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磁阻傳感器 霍爾傳感器：【雷賽智能 ｜ 頭條】磁阻傳感器與霍爾傳感器有什么區(qū)別？
原標(biāo)題：【雷賽智能 | 頭條】磁阻傳感器與霍爾傳感器有什么區(qū)別？
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前段時(shí)間，有朋友留言，讓我講講磁柵編碼器的工作原理。
其實(shí)，我之前也沒用過(guò)。
不過(guò)最近，我查詢了一些資料，發(fā)現(xiàn)確實(shí)有一些應(yīng)用中用到磁編碼器。
比如，對(duì)于長(zhǎng)行程（1米）的直線運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的位置檢測(cè)，再比如對(duì)于空間有限的旋轉(zhuǎn)直驅(qū)電機(jī) 運(yùn)動(dòng)檢測(cè)。
當(dāng)然，我也順便把磁編碼器的工作原理弄清楚了。
本來(lái)我打算這篇日記就來(lái)分享一下它的工作原理，但是我發(fā)現(xiàn)，要全部講清楚，恐怕又是一篇長(zhǎng)文，可讀性下降。
所以今天，我先分享一下傳感器部分，后續(xù)再補(bǔ)充一篇，說(shuō)明整體工作原理。
磁柵編碼器或者磁旋轉(zhuǎn)編碼器上，采用的傳感器，一般為霍爾傳感器或者磁阻傳感器。
磁阻傳感器用于旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng) 檢測(cè)示意圖。
磁阻傳感器用于直線運(yùn)動(dòng)檢測(cè)示意圖。
磁阻傳感器用于電機(jī)角度反饋。
4分辨率磁阻傳感器檢測(cè)位置應(yīng)用，圖片來(lái)自murata。
磁阻傳感器檢測(cè)位置應(yīng)用，圖片來(lái)自murata。
磁柵編碼器和磁旋轉(zhuǎn)編碼器示意圖，來(lái)自BOGEN。
幾種磁阻傳感器用于檢測(cè)三維運(yùn)動(dòng)，角度運(yùn)動(dòng)，直線運(yùn)動(dòng)。
磁阻傳感器用于電機(jī)軸，檢測(cè)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。
磁阻傳感器用于讀取磁盤信息。
磁傳感器工作示意圖。
關(guān)于 霍爾傳感器 的原理，之前有一篇文章專門講過(guò)，這里僅僅回顧一下。
霍爾傳感器的原理：在垂直于霍爾元件的外部磁場(chǎng)作用下，電子在會(huì)向霍爾元件一側(cè)移動(dòng)，造成兩側(cè)電勢(shì)差，形成霍爾電壓。
霍爾傳感器的原理動(dòng)畫展示。
那么，什么又是磁阻傳感器呢？它是怎么工作的？
01
磁阻傳感器的分類
首先，這里的磁阻，和之前講過(guò)的 磁阻電機(jī) 中的磁阻可不是一回事。
磁阻電機(jī)中的磁阻（Reluctance），是阻礙磁路中磁通量的產(chǎn)生。
而此處的磁阻（Magnetoresistance），是材料的電阻會(huì)隨著外部磁環(huán)境的變化而變化的現(xiàn)象。
當(dāng)然并不是所有材料都有這個(gè)能力。
目前主要應(yīng)用的有三種磁阻元件。
分別為AMR，GMR，TMR元件。
AMR＝Anisotropic Magnetoresistance Effect，即各向異性磁阻效應(yīng)。
GMR＝Giant Magnetoresistance Effect，即巨磁阻效應(yīng)。
TMR＝Tunnel Magnetoresistance Effect，即穿隧磁阻效應(yīng)
AMR，GMR，TMR結(jié)構(gòu)示意圖：AMR僅由自由層（Free Layer）薄膜構(gòu)成，GMR和TMR由自由層薄膜和固定層（Pinned Layer）薄膜及其他相關(guān)薄膜構(gòu)成。自由層可以被磁化，磁化方向和外磁場(chǎng)方向相關(guān)，固定層的磁化方向被固定，不隨外部磁場(chǎng)變化而變化，圖片來(lái)自hprobe。
磁化過(guò)程示意圖。
AMR，GMR，TMR原理示意圖：AMR當(dāng)磁化方向和電流方向平行時(shí)，電阻最大，電流最小（圖中用棕色箭頭大小表示電流大小）；當(dāng)磁化方向和電流垂直時(shí)，電阻最小，電流最大。GMR和TMR當(dāng)磁化方向和固定層磁化方向相反時(shí)，電阻最大，電流最小；當(dāng)磁化方向和固定層磁化方向相同時(shí)，電阻最小，電流最大。圖中可見，GMR和TMR最明顯的區(qū)別在于通電電流方向不同，GMR電流平行于薄膜，而TMR電流則垂直于薄膜。圖片來(lái)自AKM。
AMR電阻隨外磁場(chǎng)和電流夾角的變化情況。
AMR由一層可以被外部磁場(chǎng)磁化的鐵磁薄膜構(gòu)成，外部磁場(chǎng)和通電電流形成一個(gè)夾角，當(dāng)磁場(chǎng)角度變化，這個(gè)夾角改變，電阻也隨之改變，如果傳感器通入的電壓一定，將會(huì)產(chǎn)生變化的電流信號(hào)。
AMR傳感器工作原理。施加磁場(chǎng)后，磁阻元件R1、R4的電阻值將下降，且中點(diǎn)A和中點(diǎn)B之間的電位將產(chǎn)生差異。當(dāng)電位差超過(guò)規(guī)定的設(shè)置值（閾值）時(shí)，將切換傳感器的ON/OFF輸出。圖片來(lái)自murata。
GMR主要由自由層和固定層薄膜及導(dǎo)體夾層構(gòu)成，電流方向平行于薄膜方向。
關(guān)于GMR，值得一提的是，巨磁阻效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)者Albert Fert和Peter Grunberg在2007 年，獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。
GMR巨磁阻效應(yīng)發(fā)現(xiàn)者A. Fert和P. Grunberg于2007年獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。
TMR和GMR結(jié)構(gòu)類似，主要由自由層和固定層薄膜及中間隧道障礙夾層構(gòu)成。
02
磁阻傳感器的原理
TMR磁性結(jié)構(gòu)與GMR基本相同，都是多層薄膜元件，但GMR元件的電流平行于膜面流過(guò)，而TMR元件的電流垂直于膜面流過(guò)。
磁阻元件的發(fā)現(xiàn)進(jìn)程和磁阻效應(yīng)強(qiáng)弱分別為AMR，GMR及TMR，可以用下面這張圖表示。
AMR，GMR，TMR的發(fā)展歷史及磁阻效應(yīng)強(qiáng)弱，由圖可見TMR磁阻效應(yīng)最大，其次是GMR，磁阻效應(yīng)最小的是AMR，大磁阻效應(yīng)意味著可以檢測(cè)更廣泛更微弱的磁變化。
TMR電阻隨外磁場(chǎng)方向的變化情況，上圖可以看到電阻隨外磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)角度變化而變化的曲線。下左圖中，當(dāng)自由層與固定層的磁化方向?yàn)榉聪蚱叫袝r(shí)，電阻變大（對(duì)應(yīng)上圖的180度），只流過(guò)微弱的電流。右下圖中：當(dāng)自由層與固定層的磁化方向平行時(shí)，電阻變小（對(duì)應(yīng)上圖的0度或者360度），流過(guò)大電流。此圖說(shuō)明TMR磁阻元件可當(dāng)作角度傳感器。
這張圖和上圖是一個(gè)意思，我保存一下，圖片來(lái)自TDK。
GMR／TMR電阻隨平移磁場(chǎng)變化示意圖，電阻達(dá)到閥值時(shí)，可以視為開關(guān)信號(hào)，來(lái)自alpsalpine。
GMR／TMR電阻隨旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)變化示意圖，電阻達(dá)到閥值時(shí)，可以視為開關(guān)信號(hào)，來(lái)自alpsalpine。
MR傳感器狀態(tài)變化示意圖，來(lái)自alpsalpine。
03
三種磁阻元件之間的區(qū)別
三種磁阻元件的不同之處，可以用2張圖來(lái)表示。
三種元件在相同磁場(chǎng)作用下，電阻的變化率對(duì)比。TMR變化最大，所以也最敏感（原因是結(jié)構(gòu)不同）。
AMR，GMR，TMR對(duì)比：TMR電阻變化率最大，所以也最敏感，同時(shí)受溫度的影響最小，適用性最高，圖片來(lái)自TDK。
結(jié)構(gòu)方面，AMR最簡(jiǎn)單，由單層薄膜組成，GMR和TMR相似，都是多層薄膜組成。
電流方面，AMR和GMR電流方向平行于薄膜方向，唯有TMR垂直于薄膜方向。
當(dāng)然，從結(jié)果來(lái)看，TMR對(duì)磁變化最為敏感，所以它可以用于檢測(cè)更小的磁變化，且可以多方向檢測(cè)，同時(shí)它受溫度的影響較小，測(cè)量誤差更小。
04
磁阻傳感器與霍爾傳感器的區(qū)別
以上，我們了解了3種基本的磁阻元件結(jié)構(gòu)，及原理，以及它們之間的靈敏度區(qū)別。
那么磁阻傳感器和霍爾傳感器有什么區(qū)別呢？
首先，檢測(cè)磁場(chǎng)方向不同，霍爾傳感器檢測(cè)垂直于霍爾元件的磁場(chǎng)，而磁阻傳感器檢測(cè)平行于磁阻元件的磁場(chǎng)。
磁阻傳感器和霍爾傳感器檢測(cè)方向?qū)Ρ取?/p>
磁阻傳感器和霍爾傳感器檢測(cè)方向?qū)Ρ取?/p>
其次，磁阻傳感器更加敏感，所以可以檢測(cè)多個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)。
磁阻傳感器用于檢測(cè)各個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)。
磁阻傳感器檢測(cè)運(yùn)動(dòng)方向示意圖，圖片來(lái)自murata。
當(dāng)然，磁阻傳感器可以做得更小，在有限的空間中放置兩個(gè)檢測(cè)頭。
雙磁阻檢測(cè)元件示意圖。
當(dāng)然還有其他一些不同之處，比如熱穩(wěn)定性，功耗等總結(jié)在下表中。
霍爾傳感器VS TMR傳感器。
以上特點(diǎn)決定了大部分的編碼器都用磁阻傳感器。
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- END -
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磁阻傳感器 霍爾傳感器：磁阻傳感器和霍爾傳感器在工作原理和使用方法方面各有什么特點(diǎn)
磁阻傳感器是磁通量改變會(huì)造成元件電阻變化。磁阻傳感器能制作在硅片上，并形成產(chǎn)品。其靈敏度和線性度已經(jīng)能滿足磁羅盤的要求，各方面的性能明顯優(yōu)于霍爾器件。
霍爾效應(yīng)：把通有電流i的導(dǎo)體放在垂直于它的磁場(chǎng)中，則在導(dǎo)體的兩側(cè)p1、p2會(huì)產(chǎn)生一電勢(shì)差uh，它與電流i及磁感應(yīng)強(qiáng)度b成正比，與導(dǎo)體厚度d成反比。
磁場(chǎng)中有一個(gè)霍爾半導(dǎo)體片，恒定電流I從A到B通過(guò)該片。在洛侖茲力的作用下，I的電子流在通過(guò)霍爾半導(dǎo)體時(shí)向一側(cè)偏移，使該片在CD方向上產(chǎn)生電位差，這就是所謂的霍爾電壓。
霍爾電壓隨磁場(chǎng)強(qiáng)度的變化而變化，磁場(chǎng)越強(qiáng)，電壓越高，磁場(chǎng)越弱，電壓越低，霍爾電壓值很小，通常只有幾個(gè)毫伏，但經(jīng)集成電路中的放大器放大，就能使該電壓放大到足以輸出較強(qiáng)的信號(hào)。若使霍爾集成電路起傳感作用，需要用機(jī)械的方法來(lái)改變磁場(chǎng)強(qiáng)度。下圖所示的方法是用一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)的葉輪作為控制磁通量的開關(guān)，當(dāng)葉輪葉片處于磁鐵和霍爾集成電路之間的氣隙中時(shí)，磁場(chǎng)偏離集成片，霍爾電壓消失。這樣，霍爾集成電路的輸出電壓的變化，就能表示出葉輪驅(qū)動(dòng)軸的某一位置，利用這一工作原理，可將霍爾集成電路片用作用點(diǎn)火正時(shí)傳感器。霍爾效應(yīng)傳感器屬于被動(dòng)型傳感器，它要有外加電源才能工作，這一特點(diǎn)使它能檢測(cè)轉(zhuǎn)速低的運(yùn)轉(zhuǎn)情況。
磁阻傳感器 霍爾傳感器：磁阻傳感器和霍爾傳感器的區(qū)別
磁阻傳感器和霍爾傳感器的區(qū)別
霍爾傳感器是根據(jù)霍爾效應(yīng)制作的一種磁場(chǎng)傳感器
霍爾傳感器特點(diǎn)：
1、 霍爾傳感器可以測(cè)量任意波形的電流和電壓，如：直流、交流、脈沖波形等，甚至對(duì)瞬態(tài)峰值的測(cè)量。副邊電流忠實(shí)地反應(yīng)原邊電流的波形。而普通互感器則是無(wú)法與其比擬的，它一般只適用于測(cè)量50Hz正弦波。
2、 原邊電路與副邊電路之間完全電絕緣，絕緣電壓一般為2KV至12KV，特殊要求可達(dá)20KV至50KV。
3、 精度高：在工作溫度區(qū)內(nèi)精度優(yōu)于1%，該精度適合于任何波形的測(cè)量。而普通互感器一般精度為3%至5%且適合50Hz正弦波形。
4、 線性度好：優(yōu)于0.1%
5、 動(dòng)態(tài)性能好：響應(yīng)時(shí)間小于１s跟蹤速度di/dt高于50A/s
6、 霍爾傳感器模塊這種優(yōu)異的動(dòng)態(tài)性能為提高現(xiàn)代控制系統(tǒng)的性能提供了關(guān)鍵的基礎(chǔ)。與此相比普通的互感器響應(yīng)時(shí)間為10-12ms，它已不能適應(yīng)工作控制系統(tǒng)發(fā)展的需要。
7、 工作頻帶寬：在0-100kHz頻率范圍內(nèi)精度為１％。在０－５kHz頻率范圍內(nèi)精度為0.5%。
8、 測(cè)量范圍：霍爾傳感器模塊為系統(tǒng)產(chǎn)品，電流測(cè)量可達(dá)50KA，電壓測(cè)量可達(dá)6400V。
9、 過(guò)載能力強(qiáng)：當(dāng)原邊電流超負(fù)荷，模塊達(dá)到飽和，可自動(dòng)保護(hù)，即使過(guò)載電流是額定值的２０倍時(shí)，模塊也不會(huì)損壞。
10、 模塊尺寸小，重量輕，易于安裝，它在系統(tǒng)中不會(huì)帶來(lái)任何損失。
11、 模塊的初級(jí)與次級(jí)之間的電容是很弱的，在很多應(yīng)用中，共模電壓的各種影響通常可以忽略，當(dāng)達(dá)到幾千伏/s的高壓變化時(shí)，模塊有自身屏蔽作用。
12、 模塊的高靈敏度，使之能夠區(qū)分在高分量上的弱信號(hào)，例如：在幾百安的直流分量上區(qū)分出幾毫安的交流分量。
13、 可靠性高：失效率：=0.43╳10-6/小時(shí)
14、 抗外磁場(chǎng)干擾能力強(qiáng)：在距模塊5-10cm處有一個(gè)兩倍于工作電流(2Ip)的電流所產(chǎn)生的磁場(chǎng)干擾而引起的誤差小于0.5%，這對(duì)大多數(shù)應(yīng)用，抗外磁場(chǎng)干擾是足夠的，但對(duì)很強(qiáng)磁場(chǎng)的干擾要采取適當(dāng)?shù)拇胧?br/>磁阻傳感器是基于磁阻效應(yīng)工作原理，其核心部分采用一片特殊金屬材料，其電阻值隨外界磁場(chǎng)的變化而變化，通過(guò)外界磁場(chǎng)的變化來(lái)測(cè)量物體的變化或狀況。磁阻傳感器具有高精度、高靈敏度、高分辨率、良好穩(wěn)定性和可靠性、無(wú)接觸測(cè)量及寬溫度范圍的特點(diǎn)，可進(jìn)行動(dòng)態(tài)和靜態(tài)測(cè)量。廣泛應(yīng)用于低磁場(chǎng)測(cè)量，角度和位置測(cè)量。
磁阻傳感器特點(diǎn)：
1. 靈敏度高,輸出信號(hào)幅值大,并與旋轉(zhuǎn)速度的大小無(wú)關(guān)
2. 體積小,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,金屬盒封裝,耐油污粉塵
3. 頻率特性優(yōu)良,能檢測(cè)靜止?fàn)顟B(tài)的轉(zhuǎn)速
4. 內(nèi)偏置磁鋼
5. 抗電磁干擾能力強(qiáng)
轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明來(lái)源：中國(guó)測(cè)控網(wǎng)（
磁阻傳感器 霍爾傳感器：霍爾的磁阻傳感器工作原理
干簧管和電阻串聯(lián)連接形成一組電路，多組電路與信號(hào)發(fā)生器并聯(lián)連接。當(dāng)磁鐵隨著測(cè)量介質(zhì)的變化而移動(dòng)時(shí)，吸簧管接通電阻，信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生相應(yīng)的電信號(hào)！（連接到干簧管的每個(gè)電阻值不同，導(dǎo)致不同的電信號(hào)。）一般用作液位測(cè)量！
霍爾傳感器工作原理
在磁場(chǎng)中存在霍爾半導(dǎo)體芯片，恒定電流I通過(guò)該芯片從A傳遞到B.在洛倫茲力的作用下，當(dāng)電子流通過(guò)霍爾半導(dǎo)體時(shí)，I的電子流向一側(cè)移動(dòng)，使片材在CD方向上產(chǎn)生電位差，這就是所謂的霍爾電壓。
霍爾電壓隨磁場(chǎng)強(qiáng)度的變化而變化。磁場(chǎng)越強(qiáng)，電壓越高，磁場(chǎng)越弱，電壓越低。霍爾的電壓值很小，通常只有幾毫伏。然而，在集成電路中，放大器的放大可以將電壓放大到足以輸出強(qiáng)信號(hào)的程度。如果霍爾集成電路可以作為傳感器，則需要采用機(jī)械方法來(lái)改變磁場(chǎng)強(qiáng)度。下圖所示的方法是使用旋轉(zhuǎn)葉輪作為開關(guān)來(lái)控制磁通量。當(dāng)葉輪葉片處于磁體與霍爾集成電路之間的氣隙時(shí)，磁場(chǎng)偏離集成芯片，霍爾電壓消失。這樣，霍爾集成電路輸出電壓的變化可以指示葉輪驅(qū)動(dòng)軸的某一位置。利用此工作原理，霍爾集成電路芯片可作為點(diǎn)火正時(shí)傳感器。霍爾“效應(yīng)傳感器屬于被動(dòng)傳感器。它需要額外的電源才能工作。此功能使其能夠檢測(cè)低速運(yùn)行。
霍爾傳感器特點(diǎn)：
霍爾傳感器可以測(cè)量任何波形的電流和電壓，如：直流、交流、脈沖波形等，甚至可以測(cè)量暫態(tài)峰值。側(cè)電流忠實(shí)地反映了原側(cè)電流的波形。普通變壓器是無(wú)可比擬的，一般只適合測(cè)量50hz正弦波。
2。原側(cè)電路和二次側(cè)電路完全電氣絕緣，絕緣電壓一般為2KV~12kV，特殊要求可達(dá)20kV~50KV。
高精度：在工作溫度范圍內(nèi)精度優(yōu)于1%，適用于任意波形的測(cè)量。普通變壓器的總精度為3%~5%，適用于50 Hz正弦波。
4，線性度好：優(yōu)于0.1％
5。動(dòng)態(tài)性能好：響應(yīng)時(shí)間小于1s，跟蹤速度di/dt大于50a/s
霍爾傳感器模塊的這種優(yōu)異的動(dòng)態(tài)性能為提高現(xiàn)代控制系統(tǒng)的性能提供了關(guān)鍵的基礎(chǔ)。與此相比，普通變壓器的響應(yīng)時(shí)間為10-12ms，無(wú)法滿足工作控制系統(tǒng)發(fā)展的需要。
7。工作頻率帶寬：在0-100 kHz頻率范圍內(nèi)精度為1%。在0~5 kHz頻率范圍內(nèi)，精度為0.5%。
測(cè)量范圍：霍爾傳感器模塊為系統(tǒng)產(chǎn)品，電流測(cè)量可達(dá)50 KA，電壓測(cè)量可達(dá)6400 V。
9.強(qiáng)過(guò)載能力：當(dāng)初級(jí)電流過(guò)載時(shí)，模塊飽和并可自動(dòng)保護(hù)。即使過(guò)載電流是額定值的20倍，模塊也不會(huì)損壞。
10。該模塊體積小、重量輕、安裝方便。它不會(huì)在系統(tǒng)中造成任何損失。
11、模塊的一級(jí)和二級(jí)之間的電容非常弱。在許多應(yīng)用中，通常可以忽略公共模式電壓的各種影響。當(dāng)達(dá)到幾千伏/秒的高壓變化時(shí)，模塊有自己的屏蔽效果。
12。該模塊的高靈敏度使其能夠區(qū)分高分量上的微弱信號(hào)，例如幾百安培的直流分量上的幾毫安的交流分量。
13，高可靠性：故障率：=0.43≤10-6/h
14.對(duì)外部磁場(chǎng)干擾的強(qiáng)抵抗力：由模塊5-10cm處工作電流（2Ip）兩倍的電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)干擾引起的誤差小于0.5％。對(duì)于大多數(shù)應(yīng)用，外部磁場(chǎng)是耐受的。干擾是足夠的，但應(yīng)采取適當(dāng)措施干擾非常強(qiáng)的磁場(chǎng)。
磁阻傳感器基于磁阻效應(yīng)原理。磁阻傳感器的核心部件是一塊特殊的金屬材料。其電阻隨外磁場(chǎng)的變化而變化。物體的變化或狀態(tài)是通過(guò)外部磁場(chǎng)的變化來(lái)測(cè)量的。磁阻傳感器具有精度高、靈敏度高、分辨率高、穩(wěn)定性和可靠性好、非接觸測(cè)量、溫度范圍寬等特點(diǎn)。它可用于動(dòng)態(tài)和靜態(tài)測(cè)量。廣泛應(yīng)用于低磁場(chǎng)測(cè)量、角度和位置測(cè)量。
磁阻傳感器特點(diǎn)：
1.高靈敏度，輸出信號(hào)幅度大，與轉(zhuǎn)速無(wú)關(guān)
2。體積小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，金屬盒包裝，耐油粉塵。
3。優(yōu)良的頻率特性，能檢測(cè)出靜態(tài)的速度。
4. 內(nèi)偏置磁鋼
5. 抗電磁干擾能力強(qiáng)
