从引导航天器穿越浩瀚的宇宙到精确定位我们脚下埋藏的宝藏，磁力计是我们所依赖的无数技术的无名英雄。但磁力计到底是什么？从本质上讲，它是一种测量磁场强度和方向的设备，磁场是我们周围看不见的力量。
但它们的应用远远超出了检测金属物体的范围。磁力计在导航系统、机器人、医疗设备甚至科学研究中至关重要。在本文中，我们将深入研究不同类型的磁力计、它们的不同用途，以及它们如何彻底改变从消费电子产品到太空探索等行业。
磁力计与陀螺仪和加速计结合使用，可实现精确的姿态确定和运动跟踪。这种 3 轴磁力计、3 轴陀螺仪和 3 轴加速度计的算法组合称为 9 轴传感器融合。传感器融合的要点是，将来自构成 9 轴运动传感基础的三个传感器（磁力计、加速度计和陀螺仪）的信息巧妙地组合起来，所提供的信息超出了其各个组成部分的总和。优势可以弥补劣势，劣势则依赖于三者之间的某种神奇和巧妙的结合。
传感器融合的准确性仅达到其最薄弱的传感器链路。如果将一个蹩脚的陀螺仪放入方程式中，很明显运动跟踪也会受到相应的影响。加速度计也是如此，当然还有磁力计。但磁力计从一开始就一直是三者中最神秘和最古怪的，只有很少的工程师彻底理解它的贡献、动力学和特性。好的磁传感器如何影响融合和运动跟踪的结果？到底什么是好的磁力计和不太好的磁力计呢？
磁力计是用于测量磁场的设备。磁力计的主要目的是准确检测磁场变化，其输出用于导航、物体检测和位置跟踪等。目前有多种类型的磁力计，包括磁通门、光泵浦、超导量子干涉器件 (SQUID)、霍尔效应传感器、磁阻传感器、洛伦兹力和磁感应传感器。
• 磁通门磁力计：磁通门技术使用具有磁滞现象的磁性材料，使它们能够轻松测量磁场中最微小的变化。虽然磁通门磁力计具有良好的灵敏度，但往往体积庞大且功耗相当大，限制了它们在紧凑型设备中的适用性。
• 光泵磁力计：这些磁力计利用原子蒸气室和激光来测量磁场。光泵磁力计以其高灵敏度和准确性而闻名，使其适合科学研究。然而，它们复杂的设计和相对较高的成本限制了它们在商业应用中的广泛采用。
• SQUID 磁力计： SQUID 磁力计以其极高的灵敏度而闻名。这些传感器利用超导材料，通过检测超导电路中的量子干涉来测量磁场的变化。然而，它们对低温的依赖以及需要小心处理使得它们很难在大多数应用中使用。
• 霍尔效应磁力计：霍尔效应传感器利用霍尔效应检测磁场强度。导体上产生电势差称为电压的产生。垂直于磁场。尽管霍尔效应磁力计尺寸紧凑且功耗低，但其灵敏度有限，主要用于检测应用的开启或关闭类型。
• 磁阻 (MR) 传感器：所有磁阻传感器的工作原理是，沉积在半导体基板上的某些磁性材料会随所施加的磁场的变化而改变其抵抗电流的能力。磁阻传感器的主要形式有各向异性磁阻（AMR）、隧道磁阻（TMR）和巨磁阻（GMR）。所有这三种技术都表现出基于施加磁场的传导变化，尽管它们实现这些变化的方式略有不同。所有这三种产品都具有相似的磁性测量功能，而选择其中一种的原因通常是围绕特定供应商的可制造性问题。 AMR 是迄今为止最常用的磁阻磁传感器形式。
• 洛伦兹力磁力计： 如今，旭化成微器件 (AKM) 生产市场领先的芯片级磁力计，其技术基于洛伦兹力原理，这一原理体现在其专有的霍尔效应传感器中。
这个概念很简单。通过在所需的电流路径上施加电压，在半导体材料中产生电流。当电子流过半导体介质时，另一组无源电极垂直于电流流动方向放置，以便施加到电流流动路径的任何横向磁场都会导致电子朝一个或另一个方向轻微偏转的传感电极。电子的这种偏转是由电流通过磁场运动产生的洛伦兹力引起的。
可以想象，在不大于 1.5 毫米 x 1.5 毫米的芯片上的电极之间传输电流的微小距离内，由像地球一样弱的磁场引起的偏转量几乎无法检测到。事实上，硅基霍尔效应传感器只能获得非常嘈杂的信号，因此 AKM 使用更奇特的半导体基板以及奇特的掺杂材料。这有助于增强信号，使 AKM 的霍尔效应传感器可以用作地磁罗盘。在地磁场测量设备领域，AKM 的传感器速率在可接受的性能方面是最低的。另外，由于霍尔效应传感器的自然测量轴与芯片平面正交，X 和 Y 分量测量是通过巧妙的环形通量集中器完成的，该集中器将磁场的 X 和 Y 分量弯曲到传感器的敏感部分。这进一步降低了传感器的一些测量能力。
在为特定应用选择正确的传感器时，了解不同类型的磁力计及其独特的特性至关重要。每种技术都有独特的优点和局限性，我们将在下面的比较中探讨这些优点和局限性
| 磁力计类型 | 优点 | 缺点 |
| 磁通门磁力计 | 灵敏度高、量程宽，可测量静态场 | 体积大、功耗高 |
| 光泵磁力计 | 极高的灵敏度、极高的准确度 | 设计复杂、昂贵、需要受控环境 |
| SQUID 磁力计 | 极高的灵敏度，极低的噪音 | 需要低温冷却、精细处理 |
| 霍尔效应磁力计 | 结构紧凑、成本低、功耗低 | 灵敏度有限，精度受温度影响 |
| 磁阻 (MR) 传感器 | 结构紧凑、成本低、功耗低、灵敏度好 | 对温度变化敏感，需要校准，易受磁场干扰 |
| 洛伦兹力磁力计 | 结构紧凑、成本低、灵敏度好 | 对温度有些敏感性，可能需要校准 |
| 磁感应式传感器 | 高灵敏度、高精度、超大动态范围、不易受磁干扰、低功耗 | 尺寸比芯片级传感器更大 |
磁感应传感器因其准确可靠的磁场测量而成为霍尔效应磁力计和磁阻传感器的绝佳替代品。
它们比霍尔效应和 MR 传感器更大。尽管如此，尽管它们的尺寸很大，但与竞争技术中成本最低的磁传感器相比，它们仍然非常具有成本竞争力，并且在信噪比和灵敏度方面表现好一个数量级。它们还具有极大的测量动态范围，非常适合在具有挑战性的磁性环境中进行地磁场测量，例如许多实际应用中的情况。
虽然磁力计在运动跟踪中的作用至关重要，但它们是多功能传感器，其应用跨越行业和科学学科。让我们深入探讨他们发挥作用的一些关键领域：
• 智能手机和平板电脑：您徒步旅行时使用的指南针应用程序？它由磁力计供电，感应地球磁场，为您指明正确的方向。但它不仅仅是一个简单的指南针。在《Pokémon Go》等 AR 游戏中，磁力计有助于将虚拟世界与您的真实环境保持一致，让这些数字生物看起来就像就在您面前一样。
• 无人机和机器人：磁力计为无人机和机器人提供重要的航向信息，确保它们即使在 GPS 信号不可用时也能保持在航线上（想想室内仓库或灾区）。一些高端无人机使用磁力计进行障碍物检测，感测大型金属物体引起的磁场变化。
• 金属探测器：机场安全、寻宝，甚至寻找埋在地下的管道——所有这些都依靠磁力计来检测金属的存在。当附近有金属物体时，磁场的变化会触发警报。
• 车辆检测：磁力计嵌入道路中，可以感知车辆的通行，为交通管理、停车系统甚至收费提供数据。
• 地质调查：安装在飞机或船上的磁力计用于绘制地球磁场图并发现隐藏的地质结构，例如矿床或水下火山。
• 太空探索：卫星使用磁力计研究其他行星和卫星的磁场，为我们提供有关其组成和潜在宜居性的线索。
• 心跳监测：极其灵敏的磁力计可以检测人体心脏产生的微弱磁场，提供一种非侵入性的方式来监测心脏健康状况。
• 脑成像 (MEG)：脑磁图 (MEG) 使用磁力计阵列来测量大脑活动产生的磁场，有助于诊断神经系统疾病。
• 考古调查：磁力计有助于定位埋藏的文物或结构，而无需挖掘。
• 动物追踪：一些研究使用磁力计来追踪依靠地球磁场进行导航的动物的迁徙模式。
• 潜艇探测：军用磁力计用于探测潜艇引起的地球磁场扭曲，这对海军行动至关重要。
这只是磁力计应用广阔世界的一瞥。随着传感器技术的不断进步，我们可以预期更多创造性和影响力的用途将会出现。
磁力计在无数依赖磁场精确测量的应用中发挥着不可或缺的作用。在各种类型的磁力计中，磁感应传感器技术以其准确性、功效和多功能性而脱颖而出。 磁感应传感器能够提供高精度的磁场测量，不断革新磁传感领域，推动从军事定位导航工作到汽车、机器人、消费电子和可穿戴应用等领域的进步。
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