磁传感器在物联网中的常见应用

　　磁传感器在物联网设备中起着重要作用，今天我们将来讨论三种最流行的磁性技术。

　　无线技术的最新进展已导致低成本，低功耗的SoC（片上系统）支持多种无线协议，例如蓝牙，Zigbee，Z-Wave和ANT+。借助这些SoC，开发人员可以设计家庭，企业，工厂和环境周围的设备，以及植入或植入人体和动物体内的设备，这些设备可以感知周围环境并通过Internet进行通信。此类设备通常称为IoT（物联网）设备。

　　IoT设备中常用的三种类型的磁传感器是TMR（隧道磁阻）传感器，裸簧片开关和霍尔传感器。

　　磁传感器在物联网中的应用

　　首先，接近感应在磁性传感器中非常普遍。

　　典型的例子是在家庭安全系统中常见的窗户和门传感器（图1），该传感器安装在门或窗户的门框或外壳上，磁铁安装在传感器附近的门或窗扇上。当门或窗户打开时，传感器会检测到没有磁场，并将状态无线传输到安全系统基站。

　　

　　图1：磁性传感器在许多常见的防盗警报器的操作中起着至关重要的作用。

　　磁传感器也可以用于计数车轮和仪表的旋转。在出厂设置中，测量液体流量的流量计（图2）通常利用磁传感器来感应叶轮的旋转。在自行车上，磁传感器计算车轮和曲轴的旋转。

　　

　　图2：流量计使用磁传感器测量叶轮的旋转来测量液体的流量。

　　磁性传感器还可以用于使用磁性浮子和一系列传感器来测量液位，这些传感器可以随着浮子随液位的变化而感测浮子。所有这些应用都利用固定表面上的磁传感器与相对于传感器移动的附近表面上的磁体一起工作。

　　IoT设备通常需要模式选择转盘或挡板，使用户可以手动选择适当的模式或级别设置。传统的实现方式是使用随着表盘旋转而打开和关闭的机电触点。但是，随着时间的流逝，电气工程师发现机电触点很容易出现故障，并且可以通过在每个模式位置使用磁传感器和旋转以激活传感器的磁体的无接触设计来代替。

　　最后，越来越普遍的磁传感器应用是触发“开机”功能。尤其对于气密，小型电池供电的IoT设备，设计人员需要一种方法来使设备保持“断电”或“睡眠”模式，直到准备好由用户部署为止。一个很好的例子是可穿戴式连续血糖仪，该血糖仪用于测量人体葡萄糖水平并将其传达给患者，医生和胰岛素泵（图3）。

　　

　　图3：可穿戴式血糖仪使用磁传感器触发“唤醒”或“开机”功能。

　　1、裸簧片开关

　　机械开关和电池“卡舌”可以使设备断电，但不幸的是，它们也使设备的电子设备容易受到恶劣环境的影响。一种优选的方法是在密封设备内部使用一个磁传感器，并在设备外部使用一个小磁铁，通常嵌入设备的保护性包装中。这样，当将设备从包装中取出时（同时又远离磁体的磁场），传感器的输出就会改变，并且电路会“打开”该设备。这种方法不仅可以节省电池电量，还可以节省电池电量。它还为用户提供了“即时”或“即开即用”的体验。

　　所有这些磁传感器功能的重要考虑因素包括功耗，灵敏度，输出响应选项，尺寸，可靠性和成本。有几种常见的磁传感器选项–每个选项在物联网设备方面都有其优缺点。

　　最古老的磁性传感器，也是使用时间最长的传感器，是古老的簧片开关。簧片开关是一种机电设备，由两个黑色金属“簧片”组成，每个簧片均连接至引线并封装在玻璃管内。磁场将两个簧片拉在一起，从而闭合电路。磁簧开关通常用于各种IoT设备中，最值得注意的是用于安全系统，仪表和可植入医疗设备的窗户和门传感器。

　　磁簧开关的最大优点是它们是消耗零功率的无源设备。磁簧开关还具有简单，便宜，灵敏度范围有限的优势。但是，磁簧开关有几个明显的局限性。磁簧开关的限制之一是尺寸。最常见的簧片开关的长度为10mm-对于某些物联网设备来说是可接受的，但对于许多传感器尺寸小于1mm平方范围的可穿戴和植入式设备而言，这是可接受的。

　　可以使用较小的簧片开关（长度不超过5mm），但它们非常昂贵且难以获得。簧片开关由于其机械特性和玻璃管设计固有的脆弱性，其可靠性也很差。包覆成型的簧片开关通过保护玻璃管和引出管的引线周围的密封件来提高可靠性，但这增加了成本以及尺寸。

　　2、霍尔传感器

　　经受时间考验的另一种磁性传感器类型是霍尔效应传感器。霍尔效应是跨导体的电压差（霍尔电压）的产生，该电压差垂直于导体中的电流以及垂直于电流的施加磁场。

　　作为固态CMOS技术，霍尔效应传感器体积小，可靠且成本低。霍尔传感器的最大缺点是电流消耗。大多数霍尔效应传感器超过几个微安培（μA）的电流，这对于许多电池供电的IoT设备来说是个问题。

　　3、磁阻（MR）传感器

　　磁传感器的最后一类是磁阻（MR）传感器。基于导体的电阻会在存在磁场的情况下发生变化的原理，已开发出不同的MR技术作为MR传感器的基础。

　　尽管所有这些传感器都具有固态IC的优势，体积小，成本低和可靠性高，但隧道磁阻（TMR）传感器却具有最高灵敏度和最低功耗的组合。TMR传感器的功耗低至200nA以下，代表了需要磁传感器功能的电池供电IoT设备的范例转变。此外，TMR传感器是所有MR传感器中最灵敏的，并且等效于最灵敏的簧片开关的灵敏度。高度灵敏的传感器可以使用更小，更便宜的磁体或更长的激活距离。

　　总结：

　　表1总结了簧片开关，霍尔传感器和TMR传感器的相对优缺点。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传感器在其他磁传感技术上均名列前茅。

　　

　　表1：该表比较了簧片开关，霍尔效应和TMR（隧道磁阻）传感器的显着特征。

　　一旦选择了适合您需求的最佳传感器技术，仍然需要决定哪种传感器输出，传感器极性响应，感应频率和磁灵敏度最适合您的应用。然后，设计磁子系统便面临挑战。（确定传感器的方向，磁体的位置以及磁体的尺寸和类型，以满足操作要求并限制成本）。

　　大多数机电产品设计工程师都没有经验，知识或工具来正确设计和验证磁感应设计。在这种情况下，这些物联网设备设计人员应选择磁传感器供应商，这些供应商应提供专门的应用工程支持，知识和工具，以协助磁传感设计过程。

　　“物联网”可能是一个行业流行词，但这是一个非常现实的趋势，正在触及我们世界上许多不同的应用程序。磁传感器提供的技术可以支持IoT世界中不断变化的设备，但设备设计人员必须了解不同类型的好处，才能为其设计选择正确的解决方案。