什么是磁力计？

磁力计是可以测量磁场大小或方向的设备。它们在电子产品中几乎无处不在。它们可能像您的智能手机用来检测它是否直立的那样简单，也可能像 NASA 用来测量火星磁场的那样复杂。 

在这里，我们将了解磁力计的基本原理及其应用。在以后的文章中，我们将仔细研究特定类型的磁力计。

磁力计如何工作？

磁力计通常通过间接方法测量所谓的磁矩。具有面积 A 和电流 I 的闭环的磁矩是一个矢量，其大小等于 I 乘以 A。该环路经历的扭矩等于磁矩乘以磁场。

在数学上，磁矩表示如下：

τ = 扭矩 
m = 磁矩
B = 外部磁场

作为矢量，磁场的方向与其振幅一样重要。一些磁力计可以测量磁场的方向和大小（矢量磁力计），而其他磁力计只能测量其幅度（标量磁力计）。

关于单位，国际系统 (SI) 单位是 Am 2。然而，它通常以许多其他单位表示，例如$$frac{erg}{G}$$，其中 erg 是一个能量单位，相当于 10 -7 焦耳，G 是一个 高斯。

磁力计和磁滞曲线

当磁性材料浸入磁场中时，其特性会发生变化。根据这些材料在施加磁场之前和之后对磁场的反应方式，它们分为顺磁性、抗磁性或铁磁性材料组。除此之外，还有非磁性材料，它们具有弱磁性。

表示磁性能的工具是磁滞曲线。它表示磁通密度 B 与磁场强度 H 的关系。

图 1. 滞后曲线示例。图片由NDT 资源中心提供

磁性材料显着的方面是，即使我们移除所施加的力，它们仍保持磁化状态（即，它们表现出保持性）。然后，为了使材料返回到初始点，需要施加负磁场强度 (H) 使其消磁（矫顽力）。

由于磁性材料的特殊性及其广泛的应用，以良好的分辨率测量其性能的能力带来了物理和材料领域的革命。

高灵敏度电子测量

与许多其他传感器一样，磁性传感器伴随着一组电子系统，以便处理小电信号并生成微控制器、处理器或人类可读的输入。这些系统的设计和构建是一项挑战，因为在大多数情况下，信号非常小并且对噪声非常敏感。因此，设计人员需要在电路复杂性、传感器容量和成本之间取得平衡。 

有一些经常使用且相对简单的组件，例如滤波器或放大器，但也有其他更复杂的组件，例如调制解调链或锁定放大器。 

随着小型化的进展，经常会发现部分模拟调理电路在信号链中的集成电路 (IC) 内实现，因为与分立解决方案相比，它更不易出错且更紧凑。

图 2. 霍尔传感器 IC 的内部零件。图片由Allegro提供

另一方面，集成解决方案的灵活性可能较低。在特定或新颖的应用中工作时，设计人员可能更喜欢分立式选项，因为他们可能需要开发新的调节链。

磁力计应用

磁力计广泛用于日常应用中。通常，复杂的传感器是为高度化的实验室保留的，例如斯特拉斯堡的材料物理和化学。这种磁力计可以包括振动样本磁力计、SQUID 磁力计和 AGFM（替代梯度场磁力计）等。

霍尔效应传感器广泛用于强磁场应用。它们的应用是电机驱动应用中的运动检测和控制。

图 3. 霍尔传感器 IC。图片由 Microchip 提供

通常会放置一些传感器，通常是两个或三个，在空间上分布在电机轴周围，触发传感器的金属部件位于它们前面。每次金属部件经过传感器前面时，它们都会生成方波或正弦信号，用于计算速度或位置。

MEMS 磁力计在市场上也很容易找到。它们通常是惯性运动单元 (IMU) 的一部分，用于测量加速度、角速度和磁场。STMicroelectronics 的 eCompasses等模型可以集成在 PCB 中，然后连接到滤波器或微控制器等其他部件。您可能会发现这些磁力计用于智能手机屏幕中的运动检测等应用，可根据其水平或垂直方向自动调整显示屏的信息。