Was ist ein Magnetometer?

Lernen Sie die Grundlagen von Magnetometern, einschließlich ihrer Beziehung zu Hysteresekurven und ihren Anwendungen.

Magnetometer sind Geräte, die die Stärke oder Richtung eines Magnetfelds messen können. Sie sind fast überall in der Elektronik vorhanden. Sie können so einfach sein wie das, mit dem Ihr Smartphone erkennt, ob es aufrecht steht, oder so komplex wie das, mit dem die NASA das Magnetfeld des Mars misst.

Hier werfen wir einen Blick auf die Grundlagen von Magnetometern und deren Anwendungen. In weiteren Artikeln werden wir uns bestimmte Typen von Magnetometern genauer ansehen.

Wie funktionieren Magnetometer?

Magnetometer messen normalerweise durch eine indirekte Methode das sogenannte magnetische Moment. Das magnetische Moment einer geschlossenen Schleife mit Fläche A und Strom I ist ein Vektor, dessen Größe I mal A entspricht. Das von dieser Schleife erfahrene Drehmoment ist gleich dem magnetischen Moment multipliziert mit dem Magnetfeld.

Mathematisch wird das magnetische Moment wie folgt ausgedrückt:

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

Wo

• τ =Drehmoment
• m =magnetisches Moment
• B =externes Magnetfeld

Als Vektorgröße ist die Richtung des Magnetfeldes ebenso wichtig wie seine Amplitude. Einige Magnetometer können sowohl die Richtung als auch die Größe des Magnetfelds messen (Vektormagnetometer), während andere nur seine Amplitude messen können (skalare Magnetometer).

In Bezug auf Einheiten ist die Einheit des Internationalen Systems (SI) Am ² . Es ist jedoch üblich, dass es in vielen anderen Einheiten ausgedrückt wird, z. B. $$\frac{erg}{G}$$, wobei ein erg eine Energieeinheit ist, die 10 ^-7 . entspricht Joule und G ist ein Gauss.

Magnetometer und Hysteresekurven

Die Eigenschaften magnetischer Materialien variieren, wenn sie in ein Magnetfeld eingetaucht werden. Je nachdem, wie diese Materialien vor und nach dem Anlegen eines Feldes auf ein Feld reagieren, fallen sie in die Gruppen der paramagnetischen, diamagnetischen oder ferromagnetischen Materialien. Abgesehen davon gibt es nichtmagnetische Materialien, die schwache magnetische Eigenschaften aufweisen.

Das beste Werkzeug zur Darstellung magnetischer Eigenschaften ist die Hysteresekurve. Sie stellt die magnetische Flussdichte B gegen die magnetische Feldstärke H dar.

Abbildung 1. Eine beispielhafte Hysteresekurve. Bild mit freundlicher Genehmigung des NDT Resource Center

Der hervorstechendste Aspekt magnetischer Materialien besteht darin, dass sie magnetisiert bleiben, selbst wenn wir die aufgebrachte Kraft entfernen (d. h. sie weisen eine Remanenz auf). Um das Material dann zu seinem Ausgangspunkt zurückzubringen, ist es notwendig, eine negative magnetische Feldstärke (H) anzulegen, um es zu entmagnetisieren (Koerzitivfeldstärke).

Aufgrund der Besonderheiten magnetischer Materialien und ihrer vielfältigen Anwendungsmöglichkeiten hat die Möglichkeit, ihre Eigenschaften mit einer guten Auflösung zu messen, eine Revolution in den Bereichen Physik und Materialien gebracht.

Hochempfindliche elektronische Messung

Magnetsensoren werden wie viele andere Sensoren von einer Reihe elektronischer Systeme begleitet, um kleine elektrische Signale zu verarbeiten und eine lesbare Eingabe durch einen Mikrocontroller, einen Prozessor oder den Menschen zu erzeugen. Design und Bau dieser Systeme stellen eine Herausforderung dar, da Signale meist recht klein und sehr rauschempfindlich sind. Daher müssen Entwickler einen Kompromiss zwischen Schaltungskomplexität, Sensorkapazität und Kosten eingehen.

Es gibt häufig verwendete und relativ einfache Komponenten wie Filter oder Verstärker, aber auch komplexere Komponenten wie Modulations-Demodulations-Ketten oder Lock-In-Verstärker.

Mit fortschreitender Miniaturisierung stellt man häufig fest, dass ein Teil der analogen Aufbereitungsschaltung innerhalb einer integrierten Schaltung (IC) in der Signalkette implementiert ist, da sie im Vergleich zu einer diskreten Lösung weniger fehleranfällig und kompakter ist.

Abbildung 2. Interne Teile eines Hall-Sensor-ICs. Bild mit freundlicher Genehmigung von Allegro

Auf der anderen Seite kann eine integrierte Lösung weniger flexibel sein. Bei der Arbeit in einer bestimmten oder neuartigen Anwendung bevorzugen Designer möglicherweise eine diskrete Option, da sie möglicherweise eine neue Konditionierungskette entwickeln müssen.

Magnetometeranwendungen

Magnetometer sind in alltäglichen Anwendungen weit verbreitet. Normalerweise sind die komplexesten Sensoren hochspezialisierten Labors wie der Physik und Chemie der Materialien in Straßburg vorbehalten. Solche Magnetometer können unter anderem Vibrationsproben-Magnetometer, SQUID-Magnetometer und AGFM (alternatives Gradientenfeld-Magnetometer) umfassen.

Hall-Effekt-Sensoren werden häufig in Anwendungen verwendet, bei denen das Magnetfeld stark ist. Ihre größten Anwendungen sind Bewegungserkennung und -steuerung in Motorantriebsanwendungen.

Abbildung 3. Ein Hallsensor-IC. Bild mit freundlicher Genehmigung von Microchip

Es ist üblich, einige Sensoren, meist zwei oder drei, räumlich verteilt um eine Motorachse zu platzieren und die metallischen Komponenten, die den Sensor auslösen, davor. Jedes Mal, wenn die Metallteile einen Sensor passieren, erzeugen sie ein Rechteck- oder Sinussignal, das die Berechnung von Geschwindigkeit oder Position ermöglicht.

Auch MEMS-Magnetometer sind auf dem Markt leicht zu finden. Sie sind normalerweise Teil von Inertial Motion Units (IMUs), die Beschleunigung, Winkelgeschwindigkeit und Magnetfelder messen. Modelle wie die eKompasse von STMicroelectronics können in eine Leiterplatte integriert und dann mit anderen Teilen wie Filtern oder Mikrocontrollern verbunden werden. Diese Magnetometer werden möglicherweise für Anwendungen wie die Bewegungserkennung in einem Smartphone-Bildschirm verwendet, der die Informationen einer Anzeige automatisch an ihre horizontale oder vertikale Ausrichtung anpasst.

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