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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別？

原標題：【雷賽智能 | 頭條】磁阻傳感器與霍爾傳感器有什么區別？

以上為廣告

前段時間，有朋友留言，讓我講講磁柵編碼器的工作原理。

其實，我之前也沒用過。

不過最近，我查詢了一些資料，發現確實有一些應用中用到磁編碼器。

比如，對于長行程（1米）的直線運動系統的位置檢測，再比如對于空間有限的旋轉直驅電機 運動檢測。

當然，我也順便把磁編碼器的工作原理弄清楚了。

本來我打算這篇日記就來分享一下它的工作原理，但是我發現，要全部講清楚，恐怕又是一篇長文，可讀性下降。

所以今天，我先分享一下傳感器部分，后續再補充一篇，說明整體工作原理。

磁柵編碼器或者磁旋轉編碼器上，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運動 檢測示意圖。

磁阻傳感器用于直線運動檢測示意圖。

磁阻傳感器用于電機角度反饋。

4分辨率磁阻傳感器檢測位置應用，圖片來自murata。

磁阻傳感器檢測位置應用，圖片來自murata。

磁柵編碼器和磁旋轉編碼器示意圖，來自BOGEN。

幾種磁阻傳感器用于檢測三維運動，角度運動，直線運動。

磁阻傳感器用于電機軸，檢測旋轉運動。

磁阻傳感器用于讀取磁盤信息。

磁傳感器工作示意圖。

關于 霍爾傳感器 的原理，之前有一篇文章專門講過，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作用下，電子在會向霍爾元件一側移動，造成兩側電勢差，形成霍爾電壓。

霍爾傳感器的原理動畫展示。

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，和之前講過的 磁阻電機 中的磁阻可不是一回事。

磁阻電機中的磁阻（Reluctance），是阻礙磁路中磁通量的產生。

而此處的磁阻（Magnetoresistance），是材料的電阻會隨著外部磁環境的變化而變化的現象。

當然并不是所有材料都有這個能力。

目前主要應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。

GMR＝Giant Magnetoresistance Effect，即巨磁阻效應。

TMR＝Tunnel Magnetoresistance Effect，即穿隧磁阻效應

AMR，GMR，TMR結構示意圖：AMR僅由自由層（Free Layer）薄膜構成，GMR和TMR由自由層薄膜和固定層（Pinned Layer）薄膜及其他相關薄膜構成。自由層可以被磁化，磁化方向和外磁場方向相關，固定層的磁化方向被固定，不隨外部磁場變化而變化，圖片來自hprobe。

磁化過程示意圖。

AMR，GMR，TMR原理示意圖：AMR當磁化方向和電流方向平行時，電阻最大，電流最小（圖中用棕色箭頭大小表示電流大小）；當磁化方向和電流垂直時，電阻最小，電流最大。GMR和TMR當磁化方向和固定層磁化方向相反時，電阻最大，電流最小；當磁化方向和固定層磁化方向相同時，電阻最小，電流最大。圖中可見，GMR和TMR最明顯的區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。圖片來自AKM。

AMR電阻隨外磁場和電流夾角的變化情況。

AMR由一層可以被外部磁場磁化的鐵磁薄膜構成，外部磁場和通電電流形成一個夾角，當磁場角度變化，這個夾角改變，電阻也隨之改變，如果傳感器通入的電壓一定，將會產生變化的電流信號。

AMR傳感器工作原理。施加磁場后，磁阻元件R1、R4的電阻值將下降，且中點A和中點B之間的電位將產生差異。當電位差超過規定的設置值（閾值）時，將切換傳感器的ON/OFF輸出。圖片來自murata。

GMR主要由自由層和固定層薄膜及導體夾層構成，電流方向平行于薄膜方向。

關于GMR，值得一提的是，巨磁阻效應的發現者Albert Fert和Peter Grunberg在2007 年，獲得諾貝爾物理學獎。

GMR巨磁阻效應發現者A. Fert和P. Grunberg于2007年獲諾貝爾物理學獎。

TMR和GMR結構類似，主要由自由層和固定層薄膜及中間隧道障礙夾層構成。

02

磁阻傳感器的原理

TMR磁性結構與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，而TMR元件的電流垂直于膜面流過。

磁阻元件的發現進程和磁阻效應強弱分別為AMR，GMR及TMR，可以用下面這張圖表示。

AMR，GMR，TMR的發展歷史及磁阻效應強弱，由圖可見TMR磁阻效應最大，其次是GMR，磁阻效應最小的是AMR，大磁阻效應意味著可以檢測更廣泛更微弱的磁變化。

TMR電阻隨外磁場方向的變化情況，上圖可以看到電阻隨外磁場旋轉角度變化而變化的曲線。下左圖中，當自由層與固定層的磁化方向為反向平行時，電阻變大（對應上圖的180度），只流過微弱的電流。右下圖中：當自由層與固定層的磁化方向平行時，電阻變小（對應上圖的0度或者360度），流過大電流。此圖說明TMR磁阻元件可當作角度傳感器。

這張圖和上圖是一個意思，我保存一下，圖片來自TDK。

GMR／TMR電阻隨平移磁場變化示意圖，電阻達到閥值時，可以視為開關信號，來自alpsalpine。

GMR／TMR電阻隨旋轉磁場變化示意圖，電阻達到閥值時，可以視為開關信號，來自alpsalpine。

MR傳感器狀態變化示意圖，來自alpsalpine。

03

三種磁阻元件之間的區別

三種磁阻元件的不同之處，可以用2張圖來表示。

三種元件在相同磁場作用下，電阻的變化率對比。TMR變化最大，所以也最敏感（原因是結構不同）。

AMR，GMR，TMR對比：TMR電阻變化率最大，所以也最敏感，同時受溫度的影響最小，適用性最高，圖片來自TDK。

結構方面，AMR最簡單，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。

當然，從結果來看，TMR對磁變化最為敏感，所以它可以用于檢測更小的磁變化，且可以多方向檢測，同時它受溫度的影響較小，測量誤差更小。

04

磁阻傳感器與霍爾傳感器的區別

以上，我們了解了3種基本的磁阻元件結構，及原理，以及它們之間的靈敏度區別。

那么磁阻傳感器和霍爾傳感器有什么區別呢？

首先，檢測磁場方向不同，霍爾傳感器檢測垂直于霍爾元件的磁場，而磁阻傳感器檢測平行于磁阻元件的磁場。

磁阻傳感器和霍爾傳感器檢測方向對比。

磁阻傳感器和霍爾傳感器檢測方向對比。

其次，磁阻傳感器更加敏感，所以可以檢測多個方向的運動。

磁阻傳感器用于檢測各個方向的運動。

磁阻傳感器檢測運動方向示意圖，圖片來自murata。

當然，磁阻傳感器可以做得更小，在有限的空間中放置兩個檢測頭。

雙磁阻檢測元件示意圖。

當然還有其他一些不同之處，比如熱穩定性，功耗等總結在下表中。

霍爾傳感器VS TMR傳感器。

以上特點決定了大部分的編碼器都用磁阻傳感器。

上圖為廣告

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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

　　磁阻傳感器是磁通量改變會造成元件電阻變化。磁阻傳感器能制作在硅片上，并形成產品。其靈敏度和線性度已經能滿足磁羅盤的要求，各方面的性能明顯優于霍爾器件。
　　霍爾效應：把通有電流i的導體放在垂直于它的磁場中，則在導體的兩側p1、p2會產生一電勢差uh，它與電流i及磁感應強度b成正比，與導體厚度d成反比。
　　磁場中有一個霍爾半導體片，恒定電流I從A到B通過該片。在洛侖茲力的作用下，I的電子流在通過霍爾半導體時向一側偏移，使該片在CD方向上產生電位差，這就是所謂的霍爾電壓。
　　
　　霍爾電壓隨磁場強度的變化而變化，磁場越強，電壓越高，磁場越弱，電壓越低，霍爾電壓值很小，通常只有幾個毫伏，但經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的信號。若使霍爾集成電路起傳感作用，需要用機械的方法來改變磁場強度。下圖所示的方法是用一個轉動的葉輪作為控制磁通量的開關，當葉輪葉片處于磁鐵和霍爾集成電路之間的氣隙中時，磁場偏離集成片，霍爾電壓消失。這樣，霍爾集成電路的輸出電壓的變化，就能表示出葉輪驅動軸的某一位置，利用這一工作原理，可將霍爾集成電路片用作用點火正時傳感器。霍爾效應傳感器屬于被動型傳感器，它要有外加電源才能工作，這一特點使它能檢測轉速低的運轉情況。

磁阻傳感器 霍爾傳感器：磁阻傳感器和霍爾傳感器的區別

磁阻傳感器和霍爾傳感器的區別
霍爾傳感器是根據霍爾效應制作的一種磁場傳感器
霍爾傳感器特點：
1、 霍爾傳感器可以測量任意波形的電流和電壓，如：直流、交流、脈沖波形等，甚至對瞬態峰值的測量。副邊電流忠實地反應原邊電流的波形。而普通互感器則是無法與其比擬的，它一般只適用于測量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20KV至50KV。
3、 精度高：在工作溫度區內精度優于1%，該精度適合于任何波形的測量。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：優于0.1%
5、 動態性能好：響應時間小于１s跟蹤速度di/dt高于50A/s
6、 霍爾傳感器模塊這種優異的動態性能為提高現代控制系統的性能提供了關鍵的基礎。與此相比普通的互感器響應時間為10-12ms，它已不能適應工作控制系統發展的需要。
7、 工作頻帶寬：在0-100kHz頻率范圍內精度為１％。在０－５kHz頻率范圍內精度為0.5%。
8、 測量范圍：霍爾傳感器模塊為系統產品，電流測量可達50KA，電壓測量可達6400V。
9、 過載能力強：當原邊電流超負荷，模塊達到飽和，可自動保護，即使過載電流是額定值的２０倍時，模塊也不會損壞。
10、 模塊尺寸小，重量輕，易于安裝，它在系統中不會帶來任何損失。
11、 模塊的初級與次級之間的電容是很弱的，在很多應用中，共模電壓的各種影響通常可以忽略，當達到幾千伏/s的高壓變化時，模塊有自身屏蔽作用。
12、 模塊的高靈敏度，使之能夠區分在高分量上的弱信號，例如：在幾百安的直流分量上區分出幾毫安的交流分量。
13、 可靠性高：失效率：=0.43╳10-6/小時
14、 抗外磁場干擾能力強：在距模塊5-10cm處有一個兩倍于工作電流(2Ip)的電流所產生的磁場干擾而引起的誤差小于0.5%，這對大多數應用，抗外磁場干擾是足夠的，但對很強磁場的干擾要采取適當的措施。
磁阻傳感器是基于磁阻效應工作原理，其核心部分采用一片特殊金屬材料，其電阻值隨外界磁場的變化而變化，通過外界磁場的變化來測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、良好穩定性和可靠性、無接觸測量及寬溫度范圍的特點，可進行動態和靜態測量。廣泛應用于低磁場測量，角度和位置測量。
磁阻傳感器特點：
1. 靈敏度高,輸出信號幅值大,并與旋轉速度的大小無關
2. 體積小,結構簡單,金屬盒封裝,耐油污粉塵
3. 頻率特性優良,能檢測靜止狀態的轉速
4. 內偏置磁鋼
5. 抗電磁干擾能力強
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磁阻傳感器 霍爾傳感器：霍爾的磁阻傳感器工作原理

干簧管和電阻串聯連接形成一組電路，多組電路與信號發生器并聯連接。當磁鐵隨著測量介質的變化而移動時，吸簧管接通電阻，信號發生器產生相應的電信號！（連接到干簧管的每個電阻值不同，導致不同的電信號。）一般用作液位測量！
霍爾傳感器工作原理
在磁場中存在霍爾半導體芯片，恒定電流I通過該芯片從A傳遞到B.在洛倫茲力的作用下，當電子流通過霍爾半導體時，I的電子流向一側移動，使片材在CD方向上產生電位差，這就是所謂的霍爾電壓。
霍爾電壓隨磁場強度的變化而變化。磁場越強，電壓越高，磁場越弱，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信號的程度。如果霍爾集成電路可以作為傳感器，則需要采用機械方法來改變磁場強度。下圖所示的方法是使用旋轉葉輪作為開關來控制磁通量。當葉輪葉片處于磁體與霍爾集成電路之間的氣隙時，磁場偏離集成芯片，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動軸的某一位置。利用此工作原理，霍爾集成電路芯片可作為點火正時傳感器。霍爾“效應傳感器屬于被動傳感器。它需要額外的電源才能工作。此功能使其能夠檢測低速運行。
霍爾傳感器特點：
霍爾傳感器可以測量任何波形的電流和電壓，如：直流、交流、脈沖波形等，甚至可以測量暫態峰值。側電流忠實地反映了原側電流的波形。普通變壓器是無可比擬的，一般只適合測量50hz正弦波。
2。原側電路和二次側電路完全電氣絕緣，絕緣電壓一般為2KV~12kV，特殊要求可達20kV~50KV。
高精度：在工作溫度范圍內精度優于1%，適用于任意波形的測量。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：優于0.1％
5。動態性能好：響應時間小于1s，跟蹤速度di/dt大于50a/s
霍爾傳感器模塊的這種優異的動態性能為提高現代控制系統的性能提供了關鍵的基礎。與此相比，普通變壓器的響應時間為10-12ms，無法滿足工作控制系統發展的需要。
7。工作頻率帶寬：在0-100 kHz頻率范圍內精度為1%。在0~5 kHz頻率范圍內，精度為0.5%。
測量范圍：霍爾傳感器模塊為系統產品，電流測量可達50 KA，電壓測量可達6400 V。
9.強過載能力：當初級電流過載時，模塊飽和并可自動保護。即使過載電流是額定值的20倍，模塊也不會損壞。
10。該模塊體積小、重量輕、安裝方便。它不會在系統中造成任何損失。
11、模塊的一級和二級之間的電容非常弱。在許多應用中，通常可以忽略公共模式電壓的各種影響。當達到幾千伏/秒的高壓變化時，模塊有自己的屏蔽效果。
12。該模塊的高靈敏度使其能夠區分高分量上的微弱信號，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.對外部磁場干擾的強抵抗力：由模塊5-10cm處工作電流（2Ip）兩倍的電流產生的磁場干擾引起的誤差小于0.5％。對于大多數應用，外部磁場是耐受的。干擾是足夠的，但應采取適當措施干擾非常強的磁場。
磁阻傳感器基于磁阻效應原理。磁阻傳感器的核心部件是一塊特殊的金屬材料。其電阻隨外磁場的變化而變化。物體的變化或狀態是通過外部磁場的變化來測量的。磁阻傳感器具有精度高、靈敏度高、分辨率高、穩定性和可靠性好、非接觸測量、溫度范圍寬等特點。它可用于動態和靜態測量。廣泛應用于低磁場測量、角度和位置測量。
磁阻傳感器特點：
1.高靈敏度，輸出信號幅度大，與轉速無關
2。體積小，結構簡單，金屬盒包裝，耐油粉塵。
3。優良的頻率特性，能檢測出靜態的速度。
4. 內偏置磁鋼
5. 抗電磁干擾能力強