從引導(dǎo)航天器穿越浩瀚的宇宙到精確定位我們腳下埋藏的寶藏，磁力計(jì)是我們所依賴的無(wú)數(shù)技術(shù)的無(wú)名英雄。但磁力計(jì)到底是什么？從本質(zhì)上講，它是一種測(cè)量磁場(chǎng)強(qiáng)度和方向的設(shè)備，磁場(chǎng)是我們周?chē)床灰?jiàn)的力量。
但它們的應(yīng)用遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了檢測(cè)金屬物體的范圍。磁力計(jì)在導(dǎo)航系統(tǒng)、機(jī)器人、醫(yī)療設(shè)備甚至科學(xué)研究中至關(guān)重要。在本文中，我們將深入研究不同類型的磁力計(jì)、它們的不同用途，以及它們?nèi)绾螐氐赘淖儚南M(fèi)電子產(chǎn)品到太空探索等行業(yè)。
磁力計(jì)與陀螺儀和加速計(jì)結(jié)合使用，可實(shí)現(xiàn)精確的姿態(tài)確定和運(yùn)動(dòng)跟蹤。這種 3 軸磁力計(jì)、3 軸陀螺儀和 3 軸加速度計(jì)的算法組合稱為 9 軸傳感器融合。傳感器融合的要點(diǎn)是，將來(lái)自構(gòu)成 9 軸運(yùn)動(dòng)傳感基礎(chǔ)的三個(gè)傳感器（磁力計(jì)、加速度計(jì)和陀螺儀）的信息巧妙地組合起來(lái)，所提供的信息超出了其各個(gè)組成部分的總和。優(yōu)勢(shì)可以彌補(bǔ)劣勢(shì)，劣勢(shì)則依賴于三者之間的某種神奇和巧妙的結(jié)合。
傳感器融合的準(zhǔn)確性僅達(dá)到其最薄弱的傳感器鏈路。如果將一個(gè)蹩腳的陀螺儀放入方程式中，很明顯運(yùn)動(dòng)跟蹤也會(huì)受到相應(yīng)的影響。加速度計(jì)也是如此，當(dāng)然還有磁力計(jì)。但磁力計(jì)從一開(kāi)始就一直是三者中最神秘和最古怪的，只有很少的工程師徹底理解它的貢獻(xiàn)、動(dòng)力學(xué)和特性。好的磁傳感器如何影響融合和運(yùn)動(dòng)跟蹤的結(jié)果？到底什么是好的磁力計(jì)和不太好的磁力計(jì)呢？
磁力計(jì)是用于測(cè)量磁場(chǎng)的設(shè)備。磁力計(jì)的主要目的是準(zhǔn)確檢測(cè)磁場(chǎng)變化，其輸出用于導(dǎo)航、物體檢測(cè)和位置跟蹤等。目前有多種類型的磁力計(jì)，包括磁通門(mén)、光泵浦、超導(dǎo)量子干涉器件 (SQUID)、霍爾效應(yīng)傳感器、磁阻傳感器、洛倫茲力和磁感應(yīng)傳感器。
? 磁通門(mén)磁力計(jì)：磁通門(mén)技術(shù)使用具有磁滯現(xiàn)象的磁性材料，使它們能夠輕松測(cè)量磁場(chǎng)中最微小的變化。雖然磁通門(mén)磁力計(jì)具有良好的靈敏度，但往往體積龐大且功耗相當(dāng)大，限制了它們?cè)诰o湊型設(shè)備中的適用性。
? 光泵磁力計(jì)：這些磁力計(jì)利用原子蒸氣室和激光來(lái)測(cè)量磁場(chǎng)。光泵磁力計(jì)以其高靈敏度和準(zhǔn)確性而聞名，使其適合科學(xué)研究。然而，它們復(fù)雜的設(shè)計(jì)和相對(duì)較高的成本限制了它們?cè)谏虡I(yè)應(yīng)用中的廣泛采用。
? SQUID 磁力計(jì)： SQUID 磁力計(jì)以其極高的靈敏度而聞名。這些傳感器利用超導(dǎo)材料，通過(guò)檢測(cè)超導(dǎo)電路中的量子干涉來(lái)測(cè)量磁場(chǎng)的變化。然而，它們對(duì)低溫的依賴以及需要小心處理使得它們很難在大多數(shù)應(yīng)用中使用。
? 霍爾效應(yīng)磁力計(jì)：霍爾效應(yīng)傳感器利用霍爾效應(yīng)檢測(cè)磁場(chǎng)強(qiáng)度。導(dǎo)體上產(chǎn)生電勢(shì)差稱為電壓的產(chǎn)生。垂直于磁場(chǎng)。盡管霍爾效應(yīng)磁力計(jì)尺寸緊湊且功耗低，但其靈敏度有限，主要用于檢測(cè)應(yīng)用的開(kāi)啟或關(guān)閉類型。
? 磁阻 (MR) 傳感器：所有磁阻傳感器的工作原理是，沉積在半導(dǎo)體基板上的某些磁性材料會(huì)隨所施加的磁場(chǎng)的變化而改變其抵抗電流的能力。磁阻傳感器的主要形式有各向異性磁阻（AMR）、隧道磁阻（TMR）和巨磁阻（GMR）。所有這三種技術(shù)都表現(xiàn)出基于施加磁場(chǎng)的傳導(dǎo)變化，盡管它們實(shí)現(xiàn)這些變化的方式略有不同。所有這三種產(chǎn)品都具有相似的磁性測(cè)量功能，而選擇其中一種的原因通常是圍繞特定供應(yīng)商的可制造性問(wèn)題。 AMR 是迄今為止最常用的磁阻磁傳感器形式。
? 洛倫茲力磁力計(jì)： 如今，旭化成微器件 (AKM) 生產(chǎn)市場(chǎng)領(lǐng)先的芯片級(jí)磁力計(jì)，其技術(shù)基于洛倫茲力原理，這一原理體現(xiàn)在其專有的霍爾效應(yīng)傳感器中。
這個(gè)概念很簡(jiǎn)單。通過(guò)在所需的電流路徑上施加電壓，在半導(dǎo)體材料中產(chǎn)生電流。當(dāng)電子流過(guò)半導(dǎo)體介質(zhì)時(shí)，另一組無(wú)源電極垂直于電流流動(dòng)方向放置，以便施加到電流流動(dòng)路徑的任何橫向磁場(chǎng)都會(huì)導(dǎo)致電子朝一個(gè)或另一個(gè)方向輕微偏轉(zhuǎn)的傳感電極。電子的這種偏轉(zhuǎn)是由電流通過(guò)磁場(chǎng)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的洛倫茲力引起的。
可以想象，在不大于 1.5 毫米 x 1.5 毫米的芯片上的電極之間傳輸電流的微小距離內(nèi)，由像地球一樣弱的磁場(chǎng)引起的偏轉(zhuǎn)量幾乎無(wú)法檢測(cè)到。事實(shí)上，硅基霍爾效應(yīng)傳感器只能獲得非常嘈雜的信號(hào)，因此 AKM 使用更奇特的半導(dǎo)體基板以及奇特的摻雜材料。這有助于增強(qiáng)信號(hào)，使 AKM 的霍爾效應(yīng)傳感器可以用作地磁羅盤(pán)。在地磁場(chǎng)測(cè)量設(shè)備領(lǐng)域，AKM 的傳感器速率在可接受的性能方面是最低的。另外，由于霍爾效應(yīng)傳感器的自然測(cè)量軸與芯片平面正交，X 和 Y 分量測(cè)量是通過(guò)巧妙的環(huán)形通量集中器完成的，該集中器將磁場(chǎng)的 X 和 Y 分量彎曲到傳感器的敏感部分。這進(jìn)一步降低了傳感器的一些測(cè)量能力。
在為特定應(yīng)用選擇正確的傳感器時(shí)，了解不同類型的磁力計(jì)及其獨(dú)特的特性至關(guān)重要。每種技術(shù)都有獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)和局限性，我們將在下面的比較中探討這些優(yōu)點(diǎn)和局限性
| 磁力計(jì)類型 | 優(yōu)點(diǎn) | 缺點(diǎn) |
| 磁通門(mén)磁力計(jì) | 靈敏度高、量程寬，可測(cè)量靜態(tài)場(chǎng) | 體積大、功耗高 |
| 光泵磁力計(jì) | 極高的靈敏度、極高的準(zhǔn)確度 | 設(shè)計(jì)復(fù)雜、昂貴、需要受控環(huán)境 |
| SQUID 磁力計(jì) | 極高的靈敏度，極低的噪音 | 需要低溫冷卻、精細(xì)處理 |
| 霍爾效應(yīng)磁力計(jì) | 結(jié)構(gòu)緊湊、成本低、功耗低 | 靈敏度有限，精度受溫度影響 |
| 磁阻 (MR) 傳感器 | 結(jié)構(gòu)緊湊、成本低、功耗低、靈敏度好 | 對(duì)溫度變化敏感，需要校準(zhǔn)，易受磁場(chǎng)干擾 |
| 洛倫茲力磁力計(jì) | 結(jié)構(gòu)緊湊、成本低、靈敏度好 | 對(duì)溫度有些敏感性，可能需要校準(zhǔn) |
| 磁感應(yīng)式傳感器 | 高靈敏度、高精度、超大動(dòng)態(tài)范圍、不易受磁干擾、低功耗 | 尺寸比芯片級(jí)傳感器更大 |
磁感應(yīng)傳感器因其準(zhǔn)確可靠的磁場(chǎng)測(cè)量而成為霍爾效應(yīng)磁力計(jì)和磁阻傳感器的絕佳替代品。
它們比霍爾效應(yīng)和 MR 傳感器更大。盡管如此，盡管它們的尺寸很大，但與競(jìng)爭(zhēng)技術(shù)中成本最低的磁傳感器相比，它們?nèi)匀环浅＞哂谐杀靖?jìng)爭(zhēng)力，并且在信噪比和靈敏度方面表現(xiàn)好一個(gè)數(shù)量級(jí)。它們還具有極大的測(cè)量動(dòng)態(tài)范圍，非常適合在具有挑戰(zhàn)性的磁性環(huán)境中進(jìn)行地磁場(chǎng)測(cè)量，例如許多實(shí)際應(yīng)用中的情況。
雖然磁力計(jì)在運(yùn)動(dòng)跟蹤中的作用至關(guān)重要，但它們是多功能傳感器，其應(yīng)用跨越行業(yè)和科學(xué)學(xué)科。讓我們深入探討他們發(fā)揮作用的一些關(guān)鍵領(lǐng)域：
? 智能手機(jī)和平板電腦：您徒步旅行時(shí)使用的指南針應(yīng)用程序？它由磁力計(jì)供電，感應(yīng)地球磁場(chǎng)，為您指明正確的方向。但它不僅僅是一個(gè)簡(jiǎn)單的指南針。在《Pokémon Go》等 AR 游戲中，磁力計(jì)有助于將虛擬世界與您的真實(shí)環(huán)境保持一致，讓這些數(shù)字生物看起來(lái)就像就在您面前一樣。
? 無(wú)人機(jī)和機(jī)器人：磁力計(jì)為無(wú)人機(jī)和機(jī)器人提供重要的航向信息，確保它們即使在 GPS 信號(hào)不可用時(shí)也能保持在航線上（想想室內(nèi)倉(cāng)庫(kù)或?yàn)?zāi)區(qū)）。一些高端無(wú)人機(jī)使用磁力計(jì)進(jìn)行障礙物檢測(cè)，感測(cè)大型金屬物體引起的磁場(chǎng)變化。
? 金屬探測(cè)器：機(jī)場(chǎng)安全、尋寶，甚至尋找埋在地下的管道——所有這些都依靠磁力計(jì)來(lái)檢測(cè)金屬的存在。當(dāng)附近有金屬物體時(shí)，磁場(chǎng)的變化會(huì)觸發(fā)警報(bào)。
? 車(chē)輛檢測(cè)：磁力計(jì)嵌入道路中，可以感知車(chē)輛的通行，為交通管理、停車(chē)系統(tǒng)甚至收費(fèi)提供數(shù)據(jù)。
? 地質(zhì)調(diào)查：安裝在飛機(jī)或船上的磁力計(jì)用于繪制地球磁場(chǎng)圖并發(fā)現(xiàn)隱藏的地質(zhì)結(jié)構(gòu)，例如礦床或水下火山。
? 太空探索：衛(wèi)星使用磁力計(jì)研究其他行星和衛(wèi)星的磁場(chǎng)，為我們提供有關(guān)其組成和潛在宜居性的線索。
? 心跳監(jiān)測(cè)：極其靈敏的磁力計(jì)可以檢測(cè)人體心臟產(chǎn)生的微弱磁場(chǎng)，提供一種非侵入性的方式來(lái)監(jiān)測(cè)心臟健康狀況。
? 腦成像 (MEG)：腦磁圖 (MEG) 使用磁力計(jì)陣列來(lái)測(cè)量大腦活動(dòng)產(chǎn)生的磁場(chǎng)，有助于診斷神經(jīng)系統(tǒng)疾病。
? 考古調(diào)查：磁力計(jì)有助于定位埋藏的文物或結(jié)構(gòu)，而無(wú)需挖掘。
? 動(dòng)物追蹤：一些研究使用磁力計(jì)來(lái)追蹤依靠地球磁場(chǎng)進(jìn)行導(dǎo)航的動(dòng)物的遷徙模式。
? 潛艇探測(cè)：軍用磁力計(jì)用于探測(cè)潛艇引起的地球磁場(chǎng)扭曲，這對(duì)海軍行動(dòng)至關(guān)重要。
這只是磁力計(jì)應(yīng)用廣闊世界的一瞥。隨著傳感器技術(shù)的不斷進(jìn)步，我們可以預(yù)期更多創(chuàng)造性和影響力的用途將會(huì)出現(xiàn)。
磁力計(jì)在無(wú)數(shù)依賴磁場(chǎng)精確測(cè)量的應(yīng)用中發(fā)揮著不可或缺的作用。在各種類型的磁力計(jì)中，磁感應(yīng)傳感器技術(shù)以其準(zhǔn)確性、功效和多功能性而脫穎而出。 磁感應(yīng)傳感器能夠提供高精度的磁場(chǎng)測(cè)量，不斷革新磁傳感領(lǐng)域，推動(dòng)從軍事定位導(dǎo)航工作到汽車(chē)、機(jī)器人、消費(fèi)電子和可穿戴應(yīng)用等領(lǐng)域的進(jìn)步。
? 3DM-CV5-AHRS 工業(yè)姿態(tài)參考傳感器
? 3DM-GX5-AHRS 高性能姿態(tài)參考傳感器
? 3DM-CV7-AHRS 戰(zhàn)術(shù)級(jí) OEM IMU/AHRS
? 3DM-GQ7-GNSS/INS 雙天線多頻段RTK導(dǎo)航系統(tǒng)
? 3DM-GX5-GNSS/INS 高性能 GNSS 導(dǎo)航傳感器
