需求的传感器技术，您仍然需要决定哪种传感器输出、传感器极性响应、传感频率和磁灵敏度适合您的应用。下一个挑战是设计磁性子系统。(确定传感器的方向、磁体的位置以及磁体的尺寸和类型，以满足操作要求并限制成本)。大多数电气和机械产品设计工程师没有经验、知识或工具来正确设计和验证磁敏设计。在这种情况下，这些物联网设备的设计者应该选择磁性传感器供应商，他们提供专业的应用工程支持、知识和工具来协助磁性传感器的设计过程。
“物联网”可能是业内的一个时髦词，但这是一个影响世界各地许多不同应用的真实趋势。尽管磁传感器提供了支持物联网世界中改变生活的设备的技术，但设备设计者必须了解不同类型的优势，以便为他们的设计选择正确的解决方案。
Coto技术是小信号转换产品的全球市场领导者，这些产品用于自动化测试设备、数据采集、仪器仪表、过程控制、电信、医疗和安全市场。公认的小信号开关产品，为客户提供高质量和创新能力。Coto产品包括簧片开关、继电器(固态继电器和水银继电器)和TMR传感器(隧道磁阻)。科托的继电器产品在自动测试设备(ATE)的出货量方面位居世界第一。
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