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磁阻传感器 霍尔传感器：【雷赛智能 ｜ 头条】磁阻传感器与霍尔传感器有什么区别？

原标题：【雷赛智能 | 头条】磁阻传感器与霍尔传感器有什么区别？

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前段时间，有朋友留言，让我讲讲磁栅编码器的工作原理。

其实，我之前也没用过。

不过最近，我查询了一些资料，发现确实有一些应用中用到磁编码器。

比如，对于长行程（1米）的直线运动系统的位置检测，再比如对于空间有限的旋转直驱电机 运动检测。

当然，我也顺便把磁编码器的工作原理弄清楚了。

本来我打算这篇日记就来分享一下它的工作原理，但是我发现，要全部讲清楚，恐怕又是一篇长文，可读性下降。

所以今天，我先分享一下传感器部分，后续再补充一篇，说明整体工作原理。

磁栅编码器或者磁旋转编码器上，采用的传感器，一般为霍尔传感器或者磁阻传感器。

磁阻传感器用于旋转运动 检测示意图。

磁阻传感器用于直线运动检测示意图。

磁阻传感器用于电机角度反馈。

4分辨率磁阻传感器检测位置应用，图片来自murata。

磁阻传感器检测位置应用，图片来自murata。

磁栅编码器和磁旋转编码器示意图，来自BOGEN。

几种磁阻传感器用于检测三维运动，角度运动，直线运动。

磁阻传感器用于电机轴，检测旋转运动。

磁阻传感器用于读取磁盘信息。

磁传感器工作示意图。

关于 霍尔传感器 的原理，之前有一篇文章专门讲过，这里仅仅回顾一下。

霍尔传感器的原理：在垂直于霍尔元件的外部磁场作用下，电子在会向霍尔元件一侧移动，造成两侧电势差，形成霍尔电压。

霍尔传感器的原理动画展示。

那么，什么又是磁阻传感器呢？它是怎么工作的？

01

磁阻传感器的分类

首先，这里的磁阻，和之前讲过的 磁阻电机 中的磁阻可不是一回事。

磁阻电机中的磁阻（Reluctance），是阻碍磁路中磁通量的产生。

而此处的磁阻（Magnetoresistance），是材料的电阻会随着外部磁环境的变化而变化的现象。

当然并不是所有材料都有这个能力。

目前主要应用的有三种磁阻元件。

分别为AMR，GMR，TMR元件。

AMR＝Anisotropic Magnetoresistance Effect，即各向异性磁阻效应。

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

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

AMR，GMR，TMR结构示意图：AMR仅由自由层（Free Layer）薄膜构成，GMR和TMR由自由层薄膜和固定层（Pinned Layer）薄膜及其他相关薄膜构成。自由层可以被磁化，磁化方向和外磁场方向相关，固定层的磁化方向被固定，不随外部磁场变化而变化，图片来自hprobe。

磁化过程示意图。

AMR，GMR，TMR原理示意图：AMR当磁化方向和电流方向平行时，电阻最大，电流最小（图中用棕色箭头大小表示电流大小）；当磁化方向和电流垂直时，电阻最小，电流最大。GMR和TMR当磁化方向和固定层磁化方向相反时，电阻最大，电流最小；当磁化方向和固定层磁化方向相同时，电阻最小，电流最大。图中可见，GMR和TMR最明显的区别在于通电电流方向不同，GMR电流平行于薄膜，而TMR电流则垂直于薄膜。图片来自AKM。

AMR电阻随外磁场和电流夹角的变化情况。

AMR由一层可以被外部磁场磁化的铁磁薄膜构成，外部磁场和通电电流形成一个夹角，当磁场角度变化，这个夹角改变，电阻也随之改变，如果传感器通入的电压一定，将会产生变化的电流信号。

AMR传感器工作原理。施加磁场后，磁阻元件R1、R4的电阻值将下降，且中点A和中点B之间的电位将产生差异。当电位差超过规定的设置值（阈值）时，将切换传感器的ON/OFF输出。图片来自murata。

GMR主要由自由层和固定层薄膜及导体夹层构成，电流方向平行于薄膜方向。

关于GMR，值得一提的是，巨磁阻效应的发现者Albert Fert和Peter Grunberg在2007 年，获得诺贝尔物理学奖。

GMR巨磁阻效应发现者A. Fert和P. Grunberg于2007年获诺贝尔物理学奖。

TMR和GMR结构类似，主要由自由层和固定层薄膜及中间隧道障碍夹层构成。

02

磁阻传感器的原理

TMR磁性结构与GMR基本相同，都是多层薄膜元件，但GMR元件的电流平行于膜面流过，而TMR元件的电流垂直于膜面流过。

磁阻元件的发现进程和磁阻效应强弱分别为AMR，GMR及TMR，可以用下面这张图表示。

AMR，GMR，TMR的发展历史及磁阻效应强弱，由图可见TMR磁阻效应最大，其次是GMR，磁阻效应最小的是AMR，大磁阻效应意味着可以检测更广泛更微弱的磁变化。

TMR电阻随外磁场方向的变化情况，上图可以看到电阻随外磁场旋转角度变化而变化的曲线。下左图中，当自由层与固定层的磁化方向为反向平行时，电阻变大（对应上图的180度），只流过微弱的电流。右下图中：当自由层与固定层的磁化方向平行时，电阻变小（对应上图的0度或者360度），流过大电流。此图说明TMR磁阻元件可当作角度传感器。

这张图和上图是一个意思，我保存一下，图片来自TDK。

GMR／TMR电阻随平移磁场变化示意图，电阻达到阀值时，可以视为开关信号，来自alpsalpine。

GMR／TMR电阻随旋转磁场变化示意图，电阻达到阀值时，可以视为开关信号，来自alpsalpine。

MR传感器状态变化示意图，来自alpsalpine。

03

三种磁阻元件之间的区别

三种磁阻元件的不同之处，可以用2张图来表示。

三种元件在相同磁场作用下，电阻的变化率对比。TMR变化最大，所以也最敏感（原因是结构不同）。

AMR，GMR，TMR对比：TMR电阻变化率最大，所以也最敏感，同时受温度的影响最小，适用性最高，图片来自TDK。

结构方面，AMR最简单，由单层薄膜组成，GMR和TMR相似，都是多层薄膜组成。

电流方面，AMR和GMR电流方向平行于薄膜方向，唯有TMR垂直于薄膜方向。

当然，从结果来看，TMR对磁变化最为敏感，所以它可以用于检测更小的磁变化，且可以多方向检测，同时它受温度的影响较小，测量误差更小。

04

磁阻传感器与霍尔传感器的区别

以上，我们了解了3种基本的磁阻元件结构，及原理，以及它们之间的灵敏度区别。

那么磁阻传感器和霍尔传感器有什么区别呢？

首先，检测磁场方向不同，霍尔传感器检测垂直于霍尔元件的磁场，而磁阻传感器检测平行于磁阻元件的磁场。

磁阻传感器和霍尔传感器检测方向对比。

磁阻传感器和霍尔传感器检测方向对比。

其次，磁阻传感器更加敏感，所以可以检测多个方向的运动。

磁阻传感器用于检测各个方向的运动。

磁阻传感器检测运动方向示意图，图片来自murata。

当然，磁阻传感器可以做得更小，在有限的空间中放置两个检测头。

双磁阻检测元件示意图。

当然还有其他一些不同之处，比如热稳定性，功耗等总结在下表中。

霍尔传感器VS TMR传感器。

以上特点决定了大部分的编码器都用磁阻传感器。

上图为广告

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磁阻传感器 霍尔传感器：磁阻传感器和霍尔传感器在工作原理和使用方法方面各有什么特点

　　磁阻传感器是磁通量改变会造成元件电阻变化。磁阻传感器能制作在硅片上，并形成产品。其灵敏度和线性度已经能满足磁罗盘的要求，各方面的性能明显优于霍尔器件。
　　霍尔效应：把通有电流i的导体放在垂直于它的磁场中，则在导体的两侧p1、p2会产生一电势差uh，它与电流i及磁感应强度b成正比，与导体厚度d成反比。
　　磁场中有一个霍尔半导体片，恒定电流I从A到B通过该片。在洛仑兹力的作用下，I的电子流在通过霍尔半导体时向一侧偏移，使该片在CD方向上产生电位差，这就是所谓的霍尔电压。
　　
　　霍尔电压随磁场强度的变化而变化，磁场越强，电压越高，磁场越弱，电压越低，霍尔电压值很小，通常只有几个毫伏，但经集成电路中的放大器放大，就能使该电压放大到足以输出较强的信号。若使霍尔集成电路起传感作用，需要用机械的方法来改变磁场强度。下图所示的方法是用一个转动的叶轮作为控制磁通量的开关，当叶轮叶片处于磁铁和霍尔集成电路之间的气隙中时，磁场偏离集成片，霍尔电压消失。这样，霍尔集成电路的输出电压的变化，就能表示出叶轮驱动轴的某一位置，利用这一工作原理，可将霍尔集成电路片用作用点火正时传感器。霍尔效应传感器属于被动型传感器，它要有外加电源才能工作，这一特点使它能检测转速低的运转情况。

磁阻传感器 霍尔传感器：磁阻传感器和霍尔传感器的区别

磁阻传感器和霍尔传感器的区别
霍尔传感器是根据霍尔效应制作的一种磁场传感器
霍尔传感器特点：
1、 霍尔传感器可以测量任意波形的电流和电压，如：直流、交流、脉冲波形等，甚至对瞬态峰值的测量。副边电流忠实地反应原边电流的波形。而普通互感器则是无法与其比拟的，它一般只适用于测量50Hz正弦波。
2、 原边电路与副边电路之间完全电绝缘，绝缘电压一般为2KV至12KV，特殊要求可达20KV至50KV。
3、 精度高：在工作温度区内精度优于1%，该精度适合于任何波形的测量。而普通互感器一般精度为3%至5%且适合50Hz正弦波形。
4、 线性度好：优于0.1%
5、 动态性能好：响应时间小于１s跟踪速度di/dt高于50A/s
6、 霍尔传感器模块这种优异的动态性能为提高现代控制系统的性能提供了关键的基础。与此相比普通的互感器响应时间为10-12ms，它已不能适应工作控制系统发展的需要。
7、 工作频带宽：在0-100kHz频率范围内精度为１％。在０－５kHz频率范围内精度为0.5%。
8、 测量范围：霍尔传感器模块为系统产品，电流测量可达50KA，电压测量可达6400V。
9、 过载能力强：当原边电流超负荷，模块达到饱和，可自动保护，即使过载电流是额定值的２０倍时，模块也不会损坏。
10、 模块尺寸小，重量轻，易于安装，它在系统中不会带来任何损失。
11、 模块的初级与次级之间的电容是很弱的，在很多应用中，共模电压的各种影响通常可以忽略，当达到几千伏/s的高压变化时，模块有自身屏蔽作用。
12、 模块的高灵敏度，使之能够区分在高分量上的弱信号，例如：在几百安的直流分量上区分出几毫安的交流分量。
13、 可靠性高：失效率：=0.43╳10-6/小时
14、 抗外磁场干扰能力强：在距模块5-10cm处有一个两倍于工作电流(2Ip)的电流所产生的磁场干扰而引起的误差小于0.5%，这对大多数应用，抗外磁场干扰是足够的，但对很强磁场的干扰要采取适当的措施。
磁阻传感器是基于磁阻效应工作原理，其核心部分采用一片特殊金属材料，其电阻值随外界磁场的变化而变化，通过外界磁场的变化来测量物体的变化或状况。磁阻传感器具有高精度、高灵敏度、高分辨率、良好稳定性和可靠性、无接触测量及宽温度范围的特点，可进行动态和静态测量。广泛应用于低磁场测量，角度和位置测量。
磁阻传感器特点：
1. 灵敏度高,输出信号幅值大,并与旋转速度的大小无关
2. 体积小,结构简单,金属盒封装,耐油污粉尘
3. 频率特性优良,能检测静止状态的转速
4. 内偏置磁钢
5. 抗电磁干扰能力强
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磁阻传感器 霍尔传感器：霍尔的磁阻传感器工作原理

干簧管和电阻串联连接形成一组电路，多组电路与信号发生器并联连接。当磁铁随着测量介质的变化而移动时，吸簧管接通电阻，信号发生器产生相应的电信号！（连接到干簧管的每个电阻值不同，导致不同的电信号。）一般用作液位测量！
霍尔传感器工作原理
在磁场中存在霍尔半导体芯片，恒定电流I通过该芯片从A传递到B.在洛伦兹力的作用下，当电子流通过霍尔半导体时，I的电子流向一侧移动，使片材在CD方向上产生电位差，这就是所谓的霍尔电压。
霍尔电压随磁场强度的变化而变化。磁场越强，电压越高，磁场越弱，电压越低。霍尔的电压值很小，通常只有几毫伏。然而，在集成电路中，放大器的放大可以将电压放大到足以输出强信号的程度。如果霍尔集成电路可以作为传感器，则需要采用机械方法来改变磁场强度。下图所示的方法是使用旋转叶轮作为开关来控制磁通量。当叶轮叶片处于磁体与霍尔集成电路之间的气隙时，磁场偏离集成芯片，霍尔电压消失。这样，霍尔集成电路输出电压的变化可以指示叶轮驱动轴的某一位置。利用此工作原理，霍尔集成电路芯片可作为点火正时传感器。霍尔“效应传感器属于被动传感器。它需要额外的电源才能工作。此功能使其能够检测低速运行。
霍尔传感器特点：
霍尔传感器可以测量任何波形的电流和电压，如：直流、交流、脉冲波形等，甚至可以测量暂态峰值。侧电流忠实地反映了原侧电流的波形。普通变压器是无可比拟的，一般只适合测量50hz正弦波。
2。原侧电路和二次侧电路完全电气绝缘，绝缘电压一般为2KV~12kV，特殊要求可达20kV~50KV。
高精度：在工作温度范围内精度优于1%，适用于任意波形的测量。普通变压器的总精度为3%~5%，适用于50 Hz正弦波。
4，线性度好：优于0.1％
5。动态性能好：响应时间小于1s，跟踪速度di/dt大于50a/s
霍尔传感器模块的这种优异的动态性能为提高现代控制系统的性能提供了关键的基础。与此相比，普通变压器的响应时间为10-12ms，无法满足工作控制系统发展的需要。
7。工作频率带宽：在0-100 kHz频率范围内精度为1%。在0~5 kHz频率范围内，精度为0.5%。
测量范围：霍尔传感器模块为系统产品，电流测量可达50 KA，电压测量可达6400 V。
9.强过载能力：当初级电流过载时，模块饱和并可自动保护。即使过载电流是额定值的20倍，模块也不会损坏。
10。该模块体积小、重量轻、安装方便。它不会在系统中造成任何损失。
11、模块的一级和二级之间的电容非常弱。在许多应用中，通常可以忽略公共模式电压的各种影响。当达到几千伏/秒的高压变化时，模块有自己的屏蔽效果。
12。该模块的高灵敏度使其能够区分高分量上的微弱信号，例如几百安培的直流分量上的几毫安的交流分量。
13，高可靠性：故障率：=0.43≤10-6/h
14.对外部磁场干扰的强抵抗力：由模块5-10cm处工作电流（2Ip）两倍的电流产生的磁场干扰引起的误差小于0.5％。对于大多数应用，外部磁场是耐受的。干扰是足够的，但应采取适当措施干扰非常强的磁场。
磁阻传感器基于磁阻效应原理。磁阻传感器的核心部件是一块特殊的金属材料。其电阻随外磁场的变化而变化。物体的变化或状态是通过外部磁场的变化来测量的。磁阻传感器具有精度高、灵敏度高、分辨率高、稳定性和可靠性好、非接触测量、温度范围宽等特点。它可用于动态和静态测量。广泛应用于低磁场测量、角度和位置测量。
磁阻传感器特点：
1.高灵敏度，输出信号幅度大，与转速无关
2。体积小，结构简单，金属盒包装，耐油粉尘。
3。优良的频率特性，能检测出静态的速度。
4. 内偏置磁钢
5. 抗电磁干扰能力强