吸引眼球的磁測量工具
在家中用高斯計測量磁場是另一種有價值的應用。60 Hz 電場的家庭經常有接線錯誤,例如直流接線的中性腳通過地線或水管返回。電流導體距離很遠,構成了一個回路,因此它們產生的磁場遠大于正常接線的磁場。磁場本身是否會造成損害尚無定論,但最好還是讓電源通過墻內電線而不是家里的水管[U2]。
檢測與“可檢測性”
多種磁場測量陣列的可用性需要對傳感器的廣泛選擇,以正確地確定磁場的特性(參考文獻 6 和圖 3)。最基本的一種是一個簡單的電感傳感器,包括一個有磁芯的線圈。它可以測量交流場,也可以拾取電場。磁芯材料的響應亦限制了傳感器可以探測的最高頻率。這些類型傳感器用于低價的高斯計,通常面向保健市場。
電感傳感器的最大缺點是它們不能測量直流場。霍爾效應傳感器解決了這個問題?;魻栃獋鞲衅鲿a生一個與磁場強度成正比的輸出電壓?;魻栃獋鞲衅髦还ぷ髟谝粋€軸,但供應商可以將三只器件裝在一起用于三軸測量,提供足夠的信息來探測地球的磁場,或從感興趣的實際直流場中減掉地球磁場。這些傳感器的缺點是會隨時間、溫度而漂移,因此難以做精密測量。
磁通門傳感器可指示地球磁場的方向,它也可以測量直流場,并且比霍爾效應器件更靈敏。磁通門傳感器采用交流電流掃描導磁磁芯的磁飽和曲線。磁芯的特性決定了需要多少安匝(電流流過一個線圈所產生的磁力)才能達到飽和。磁芯中存在的直流場降低了一個磁力方向上實現(xiàn)飽和所需要的電流量,并增加了當試圖沿磁力相反方向驅動磁芯時所需的電流。測量小電流很簡單,因此就可能測量小磁場(參考文獻 7)。如果你足夠快地激勵磁通門,它就能很容易地測量 60 Hz 場,以及直到音頻范圍的其它交流場。
德州儀器公司的 Burr-Brown 分公司提供 DRV401 芯片,它可以激勵并測量一個磁感式磁力計(與一個磁通門相似)中的線圈響應。將磁芯驅動到某個電流,然后再反轉,部件就會建立一個自然振蕩。不施加磁場時,振蕩的占空比是精確的 50%。當有一個外部場時,占空比會變化,表示出所需加磁場的幅度與方向。這種技術的頻率范圍可延伸到 100kHz。該芯片為磁產品制造商 Vacuumschmelze 的電流傳感器提供磁場檢測。
大量的磁傳感器采用了磁阻原理。磁阻材料會在磁場中改變自己的阻抗。愛爾蘭物理學家兼工程師 William Thomson(普遍知道的是 Lord Kelvin)在 1856 年發(fā)現(xiàn)了這一現(xiàn)象的理論基礎,之后開發(fā)了一些技術,用沉積金屬的薄膜普及了這些傳感器。由于磁場直接改變電阻,這類傳感器可以同時測量直流場和交流場,并且由于傳感器是阻性的,可以將其用于高頻率,這表明它們可以用于磁盤驅動器。這些傳感器可以采用 AMR(各向異性磁阻)、GMR(巨磁阻)或 TMR(隧道磁阻)技術。日本物理學家Terunobu Miyazaki 在 1995 年發(fā)現(xiàn),你可以在室溫下使用 TMR 技術。由于這一突破,磁盤讀寫頭的制造商用 TMR 傳感器達到了現(xiàn)在磁盤所需要的快速響應和高碼率。Honeywell 和其它公司的 AMR 傳感器獲得了從指南針到輪齒檢測的廣泛應用。
例如,Maxim 提供基于 16 bit RISC 微控制器的 MAXQ-7665 智能數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),它與磁阻傳感器接口;它還集成了一個模擬前端、一個可編程增益放大器,以及橋接激勵。該器件可在汽車應用中測量方向盤的轉向角和牽引控制。Maxim 的資深工程師 Mike Mellor 稱,微處理器核心有一個乘法/累加指令,使器件能完成計算與 DSP 型過濾。該器件亦集成了一個 CAN(控制器局域網(wǎng))總線和 UART。
傳感器采用測量原子性質的 NMR(核磁共振)技術,因此它們高度精準,你可以用它們作為首要標準。它們的分辨率接近于十億分之一,其共振是基于氫原子核內一個質子的旋轉狀態(tài)。質子旋進磁力計將水或其它富氫樣品放入一個強磁場中,然后使磁場快速衰退,由第二個感應器測量質子的弱共振。地球磁場會產生一個 1.5 kHz 的共振頻率。Overhauser 型NMR 傳感器用接近 45 MHz 的 RF 能量激勵水中的氫原子,傳感器吸收共振能量,這個頻率與磁場成正比。測量很精確,沒有漂移,并且測的是三軸磁場,因為這個作用是無方向性的。但是這些傳感器要比其它類型要貴,而且有特有的不足:水在低溫下會結冰,毀壞內部容器,GMW Associates 的總裁 Brian Richter 如是說。例如,用戶將傳感器留在冰雪天的飛機跑道上就會出現(xiàn)此情況。NMR 傳感器還要求通過測量容器中的場為統(tǒng)一場,并且它們只用于直流場和慢速交流場。
最靈敏的磁力計是 SQUID(超導量子干涉儀器件)。AlphaLab 的 Lee 說:“它們可以很容易檢測你大腦或心臟中神經脈沖的磁場。你必須對它們作良好的屏蔽,因為半英里外開過的一輛卡車都會引入更多的磁場。”
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