代码收藏家技术教程 2023-02-17

了解磁编码器：从MT6816开始

磁传感器的介绍

磁传感器使用的材料一般能够根据外界因素类似声光电的微小波动影响磁场后，这些敏感元件能将应变信号转换为电信号，通过单片机采样后转换为对应的数据，如：位姿，速度等

一般市面上的磁传感器分为四大类：霍尔效应传感器(Hall Effect)，各向异性磁阻传感器(AMR)，巨磁阻传感器(GMR)，隧道磁阻传感器（TMR)，我们用到的MT6816就是AMR型的磁传感器

下面就逐一介绍这些传感器

霍尔效应传感器

原理介绍

相信攻读过中学学位的朋友都知道，霍尔效应的原理：当电流在磁场中流动时，电子与空穴会在磁场的作用下定向移动，形成电势差，称为霍尔电压U，在经过材料革命后，半导体展现的优秀性能促使人们发明了霍尔传感器，霍尔电压的公式为：U = k(BI/d)，其中d为半导体厚度，k为霍尔系数，与半导体磁性有关

具体应用

霍尔传感器的应用领域有霍尔线性传感器、霍尔开关以及磁力计，这里就简单说说霍尔线性传感器以及霍尔开关传感器

霍尔线性传感器

其由线性放大器、射级跟随器、霍尔元件组成，其输出的是模拟量，在一定范围内，其输出电压与外界磁场呈线性关系，超出该范围则呈现饱和态

其一般的应用领域有，电流测量以及位移测量

电流测量的原理为：

将导线缠绕成螺旋线圈，当有电流通过时会产生磁场，将霍尔元器件放置在其周围，经过采样以及输出就能精准测量到不断变化的电流

位移测量的原理为：

将霍尔传感器放置在两个永磁体的中间，此时霍尔传感器输出的电压为0，当霍尔传感器在Z轴上左右移动时，其周围的磁场强度会发生改变，进而产生霍尔电压的改变，经过处理就可以得到位移的信号，进一步处理可以得到驱使霍尔传感器发生移动的外部驱动力的信息

开关型霍尔传感器

这类元器件输出的是数字信号，当磁场大于一定阈值时呈现一种电平状态，反之则呈现另一种，其由稳压器、霍尔元件、差分放大器，斯密特触发器和输出级组成

这类传感器的应用和前者不同，其更多应用的领域为测量转速、报警器等领域

测量转速原理：

其原理为，在不具有磁性的转盘上加装一个磁铁，转盘每传动一圈霍尔传感器就输出一个脉冲，进而可以通过测量计&频率计计算出转盘的转速

报警器原理：

在汽车门上，我们可以将磁钢加装到其上，当汽车门未关上或关紧时，磁钢产生的磁场会影响霍尔传感器控制蜂鸣器会发出声音提醒车主，实现报警功能

各向异性磁阻传感器（AMR）

原理介绍

类似光敏电阻，在生活中存在这样一种材料，当周围磁场发生细小变化时，该材料的电阻会发生变化，这称为磁阻效应，而AMR器件正是根据这种效应制成

那么什么是各向异性呢？这指的是对于有各向异性的强磁性金属，磁阻的变化是与磁场和电流间夹角有关的，当外加磁场与磁体内部磁场方向呈一定角度时，磁体内部的磁化矢量会发生偏移，薄膜电阻降低，进而产生磁阻效应，相反地，当外加磁场与磁体磁场方向一致时，就不会产生这种效应，下图为角度与电阻偏移量的关系

我们将四个磁阻组成惠斯通电桥，其原理为：

在电桥外接一个检流计G，当G=0时四个磁阻平衡，此时四个磁阻满足一定关系，此时只需要通过测量磁阻间的差分信号即可得出精确的外界物理信息，实际应用则是外加磁场H，不同方向的磁阻产生的磁阻效应不同，将采样后的信号经过计算即可得到最终的结果

应用领域

AMR的优势在于其高精度的测量，这得益于材料的高分辨率，同时其价格低，核心材料仅为一层小小的磁性玻莫合金，AMR磁阻传感器可以很好地感测地磁场范围内的磁场低于1高斯，因此用在很多磁场动态变化的场合

如商场的车流量检测，因为车通过时其磁场会发生变化，AMR磁阻传感器能够很好地检测到并作出响应

还有地底的物质探测领域，都能看见AMR磁阻传感器的身影

巨磁阻传感器(GMR)

原理介绍

巨磁阻材料和各向异性磁阻材料有异曲同工之处：他们都会因周围磁场的变化而产生磁阻效应，他们的不同点在于磁阻效应的影响因素不同，AMR磁阻效应会因为磁场方向变化而产生相应的变化，相反，GMR磁阻呈各向同性，与磁化强度和电流的相对取向基本无关，只与磁矩的方向有关，那么什么是磁矩呢？

磁矩是磁铁的一种物理性质，处在外磁场中的磁铁会受到力矩的作用，驱使磁矩方向沿着磁场方向靠拢，磁矩的方向由磁铁的南极指向北极，说人话就是：AMR与外界加的电流方向也有关，GMR只与自身属性有关，外界加上的磁场只是为了改变磁矩的方向

具有GMR效应的材料主要有多层膜、颗粒膜、纳米颗粒合金薄膜、磁性隧道结合氧化物、超巨磁电阻薄膜等五种材料，下面说说一般使用到的自旋阀GMR磁阻传感器

自旋阀GMR磁阻传感器

其主要分为四层：自由层（磁性材料FM），隔离层（非磁性材料NM），钉扎层（磁性材料FM）和反铁磁层（AF）

和AMR一样的，在设计电路时采用的结构还是精度较高的惠斯通电桥结构，当相邻磁场磁矩平行分布时，两个FM/NM界面会呈现不同的分布，为了解释这一现象，我们要引入电子平均自由程的概念(梦回大学物理)

电子平均自由程

简单来说，就是电子在碰撞第一个电子之后再碰撞第二个电子前所经历的自由距离的平均值，电子平均自由程越小，电阻率就越低，越会呈现高阻态，反之亦反

知道了这一点后，假设材料中的电子都是自旋不翻转的，这样如果磁矩方向相同，且与电子一致，那么电子就相当于受到了外界的驱使，电阻率上升，呈现低阻态，那么不难得出，当磁矩方向相反时，电子从一个FM进入另一个FM时，由于磁矩方向不同，电子就会发散，电子的碰撞平均自由程就会增大，电阻率自然下降，呈现高阻态