磁感应传感器 - 从零开始认识各种传感器【第十二期】
磁感应传感器 - 从零开始认识各种传感器【第十二期】
磁感应传感器，又称为磁力计，是一种能够测量磁场大小或方向的设备。由于地球本身就是一个巨大的磁铁，磁力计可以用来测量空间中某一点的磁场强度及其方向。
磁力计的应用范围广泛，包括测量地球磁场、地理测量、潜艇探测以及金属/武器探测器等。近年来，随着技术的发展，磁力计已经实现了集成电路化，并被应用于多种电子产品中。例如，智能手机中的指南针功能就是由磁力计来实现的。在城市中信号不佳的地方，导航功能也会借助磁力计来辅助定位。
磁感应传感器的工作原理
磁感应传感器通过测量磁场的强度和方向来工作。它通常包含一个灵敏的磁性元件，当置于磁场中时，磁性元件会受到力的作用，导致其在磁场中发生运动。
指南针是一种简单的磁力计，其磁针会根据周围磁场改变方向。磁化针的振荡频率与周围磁场强度的平方根成正比，因此可以通过测量振荡频率来确定磁场的强度。
在一个具体的导航应用中，地磁场是一个矢量。对于一个固定的地点来说，这个矢量可以被分解为两个与当地水平面平行的分量和一个与当地水平面垂直的分量。如果保持罗盘与当地的水平面平行，那么罗盘中磁力计的三个轴就对应了这三个分量，从而可以确定地面上的对应位置。
常见的磁感应传感器种类
目前常用的磁力计主要有两种：磁电阻式磁力计和霍尔效应磁力计，它们采用了不同的测量原理。
磁电阻式磁力计
磁电阻式磁力计是利用磁电阻效应，即材料的电阻会随着外部磁场的改变而发生变化。其应用包括磁罗盘、旋转位置传感、电流传感等。此外，它还被用于钻井定向、线位置测量、偏航速率传感器和虚拟实景中的头部轨迹跟踪。
磁电阻式磁力计的基本结构是由四个磁阻组成的惠斯通电桥，利用惠斯通电桥检测磁阻的变化。在没有外界磁场的情况下，电桥的输出为零。当检测到外界磁场时，R1/R2阻值增加∆R而R3/R4减少∆R，电桥输出一个微小的电压差∆V，这个电压差正比于外界磁场作用下的磁阻变化∆R。
霍尔效应磁力计
霍尔效应磁力计是测量由于霍尔效应产生的电压。所谓霍尔效应就是，当有电流垂直于外加磁场通过半导体时，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，这一现象就是霍尔效应（这个电势差也被称为霍尔电势差）。
霍尔磁力计通过测量霍尔电势差，经过信号放大和滤波器处理后，可以得到磁场的强度和方向信息。
两种磁感应传感器的比较
磁阻式磁力计的灵敏度和精度通常更高；而霍尔磁力计的响应速度更快。使用者可以根据自己的需求选择合适的传感器类型。
磁感应传感器实验演示
我们来演示使用MCU（微控制器）读取显示磁感应传感器的数据。实验中使用的是一个常见的三轴磁力计。通过移动磁力计进行x、y、z轴方向的旋转，可以看到屏幕显示的正方体根据检测的数据出现相应的旋转动作。
图1 磁力计
图2 磁感应传感器工作原理
图3 磁阻效应原理
图4 惠斯通电桥
图5 霍尔效应原理
图6 罗盘导航工作原理
图7 磁感应传感器特性比较
图8 树莓派读取磁感应传感器展示