Wat is een magnetometer?

Leer de basisprincipes van magnetometers, inclusief hun relatie tot hysteresiscurves en hun toepassingen.

Magnetometers zijn apparaten die de grootte of richting van een magnetisch veld kunnen meten. Ze zijn bijna overal aanwezig in de elektronica. Ze zijn misschien net zo eenvoudig als degene die uw smartphone gebruikt om te detecteren of deze rechtop staat of zo complex als degene die NASA gebruikt om het magnetische veld van Mars te meten.

Hier zullen we de grondbeginselen van magnetometers en hun toepassingen bekijken. In verdere artikelen zullen we specifieke typen magnetometers nader bekijken.

Hoe werken magnetometers?

Magnetometers meten, meestal via een indirecte methode, wat het magnetische moment wordt genoemd. Het magnetische moment van een gesloten lus met oppervlakte A en stroom I is een vector waarvan de grootte gelijk is aan I maal A. Het door deze lus ervaren koppel is gelijk aan het magnetische moment vermenigvuldigd met het magnetische veld.

Wiskundig wordt het magnetische moment als volgt uitgedrukt:

$$\overrightarrow{\tau} =\overrightarrow{m} \times \overrightarrow{B}$$

Waar

• τ =koppel
• m =magnetisch moment
• B =extern magnetisch veld

Als vectorgrootheid is de richting van het magnetische veld even belangrijk als de amplitude. Sommige magnetometers kunnen zowel de richting als de grootte van het magnetische veld meten (vectormagnetometers), terwijl andere alleen de amplitude ervan kunnen meten (scalaire magnetometers).

Wat eenheden betreft, is de International System (SI) -eenheid Am ² . Het is echter gebruikelijk dat het wordt uitgedrukt in veel andere eenheden, zoals $$\frac{erg}{G}$$, waarbij een erg een eenheid is van energie die gelijk is aan 10 ^-7 joules en G is één Gauss.

Magnetometers en hysteresiscurven

De eigenschappen van magnetische materialen variëren wanneer ze worden ondergedompeld in een magnetisch veld. Afhankelijk van hoe deze materialen voor en na het aanbrengen op een veld reageren, vallen ze in de groepen paramagnetische, diamagnetische of ferromagnetische materialen. Afgezien hiervan zijn er niet-magnetische materialen, die zwakke magnetische eigenschappen vertonen.

Het beste hulpmiddel om magnetische eigenschappen weer te geven is de hysteresiscurve. Het vertegenwoordigt de magnetische fluxdichtheid, B, tegen de magnetische veldsterkte, H.

Figuur 1. Een voorbeeld van een hysteresiscurve. Afbeelding gebruikt met dank aan NDT Resource Center

Het meest opvallende aspect van magnetische materialen is dat ze, zelfs als we de uitgeoefende kracht wegnemen, gemagnetiseerd blijven (dat wil zeggen, ze vertonen remanentie). Om het materiaal vervolgens terug te brengen naar zijn oorspronkelijke punt, is het noodzakelijk om een ​​negatieve magnetische veldsterkte (H) toe te passen om het te demagnetiseren (coërciviteit).

Vanwege de speciale aspecten van magnetische materialen en hun overvloed aan toepassingen, zorgde het vermogen om hun eigenschappen met een goede resolutie te meten, voor een revolutie op het gebied van fysica en materialen.

Hooggevoelige elektronische meting

Magnetische sensoren worden, net als veel andere sensoren, vergezeld van een reeks elektronische systemen om kleine elektrische signalen te verwerken en een leesbare invoer te genereren door een microcontroller, processor of mens. Het ontwerp en de bouw van deze systemen is een uitdaging omdat signalen meestal vrij klein zijn en erg gevoelig voor ruis. Daarom moeten ontwerpers een afweging maken tussen circuitcomplexiteit, sensorcapaciteit en kosten.

Er zijn veelgebruikte en relatief eenvoudige componenten zoals filters of versterkers, maar er zijn ook andere die complexer zijn, zoals modulatie-demodulatieketens of lock-In-versterkers.

Met de voortschrijdende miniaturisering komt het vaak voor dat een deel van het analoge conditioneringscircuit is geïmplementeerd in een geïntegreerd circuit (IC) in de signaalketen, omdat het minder foutgevoelig en compacter is in vergelijking met een discrete oplossing.

Figuur 2. Interne delen van een Hall-sensor IC. Afbeelding gebruikt met dank aan Allegro

Aan de andere kant kan een geïntegreerde oplossing minder flexibel zijn. Bij het werken in een specifieke of nieuwe toepassing geven ontwerpers misschien de voorkeur aan een discrete optie omdat ze misschien een nieuwe conditioneringsketen moeten ontwikkelen.

Magnetometertoepassingen

Magnetometers worden veel gebruikt in alledaagse toepassingen. Meestal zijn de meest complexe sensoren gereserveerd voor zeer gespecialiseerde laboratoria zoals de fysica en chemie van materialen in Straatsburg. Dergelijke magnetometers kunnen onder andere vibrerende monstermagnetometers, SQUID-magnetometers en AGFM (alternatieve gradiëntveldmagnetometer) omvatten.

Hall-effectsensoren worden veel gebruikt in toepassingen waar het magnetische veld sterk is. Hun grootste toepassingen zijn bewegingsdetectie en besturing in motoraandrijftoepassingen.

Figuur 3. Een Hall-sensor IC. Afbeelding gebruikt met dank aan Microchip

Het is gebruikelijk om sommige sensoren, meestal twee of drie, ruimtelijk verdeeld rond een motoras te plaatsen, en de metalen componenten die de sensor ervoor activeren. Elke keer dat de metalen delen voor een sensor passeren, genereren ze een vierkant of sinusvormig signaal waarmee de snelheid of positie kan worden berekend.

MEMS-magnetometers zijn ook gemakkelijk op de markt te vinden. Ze maken meestal deel uit van traagheidsbewegingseenheden (IMU's), die versnelling, hoeksnelheid en magnetische velden meten. Modellen zoals de eCompasses van STMicroelectronics kunnen worden geïntegreerd in een PCB en vervolgens worden aangesloten op andere onderdelen zoals filters of microcontrollers. Mogelijk vindt u deze magnetometers die worden gebruikt voor toepassingen zoals bewegingsdetectie op een smartphonescherm dat automatisch de informatie van een display aanpast, afhankelijk van de horizontale of verticale oriëntatie.