PNI磁传感器的精度为什么会这么高

PNI自成立之初，就专注于为精确磁导航和定位研究领域提供先进的产品和技术支持服务，多年来推出了一系列性能出色的产品，包括各类电子罗盘和磁元件。PNI不仅在磁导航方面拥有领先的算法开发经验，而且其MI（磁感）传感器至今仍是世界上精度最高的磁感元件。下面我们一起来揭开，这样一款高精度的磁传感器背后工作的“秘密”。

图1：PNI磁传感器元件及ASCI驱动芯片

图2是PNI磁感式（MI）传感器的实际简要应用电路。这是一个典型的LR振荡电路，其中，电感元件由传感器中的高磁导率磁芯和缠绕在其四周的螺旋管组成，电阻则需要用户提供。除此之外，电路中还有一个用于状态切换的施密特触发器。

图2：PNI磁传感器典型应用电路图
 

当图中电路接通电源后，由物理规律可知，传感器处的磁场强度H由两部分组成：一部分是外界磁场强度HE；另一部分则是电流所产生的，大小与电流成正比，可表示为k0I（k0为常数）。所以，可以得到如下关系式：

H=HE+k0I

在图2的工作电路中，假设施密特触发器的阈值电压为VH，并且当输入电压（A点电压）为0或某个小于阈值电压的值VL时，触发器的逻辑状态降为“1”，同时输出大小为VS的电压信号。在此条件下，电路中传感器两端的电压会逐渐增加，直到A点的电压上升到VH时，触发器的逻辑状态会转换为“0”，从而使得传感器上的电压又开始慢慢减小。如图3，上半部分所示为是施密特触发器逻辑状态波形图，下半部分为A点处的实际电压变化波形图。

图3：振荡电路输出波形与触发器逻辑状态变化图
 

图4是磁性物质的磁导率μ与磁场强度H的关系。正如图2所示，电路中的偏置电阻Rb和以及触发器的参数特性均经过挑选，从而使得传感器在受到正向或负向电压驱动时，所产生的磁场强度能处于图5所示的虚线区域中。注意当没有外界磁场时，无论是正向或负向驱动，都能得到相同波形图。

图4：磁导率与磁场强度关系

图5：无外部磁场环境下振荡电路输出波形与磁场强度关系

当将外界磁场HE（如地球磁场强度）也一起考虑进来时，图5中正向驱动和负向驱动的情况都会受到影响。由于HE的方向一定，从而导致图5中的磁场范围向同一方向发生移动。结果是一种情况下的磁导率增加，另一种情况下减小。从而导致两种情况下的电感系数不再相同，振荡电路的电压波形周期τ也随之增大或减小，如图6所示。

图6：存在外部磁场情况下震荡电路输出波形与磁场强度关系

然后分别通过测量在正向电压和负向电压情况下，相同数量的波形周期时间，并进行对比和计算，就能够得到外部的磁场强度HE。

PNI磁传感器的优点：

数字输出。PNI磁传感器的ASIC芯片可直接输出与磁场大小相关的数字信号，不像其他模拟信号输出的产品，需要额外的放大器和模数转换器等硬件。

高分辨率，分辨率可达10NT。其他同类的产品很难做到，或要花费相对高昂的代价才能实现。

低功耗。传感器的功耗与采样率有关，如当采样率为8Hz时，传感器的功耗在1.5mW左右，300Hz时，功耗在7.5mW。而一般的MR（磁阻）传感器的功耗普遍在15mW到30mW。

温度性能好，无磁滞效应。传感器的正/反向电压驱动的设计原理，从根本上杜绝了磁滞效应的影响。而传感器由于温度影响而带来的输出误差，也在正负方向上相互抵消。

审核编辑：符乾江