Was ist ein Magnetfeldsensor?
Ein Magnetfeldsensor ist ein Sensor zur Erfassung des Erdmagnetismus (Geomagnetismus).
Es gibt zwei Typen: einen 2-Achsen-Typ, der die XY-Achse erfassen kann und einen 3-Achsen-Typ, der die XYZ-Achse erfassen kann. Der 2-Achsen-Typ ist auf ebenem Gelände problemlos einsetzbar.
Auf abschüssigem Gelände ist eine genaue geomagnetische Erfassung jedoch nur mit dem 3-Achsen-Typ möglich.
Anwendungen von Magnetfeldsensoren
Magnetfeldsensoren werden im Allgemeinen zur Richtungsbestimmung eingesetzt. Sie werden als elektronische Kompasse z. B. in GPS-Geräten für den Bergsport und in Smartphones und Kfz-Navigationssystemen eingebaut, um die Ausrichtung des Geräts auf einer Karte zu messen.
Der in Autos und anderen Fahrzeugen eingebaute 2-Achsen-Typ erfasst die XY-Achse, während für Flugzeuge und andere Fahrzeuge, die sich dreidimensional bewegen können, wie z. B. Nicken und Gieren, ein 3-Achsen-Typ erforderlich ist, der die XYZ-Achse erfasst.
Funktionsweise von Magnetfeldsensoren
Magnetfeldsensoren messen die magnetischen Kräfte in der X-Achse, der Y-Achse und bei 3-Achsen-Sensoren auch in Richtung der Z-Achse und berechnen den Azimut. Es gibt drei Arten von Magnetfeldsensoren Hall-Sensoren, MR-Sensoren (Magneto Resistance) und MI-Sensoren (Magneto Impedance) sind typische Beispiele:
1. Hall-Sensoren
Der magnetische Fluss, d. h. die senkrechte Komponente des Magnetfelds, übt eine elektromotorische Kraft auf das Hall-Element aus, die dann als geomagnetisches Feld gemessen wird. Mit Hilfe des Hall-Effekts wird die magnetische Flussdichte gemessen, die nach Durchlaufen einer Verstärkerschaltung eine zur magnetischen Flussdichte proportionale Spannung abgibt. Er zeichnet sich durch seine einfache Anwendung aus.
2. MR-Sensoren
Bei MR-Sensoren gibt der magnetische Fluss, d. h. die horizontale Komponente des Magnetfelds, einen Widerstand an das MR-Element ab, der dann als Erdmagnetismus wahrgenommen wird. Sie unterscheiden sich von Hall-Sensoren dadurch, dass die Größe des Erdmagnetfeldes anhand der durch das Magnetfeld verursachten Änderung des elektrischen Widerstands des MR-Elements gemessen wird.
Da sie eine höhere Empfindlichkeit und einen geringeren Stromverbrauch als Hall-Sensoren haben, werden sie häufiger verwendet und werden oft für geomagnetische Erfassungsanwendungen wie elektronische Kompasse, Motordrehung und Positionserfassungsanwendungen eingesetzt.
3. MI-Sensoren
MI-Sensoren verwenden Drähte aus einem speziellen Material, das keinen kristallinen Zustand aufweist, dem sogenannten amorphen Draht. Wenn ein gepulster Strom an den amorphen Draht in Gegenwart eines geomagnetischen Feldes angelegt wird, tritt der MI-Effekt auf und das geomagnetische Feld wird anhand der Änderung der magnetischen Impedanz erkannt. Der MI-Effekt ist mehr als 10 000-mal empfindlicher als ein Hall-Sensor, so dass selbst kleinste Änderungen des geomagnetischen Feldes mit hoher Präzision gemessen werden können.
Der MI-Effekt ist ein Phänomen, bei dem sich die Impedanz in einem externen Magnetfeld mit hoher Empfindlichkeit ändert, wenn ein hochfrequenter Strom an ein magnetisches Material angelegt wird, um einen Skin-Effekt zu erzeugen. Der MI-Sensor verwendet eine Aufnahmespule, die um den amorphen Draht gewickelt ist, um die Reaktion auf externen Magnetismus zu erkennen, wenn ein Impulsstrom angelegt wird.
Der Skin-Effekt ist ein Effekt, bei dem, wenn ein Hochfrequenzstrom durch einen Leiter fließt, die Stromdichte in der Nähe der Oberfläche des Leiters zunimmt und zum Inneren hin abnimmt.
Weitere Informationen zu Magnetfeldsensoren
1. Hall-Element
Hall-Elemente sind magnetische Sensoren, die sich den Hall-Effekt zunutze machen. Der Hall-Effekt bezeichnet das Phänomen, dass bei Anlegen eines Magnetfeldes senkrecht zu den Elektronen, die durch ein Material fließen, eine elektromotorische Kraft in der Richtung senkrecht zum Strom und zum Magnetfeld erzeugt wird.
Die geladenen Teilchen, aus denen der Strom besteht, sind unter dem Einfluss des Magnetfeldes Lorentz-Kräften ausgesetzt, die eine Vorspannung der Ladung in der Substanz verursachen. Zu diesem Zeitpunkt wird in der Substanz eine Potenzialdifferenz erzeugt, die zu einer elektromotorischen Kraft führt.
2. MR-Sensorelement
MR-Sensorelemente sind magnetische Sensorelemente, die den magnetoresistiven Effekt (MR-Effekt) nutzen, ein Phänomen, bei dem sich der Widerstandswert ändert, wenn sich das Magnetfeld ändert, und das in magnetischen Materialien auftritt.
Elektronen haben zwei Spin-Zustände, genannt Up-Spin und Down-Spin. Wenn sich die Elektronen durch ein ferromagnetisches Material bewegen, schwankt die Streuungswahrscheinlichkeit innerhalb des magnetisierten Materials, wenn sich der Spin-Zustand des Elektrons nach oben oder unten ändert. Dies ist die Ursache für den MR-Effekt.