物联网设备中的磁性传感器应用和选型对比

磁性传感器的简单应用和TMR、干簧管、霍尔传感器三种流行磁性传感器的优缺点

        磁性传感器在物联网中扮演着重要的角色, 因此了解它的优缺点对于设计最佳、最经济、最高效的产品至关重要。下面,小编将和大家一起分享当下最流行的三种磁技术。

        随着无线技术的不断发展,近年来出现了低成本、低功耗、并且支持多种无线协议的技术如蓝牙、Zigbee、Z-Wave 和 ANT +等的SoC (芯片上的系统)。这样, 开发人员就可以可以在家庭、企业、工厂和环境随时工作, 也可以在人类和动物身上安装或植入设备,能够充分的感知周围的环境并可以通过互联网进行交流。这种把所有人或物体连接起来的设备称为物联网 (Iot) 设备。物联网设备中常用的三种磁性传感器是 TMR (隧道电阻传感器)、干簧管和霍尔传感器。 在选择磁性传感器进行设计时, 设计人员首先应了解自己的产品。

        首先,我们通过一些例子了解磁性传感器在物联网中的应用。例如接近传感器,常用在在家庭安全系统中的门窗传感器。磁铁装在门或窗扇上,接近传感器装载们或窗框上, 当门或窗打开时, 传感器检测到磁场的缺失, 并以无线方式将状态传递给控制系统。

         磁性传感器也可用来计算车轮和仪表的旋转次数。比如工厂中用来测量液体的流量的流量计,就是通过磁传感器来计算叶轮的旋转的。也可以计算自行车车轮和曲轴的旋转次数。 


图1 在仪表设备中的应用

        最近越来越常见的应用是 "开机" 功能。 特别是对于密封的、小电池供电的物联网设备, 需要使设备处于 "关闭电源" 或 "睡眠" 模式, 直到用户使用。如可连续穿戴的血糖仪。

        虽然机械开关也可以保持设备断电,但容易使电子受到恶劣环境的影响。 最好的办法就是在密封装置里使用磁性传感器,而且将设备外的小磁铁嵌入设备的保护包装中。 这样, 当设备从包装中取出时,传感器输出就会发生变化, 电路就会 "打开" 设备。  这种方法不仅节省了电池电量, 还为可以用户提供 "开封即用" 的体验。

        选择这些磁性传感器时要考虑功耗、灵敏度、输出响应选项、尺寸、可靠性和成本等因素。以下介绍几种常见的传感器以及优缺点。

        最简单的磁传感器, 干簧管,也称舌簧管或磁簧开关,是一种磁敏的特殊开关。基本型式是将两片磁簧片密封在玻璃管内,两片虽重叠,但中间间隔有一小空隙。当外来磁场时将使两片磁簧片接触,进而导通。 一旦磁体被拉到远离开关,磁簧开关将返回到其原来的位置。干簧管用于各种物联网设备, 最显著的是用于安全系统、仪表和植入医疗设备的门窗传感器。


图2 干簧管

        干簧管的优点在于它是无源设备没有功率消耗,而且结构简单、价格低廉。 

         但是, 干簧管也有几个限制因素,第一是尺寸最常见的磁簧开关长度为 10mm--对于某些物联网设备来说是可以接受的, 但许多需要传感器尺寸小于1mm 平方范围的可穿戴和植入式设备就不能使用了。第二较小的磁簧开关 (低至5mm 的长度)价格昂贵,很难获得。由于其机械特性和玻璃管设计固有的脆弱性, 磁簧开关可靠性较差。

        霍尔效应传感器也是磁传感器的一种。 霍尔效应是当电流垂直于外磁场通过半导体时,载流子发生偏转,垂直于电流和磁场的方向会产生一附加电场,从而在半导体的两端产生电势差。霍尔效应传感器是一种固态器件具有体积小、可靠、成本低等特点。 霍尔传感器最大的缺点是电流消耗。大多数霍尔效应传感器电流消耗都超过了几个微安 (μA) , 这对于许多电池供电的物联网设备来说都是个问题。 

        最后一类磁传感器是磁阻 (MR) 传感器。 基于导体电阻值随外加磁场变化而变化的原理, 开发了以 MR 技术为基础不同MR传感器。

        虽然MR传感器都具有固态 IC、体积小、成本低、可靠性高的优点, 但隧道磁阻 (TMR) 传感器由于提供最高灵敏度和最低功率。  此外, TMR 传感器是所有 MR 传感器中最敏感的传感器, 相当于最敏感的干簧管的灵敏度。

        下表总结了干簧管、霍尔传感器和 TMR 传感器的相对优势和弱点。 在功耗、开关频率、可靠性、灵敏度、尺寸、抗干扰性和成本方面, TMR 传感器在其他磁性传感器中性能最好。

        "物联网" 不仅仅是一个行业流行语, 还是个非常真实的趋势, 正在触及我们世界不同的应用。 虽然磁性传感器提供了物联网改变我们生活的技术,但设计人员必须了解不同类型的特性, 以便为自己的设计选择合适的解决方案。


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