磁傳感器在物聯(lián)網(wǎng)中的常見應(yīng)用

　　磁傳感器在物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備中起著重要作用，今天我們將來討論三種最流行的磁性技術(shù)。

　　無線技術(shù)的最新進(jìn)展已導(dǎo)致低成本，低功耗的SoC（片上系統(tǒng)）支持多種無線協(xié)議，例如藍(lán)牙，Zigbee，Z-Wave和ANT+。借助這些SoC，開發(fā)人員可以設(shè)計(jì)家庭，企業(yè)，工廠和環(huán)境周圍的設(shè)備，以及植入或植入人體和動(dòng)物體內(nèi)的設(shè)備，這些設(shè)備可以感知周圍環(huán)境并通過Internet進(jìn)行通信。此類設(shè)備通常稱為IoT（物聯(lián)網(wǎng)）設(shè)備。

　　IoT設(shè)備中常用的三種類型的磁傳感器是TMR（隧道磁阻）傳感器，裸簧片開關(guān)和霍爾傳感器。

　　磁傳感器在物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用

　　首先，接近感應(yīng)在磁性傳感器中非常普遍。

　　典型的例子是在家庭安全系統(tǒng)中常見的窗戶和門傳感器（圖1），該傳感器安裝在門或窗戶的門框或外殼上，磁鐵安裝在傳感器附近的門或窗扇上。當(dāng)門或窗戶打開時(shí)，傳感器會(huì)檢測(cè)到?jīng)]有磁場(chǎng)，并將狀態(tài)無線傳輸?shù)桨踩到y(tǒng)基站。

　　圖1：磁性傳感器在許多常見的防盜警報(bào)器的操作中起著至關(guān)重要的作用。

　　磁傳感器也可以用于計(jì)數(shù)車輪和儀表的旋轉(zhuǎn)。在出廠設(shè)置中，測(cè)量液體流量的流量計(jì)（圖2）通常利用磁傳感器來感應(yīng)葉輪的旋轉(zhuǎn)。在自行車上，磁傳感器計(jì)算車輪和曲軸的旋轉(zhuǎn)。

　　圖2：流量計(jì)使用磁傳感器測(cè)量葉輪的旋轉(zhuǎn)來測(cè)量液體的流量。

　　磁性傳感器還可以用于使用磁性浮子和一系列傳感器來測(cè)量液位，這些傳感器可以隨著浮子隨液位的變化而感測(cè)浮子。所有這些應(yīng)用都利用固定表面上的磁傳感器與相對(duì)于傳感器移動(dòng)的附近表面上的磁體一起工作。

　　IoT設(shè)備通常需要模式選擇轉(zhuǎn)盤或擋板，使用戶可以手動(dòng)選擇適當(dāng)?shù)哪Ｊ交蚣?jí)別設(shè)置。傳統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方式是使用隨著表盤旋轉(zhuǎn)而打開和關(guān)閉的機(jī)電觸點(diǎn)。但是，隨著時(shí)間的流逝，電氣工程師發(fā)現(xiàn)機(jī)電觸點(diǎn)很容易出現(xiàn)故障，并且可以通過在每個(gè)模式位置使用磁傳感器和旋轉(zhuǎn)以激活傳感器的磁體的無接觸設(shè)計(jì)來代替。

　　最后，越來越普遍的磁傳感器應(yīng)用是觸發(fā)“開機(jī)”功能。尤其對(duì)于氣密，小型電池供電的IoT設(shè)備，設(shè)計(jì)人員需要一種方法來使設(shè)備保持“斷電”或“睡眠”模式，直到準(zhǔn)備好由用戶部署為止。一個(gè)很好的例子是可穿戴式連續(xù)血糖儀，該血糖儀用于測(cè)量人體葡萄糖水平并將其傳達(dá)給患者，醫(yī)生和胰島素泵（圖3）。

　　圖3：可穿戴式血糖儀使用磁傳感器觸發(fā)“喚醒”或“開機(jī)”功能。

　　1、裸簧片開關(guān)

　　機(jī)械開關(guān)和電池“卡舌”可以使設(shè)備斷電，但不幸的是，它們也使設(shè)備的電子設(shè)備容易受到惡劣環(huán)境的影響。一種優(yōu)選的方法是在密封設(shè)備內(nèi)部使用一個(gè)磁傳感器，并在設(shè)備外部使用一個(gè)小磁鐵，通常嵌入設(shè)備的保護(hù)性包裝中。這樣，當(dāng)將設(shè)備從包裝中取出時(shí)（同時(shí)又遠(yuǎn)離磁體的磁場(chǎng)），傳感器的輸出就會(huì)改變，并且電路會(huì)“打開”該設(shè)備。這種方法不僅可以節(jié)省電池電量，還可以節(jié)省電池電量。它還為用戶提供了“即時(shí)”或“即開即用”的體驗(yàn)。

　　所有這些磁傳感器功能的重要考慮因素包括功耗，靈敏度，輸出響應(yīng)選項(xiàng)，尺寸，可靠性和成本。有幾種常見的磁傳感器選項(xiàng)–每個(gè)選項(xiàng)在物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備方面都有其優(yōu)缺點(diǎn)。

　　最古老的磁性傳感器，也是使用時(shí)間最長(zhǎng)的傳感器，是古老的簧片開關(guān)。簧片開關(guān)是一種機(jī)電設(shè)備，由兩個(gè)黑色金屬“簧片”組成，每個(gè)簧片均連接至引線并封裝在玻璃管內(nèi)。磁場(chǎng)將兩個(gè)簧片拉在一起，從而閉合電路。磁簧開關(guān)通常用于各種IoT設(shè)備中，最值得注意的是用于安全系統(tǒng)，儀表和可植入醫(yī)療設(shè)備的窗戶和門傳感器。

　　磁簧開關(guān)的最大優(yōu)點(diǎn)是它們是消耗零功率的無源設(shè)備。磁簧開關(guān)還具有簡(jiǎn)單，便宜，靈敏度范圍有限的優(yōu)勢(shì)。但是，磁簧開關(guān)有幾個(gè)明顯的局限性。磁簧開關(guān)的限制之一是尺寸。最常見的簧片開關(guān)的長(zhǎng)度為10mm-對(duì)于某些物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備來說是可接受的，但對(duì)于許多傳感器尺寸小于1mm平方范圍的可穿戴和植入式設(shè)備而言，這是可接受的。

　　可以使用較小的簧片開關(guān)（長(zhǎng)度不超過5mm），但它們非常昂貴且難以獲得?；善_關(guān)由于其機(jī)械特性和玻璃管設(shè)計(jì)固有的脆弱性，其可靠性也很差。包覆成型的簧片開關(guān)通過保護(hù)玻璃管和引出管的引線周圍的密封件來提高可靠性，但這增加了成本以及尺寸。

　　2、霍爾傳感器

　　經(jīng)受時(shí)間考驗(yàn)的另一種磁性傳感器類型是霍爾效應(yīng)傳感器?；魻栃?yīng)是跨導(dǎo)體的電壓差（霍爾電壓）的產(chǎn)生，該電壓差垂直于導(dǎo)體中的電流以及垂直于電流的施加磁場(chǎng)。

　　作為固態(tài)CMOS技術(shù)，霍爾效應(yīng)傳感器體積小，可靠且成本低。霍爾傳感器的最大缺點(diǎn)是電流消耗。大多數(shù)霍爾效應(yīng)傳感器超過幾個(gè)微安培（μA）的電流，這對(duì)于許多電池供電的IoT設(shè)備來說是個(gè)問題。

　　3、磁阻（MR）傳感器

　　磁傳感器的最后一類是磁阻（MR）傳感器。基于導(dǎo)體的電阻會(huì)在存在磁場(chǎng)的情況下發(fā)生變化的原理，已開發(fā)出不同的MR技術(shù)作為MR傳感器的基礎(chǔ)。

　　盡管所有這些傳感器都具有固態(tài)IC的優(yōu)勢(shì)，體積小，成本低和可靠性高，但隧道磁阻（TMR）傳感器卻具有最高靈敏度和最低功耗的組合。TMR傳感器的功耗低至200nA以下，代表了需要磁傳感器功能的電池供電IoT設(shè)備的范例轉(zhuǎn)變。此外，TMR傳感器是所有MR傳感器中最靈敏的，并且等效于最靈敏的簧片開關(guān)的靈敏度。高度靈敏的傳感器可以使用更小，更便宜的磁體或更長(zhǎng)的激活距離。

　　總結(jié)：

　　表1總結(jié)了簧片開關(guān)，霍爾傳感器和TMR傳感器的相對(duì)優(yōu)缺點(diǎn)。在功耗，開關(guān)頻率，可靠性，靈敏度，尺寸，抗干擾性和成本方面，TMR傳感器在其他磁傳感技術(shù)上均名列前茅。

　　表1：該表比較了簧片開關(guān)，霍爾效應(yīng)和TMR（隧道磁阻）傳感器的顯著特征。

　　一旦選擇了適合您需求的最佳傳感器技術(shù)，仍然需要決定哪種傳感器輸出，傳感器極性響應(yīng)，感應(yīng)頻率和磁靈敏度最適合您的應(yīng)用。然后，設(shè)計(jì)磁子系統(tǒng)便面臨挑戰(zhàn)。（確定傳感器的方向，磁體的位置以及磁體的尺寸和類型，以滿足操作要求并限制成本）。

　　大多數(shù)機(jī)電產(chǎn)品設(shè)計(jì)工程師都沒有經(jīng)驗(yàn)，知識(shí)或工具來正確設(shè)計(jì)和驗(yàn)證磁感應(yīng)設(shè)計(jì)。在這種情況下，這些物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備設(shè)計(jì)人員應(yīng)選擇磁傳感器供應(yīng)商，這些供應(yīng)商應(yīng)提供專門的應(yīng)用工程支持，知識(shí)和工具，以協(xié)助磁傳感設(shè)計(jì)過程。

　　“物聯(lián)網(wǎng)”可能是一個(gè)行業(yè)流行詞，但這是一個(gè)非常現(xiàn)實(shí)的趨勢(shì)，正在觸及我們世界上許多不同的應(yīng)用程序。磁傳感器提供的技術(shù)可以支持IoT世界中不斷變化的設(shè)備，但設(shè)備設(shè)計(jì)人員必須了解不同類型的好處，才能為其設(shè)計(jì)選擇正確的解決方案。