Позвоните в службу поддержки
+86-795-3241001
2025-10-22
В современных отраслях промышленности, аэрокосмической сфере и потребительской электронике спрос на технологии измерения магнитного поля неуклонно растёт.
Датчики флюксгейта, как высокоточные и высокочувствительные устройства для измерения слабых магнитных полей, благодаря своим выдающимся характеристикам в условиях низкочастотных и слабых магнитных полей, стали важным техническим решением в области измерения магнитных полей.
В данном отчёте систематически рассмотрены принцип работы и классификация датчиков флюксгейта, текущее состояние рынка и области их применения, а также проведён углублённый анализ ключевого компонента — магнитного сердечника, его технических характеристик и особенностей. Материал может служить справочным источником для исследований и практического применения в смежных областях.
I.Принцип работы датчиков флюксгейта
Датчики флюксгейта основаны на физических эффектах насыщения магнитопровода и электромагнитной индукции.
Изменения магнитного потока в магнитопроводе под воздействием переменного возбуждающего магнитного поля регистрируются, что позволяет косвенно измерять постоянное или низкочастотное переменное магнитное поле внешней среды.
Основной принцип работы можно разделить на три ключевых этапа:
1.Возбуждение и намагничивание
2.Искажение магнитного потока
3.Индукционное обнаружение
Конкретный процесс функционирования представлен следующим образом:
1.1 Основы физики
Ядро датчиков флюксгейта составляет магнитопровод из мягкого магнитного материала с высокой магнитной проницаемостью и низкой коэрцитивной силой. Его кривая гистерезиса узкая, а кривая намагничивания нелинейна (легко насыщается).
Когда магнитопровод возбуждается переменным током, он работает в цикле: насыщение → размагничивание → обратное насыщение → обратное размагничивание.
Присутствие внешнего магнитного поля нарушает симметрию этого процесса намагничивания, создавая измеряемый эффект флюксгейта.
1.2 Подробный процесс работы
Этап возбуждения:
В обмотку возбуждения датчика (обычно намотанную на магнитопровод) подаётся высокочастотный переменный ток (например, 10 кГц – 1 МГц), создавая переменное возбуждающее магнитное поле.
При отсутствии внешнего магнитного поля магнитопровод попеременно входит в состояния прямого насыщения и обратного насыщения в такт изменения тока возбуждения. В этом случае изменение магнитного потока магнитопровода симметрично, и наведённая в обмотке возбуждения ЭДС также симметрична.
Этап искажения магнитного потока:
При наличии внешнего постоянного или низкочастотного переменного магнитного поля оно накладывается на возбуждающее поле.
Если направление внешнего поля совпадает с направлением возбуждающего, магнитопровод раньше достигает прямого насыщения и позднее — обратного насыщения.
Если направление противоположное — наоборот.
Такая суперпозиция нарушает симметрию процесса намагничивания, и изменения магнитного потока становятся искажёнными.
Этап детектирования:
На магнитопроводе также может быть намотана обмотка детектора (или используется взаимная индукция с обмоткой возбуждения).
Согласно закону электромагнитной индукции Фарадея, изменение магнитного потока вызывает в детекторной обмотке индукционную ЭДС.
Поскольку магнитный поток уже искажён внешним полем, в ЭДС появляются чётные гармоники, пропорциональные силе внешнего поля (главным образом, вторая гармоника).
С помощью схем обработки сигнала (фильтрация, усиление, детектирование) амплитуда и фаза второй гармоники используются для расчёта величины и направления внешнего магнитного поля.
II.Классификация датчиков флюксгейта
В зависимости от конструкции магнитопровода, способа возбуждения и метода детектирования сигнала, датчики флюксгейта делятся на несколько типов.
Разные типы датчиков различаются по характеристикам, габаритам и стоимости, что делает их применимыми в различных областях.
2.1 Классификация по конструкции магнитопровода
Это самый распространённый способ классификации, так как конструкция магнитопровода напрямую влияет на чувствительность, линейность и помехоустойчивость датчика.
| Тип | Конструкция магнитного сердечника | Особенности работы | Преимущества | Недостатки | Области применения |
| Одно сердечниковый | Один стержневой, кольцевой или прямоугольный сердечник | Обмотки возбуждения и детектирования намотаны на один и тот же сердечник | Простая конструкция, малые габариты, низкая стоимость | Низкая чувствительность, слабая помехоустойчивость | Потребительская электроника (например, компасы в смартфонах), недорогие промышленные измерения |
| Двух сердечниковый | Два симметричных сердечника; обмотки возбуждения соединены встречно, обмотки детектирования — прямо | Возбуждающее поле в двух сердечниках направлено противоположно, компенсируя помехи общего режима | Высокая помехоустойчивость, хорошая линейность, высокая чувствительность | Сложная конструкция, более высокая стоимость | Аэрокосмическая отрасль (например, управление ориентацией спутников), высокоточная геологоразведка, военные магнитные измерения |
2.2 Классификация по форме сигнала возбуждения
Синусоидальное возбуждение:
В обмотку возбуждения подаётся синусоидальный ток. Процесс намагничивания магнитопровода проходит плавно, сигнал искажается минимально. Однако требуется сложная схема генерации синусоиды, а потребляемая мощность выше.
Прямоугольное возбуждение:
В обмотку возбуждения подаётся прямоугольный ток. Схема проста, потребляемая мощность низкая, а магнитопровод быстро достигает состояния насыщения. Обеспечивается высокая скорость отклика, что делает этот способ основным в современных датчиках, широко применяемых в промышленности и потребительской электронике.
2.3 Классификация по типу выходного сигнала
Аналоговый выход:
Наведённая в обмотке детектора ЭДС после усиления и фильтрации непосредственно выдаётся в виде аналогового напряжения или тока.
Применяется в простых сценариях измерения магнитного поля. Для подключения к цифровым системам требуется АЦП (аналогово-цифровой преобразователь).
Цифровой выход:
Встроенный чип обработки сигнала (например, MCU или FPGA) демодулирует сигнал и выдаёт цифровой сигнал напрямую (например, по протоколам SPI или I²C).
Позволяет прямое подключение к цифровым системам, упрощает периферийную схему и подходит для умных устройств (например, интеллектуальных датчиков, IoT-устройств).
III.Рыночная ситуация датчиков флюксгейта
3.1 Размер рынка и тенденции роста
В последние годы с быстрым развитием аэрокосмической отрасли, электромобилей, Интернета вещей и геологоразведки спрос на датчики флюксгейта продолжает расти.
Согласно отраслевым исследованиям, в 2023 году мировой рынок датчиков флюксгейта оценивался примерно в 850 млн долларов США, а к 2028 году прогнозируется рост до 1,52 млрд долларов США при среднем годовом темпе роста (CAGR) около 12,4%.
Наиболее быстро растущим регионом является Азиатско-Тихоокеанский регион (в особенности Китай, Япония, Южная Корея), чему способствует кластерное развитие отраслей потребительской электроники и электромобилей.
3.2 Конкурентная структура рынка
Глобальный рынок датчиков флюксгейта характеризуется моделью «доминирование международных гигантов и рост местных производителей»:
Международные ведущие компании:
Основные игроки — Honeywell (США), Bartington (Германия), Metrolab (Швейцария), Aichi Steel (Япония). Эти компании обладают глубоким технологическим опытом, их продукция ориентирована на аэрокосмическую, военную и высокоточные промышленные отрасли, имеет высокую цену и занимает около 60% высококлассного сегмента рынка.
Местные компании:
На примере Китая, в последние годы появились Shenzhen SenseMag, Shanghai Micgain Microelectronics, Beijing Institute of Aerospace Control Instruments и другие предприятия.
Их продукция ориентирована на средне-низкобюджетный сегмент потребительской электроники и промышленной диагностики, а благодаря стоимостным преимуществам и локализованному сервису доля рынка постепенно растёт и на данный момент превышает 40% внутреннего средне-низкобюджетного сегмента.
3.3 Факторы, стимулирующие рынок, и вызовы
3.3.1 Стимулирующие факторы
Рост потребностей аэрокосмической отрасли:
Контроль ориентации спутников, мониторинг магнитной среды космических аппаратов и другие сценарии требуют высокоточного измерения магнитного поля, что стимулирует технологическое обновление высококлассных датчиков флюксгейта.
Развитие индустрии электромобилей:
Системы управления батареями (BMS) и системы управления электродвигателями требуют датчиков магнитного поля для контроля тока и положения. Датчики флюксгейта показывают лучшие результаты в низкочастотных измерениях больших токов по сравнению с датчиками Холла, что приводит к быстрому росту спроса.
Распространение Интернета вещей и умных устройств:
Функции компаса и геонавигации в смартфонах, умных часах, а также потребности мониторинга окружающей среды в умных домах стимулируют массовое производство низкобюджетных датчиков флюксгейта.
3.3.2 Основные вызовы
Высокий технологический барьер:
Производство магнитопроводов высококлассных датчиков, алгоритмы обработки сигналов (например, извлечение гармоник, подавление шума) крайне сложны, и местным компаниям трудно преодолеть этот барьер в краткосрочной перспективе.
Конкуренция со стороны альтернативных технологий:
Датчики Холла (низкая стоимость, малые габариты) и датчики на основе гигантского магнетосопротивления (GMR) (высокая чувствительность, быстрый отклик) в некоторых сценариях, например при измерении высокочастотных магнитных полей, создают конкурентное давление на датчики флюксгейта. Необходима технологическая оптимизация для укрепления рыночных позиций.
IV.Сценарии применения датчиков флюксгейта
Благодаря своим ключевым преимуществам — высокая точность измерения слабых низкочастотных магнитных полей и стабильность работы, — датчики флюксгейта нашли масштабное применение в различных областях:
4.1 Аэрокосмическая отрасль
Контроль ориентации спутников:
Измеряя направление и интенсивность земного магнитного поля, рассчитываются углы ориентации спутника (крена, тангажа и рыскания), что обеспечивает данные для корректировки ориентации. Датчики флюксгейта являются одним из ключевых сенсоров системы управления ориентацией спутника.
Мониторинг магнитного поля космических аппаратов:
Контроль рассеянных магнитных полей, создаваемых внутренними устройствами (например, электродвигателями и трансформаторами), предотвращает влияние магнитных помех на высокоточные приборы (гироскопы, оптические устройства) и обеспечивает нормальное функционирование космического аппарата.
4.2 Промышленность
Измерение тока:
Использование датчиков тока на основе флюксгейта для измерения низкочастотных больших токов (например, в промышленных электродвигателях или трансформаторах) с точностью до 0,1 класса. Датчики устойчивы к температурным и электромагнитным помехам, превосходя традиционные трансформаторы тока.
Неразрушающий контроль (NDT):
Обнаружение внутренних дефектов металлических материалов (трещины, коррозия), которые вызывают изменения магнитного поля материала. Датчики флюксгейта способны фиксировать малейшие изменения, обеспечивая высокоточное определение местоположения дефектов.
4.3 Потребительская электроника
Навигация в умных устройствах:
Функция геомагнитного компаса в смартфонах и умных часах использует датчики флюксгейта для измерения направления магнитного поля Земли. В сочетании с GPS это позволяет реализовать бесшовную навигацию как в помещении, так и на улице с точностью до 0,5°.
Виртуальная и дополненная реальность (VR/AR):
Для отслеживания ориентации VR/AR-устройств требуется реальное измерение пространственного угла. Датчики флюксгейта совместно с гироскопами и акселерометрами формируют инерциальный измерительный блок (IMU), повышая стабильность отслеживания ориентации и предотвращая дрейф гироскопа.
4.4 Геологоразведка и исследование ресурсов
Геомагнитная разведка:
В разведке минеральных ресурсов датчики флюксгейта измеряют аномалии магнитного поля подземных пород, вызванные различной магнитной восприимчивостью минералов.
Это помогает определить распределение и запасы полезных ископаемых, широко используется при разведке железных и медных руд.
Сейсмический мониторинг:
Перед землетрясением изменение напряжения в земной коре вызывает малые колебания магнитного поля. Датчики флюксгейта способны фиксировать эти низкочастотные изменения, предоставляя данные для систем раннего предупреждения о землетрясениях.
4.5 Военная сфера
Магнитные взрыватели:
Магнитные взрыватели ракет и торпед используют датчики флюксгейта для обнаружения магнитного поля целей (корабли, танки). При достижении определённого порога магнитного поля происходит детонация. Датчики характеризуются высокой помехоустойчивостью и скрытностью.
Подводная магнитная разведка:
Магнитное поле подводной лодки может мешать магнитным разведывательным системам противника. Датчики флюксгейта применяются для контроля «магнитного камуфляжа» подводных лодок — измеряют распределение магнитного поля на корпусе, помогая оптимизировать магнитную защиту.
V.Основной компонент датчиков флюксгейта — магнитный сердечник
Магнитный сердечник является «сердцем» датчика флюксгейта, так как его магнитные свойства (магнитная проницаемость, коэрцитивная сила, индукция насыщения) непосредственно определяют чувствительность, линейность и стабильность работы датчика.
Анализ рассмотрен по трём аспектам: выбор материала, требования к свойствам и распространённые типы.
5.1 Принципы выбора материала сердечника
Основные требования к материалу сердечника: легко насыщаемый, с низкими потерями, высокой магнитной проницаемостью и низкой коэрцитивной силой.
Высокая начальная магнитная проницаемость (μi):
Чем выше начальная проницаемость, тем чувствительнее сердечник к слабым внешним магнитным полям, и тем ниже предел обнаружения датчика (до уровня nТ).
Низкая коэрцитивная сила (Hc):
Чем ниже Hc, тем легче проходит процесс намагничивания и размагничивания сердечника, тем меньше потери на гистерезис, а линейность и стабильность датчика выше.
Оптимальная индукция насыщения (Bs):
Индукция насыщения не должна быть чрезмерно высокой (обычно 0,5–1,5 Т), но должна быть стабильной, чтобы изменение температуры не вызывало значительных колебаний Bs, влияющих на точность датчика.
Низкие потери на гистерезис и вихревые токи:
При высокочастотном возбуждении потери на гистерезис (возникающие при повторном намагничивании) и потери на вихревые токи (вызванные наведёнными токами в сердечнике) могут вызывать нагрев датчика и увеличение шума. Необходимо использовать мягкие магнитные материалы с низкими потерями.
5.2 Распространённые типы магнитных сердечников
На сегодняшний день материалы сердечников датчиков флюксгейта делятся на три основные категории:
Сплавные материалы
Ферритовые материалы
Аморфные и нанокристаллические сплавы
Сравнительные характеристики этих материалов будут рассмотрены далее.
| Тип материала | Представительный материал | Магнитная проницаемость (μi) | Коэрцитивная сила (Hc) | Индукция насыщения (Bs) | Характеристика потерь | Области применения |
| Сплавные материалы | Пермаллой (Ni-Fe сплав, например Ni80Fe20) | 10⁴–10⁵ | 0,1–1 Oe | 0,6–1,0 T | Низкие потери на гистерезис, средние потери на вихревые токи | Высокоточные датчики (например, аэрокосмическая и военная разведка), требующие высокой чувствительности и низкого шума |
| Ферритовые материалы | Mn-Zn феррит, Ni-Zn феррит | 10³–10⁴ | 0,5–5 Oe | 0,3–0,5 T | Низкие потери на вихревые токи (хорошие высокочастотные свойства), средние потери на гистерезис | Сценарии с высокочастотным возбуждением (например, выше 1 МГц), недорогие потребительские датчики |
| Аморфные / нанокристаллические сплавы | Fe-Si-B аморфный сплав, Fe-Cu-Nb-Si-B нанокристаллический сплав (например, Finemet) | 10⁵–10⁶ | 0,01–0,1 Oe | 1,2–1,6 T | Очень высокая магнитная проницаемость, крайне низкая коэрцитивная сила, малые потери | Сверхвысокоточные датчики (например, геомагнитные обсерватории, квантовые магнитные измерения) |
5.3 Конструкция магнитного сердечника и процесс изготовления
5.3.1 Распространённые конструкции
Стержневой сердечник:
Простая конструкция, легко наматываются обмотки. Подходит для одно сердечниковых датчиков, часто используется в потребительской электронике.
Кольцевой сердечник:
Магнитная цепь замкнута, утечки магнитного потока минимальны, магнитные свойства равномерны, высокая помехоустойчивость. Применяется в двухсердечниковых высокоточных датчиках (например, аэрокосмическая отрасль).
Прямоугольный/пластинчатый сердечник:
Компактный, тонкий, подходит для микродатчиков (например, носимые устройства, медицинская аппаратура), требует применения микронамотки.
5.3.2 Ключевые технологические процессы изготовления
Плавка сплава:
Высокочистый сплав изготавливается методом вакуумного индукционного плавления, чтобы избежать примесей, влияющих на магнитные свойства.
Формовка:
Стержневые и кольцевые сердечники: применяются порошковая металлургия (прессование + спекание) или термическая экструзия.
Аморфные и нанокристаллические сердечники: используется метод быстрого охлаждения расплава (скорость охлаждения >10⁶ ℃/с), формируется аморфная лента, затем посредством намотки и отжига придают окончательную форму.
Отжиг:
После формовки сердечник подвергается вакуумному отжигу (температура 300–600°C) для снятия внутренних напряжений, оптимизации магнитной структуры доменов, повышения магнитной проницаемости и снижения коэрцитивной силы. Для нанокристаллических сплавов отжиг формирует нанокристаллы, обеспечивая высокую магнитную проницаемость.
Изоляция:
Поверхность сердечника покрывается изоляционным лаком или изоляционной плёнкой, чтобы избежать короткого замыкания с обмоткой и уменьшить потери на вихревые токи.
5.4 Примеры продукции нашей компании
(Далее могут быть приведены конкретные модели и характеристики датчиков флюксгейта, производимых вашей компанией.)
Микросердечники из кобальтового аморфного сплава:
Отличаются высокой магнитной проницаемостью, низкими потерями и высокой чувствительностью.
Начальная и максимальная магнитная проницаемость: μi ≈ 40 000, μm ≈ 450 000
Индукция насыщения: Bs ≈ 0,6 T
Коэрцитивная сила: Hc ≤ 0,5 A/m
5.4.1 Примеры моделей
Примечание:
Если некоторые параметры вам не вполне ясны, наши инженеры готовы предоставить техническую поддержку и рекомендовать оптимальное решение в зависимости от области применения.
Пожалуйста, свяжитесь с нами для получения консультации.
5.4.2 Типичные характеристики (кривые)
Статическая кривая намагничивания
VI.Заключение и перспективы
Датчики флюксгейта, как зрелая технология измерения слабых магнитных полей, обладают незаменимыми преимуществами в задачах высокоточного и низкочастотного магнитного измерения. Их ключевая конкурентоспособность определяется совершенствованием свойств магнитопроводящих материалов и развитием технологий обработки сигналов, а рост рыночного спроса в основном обусловлен технологическим прогрессом в таких областях, как аэрокосмическая промышленность, электромобили и Интернет вещей.
В будущем развитие датчиков флюксгейта будет сосредоточено на трёх направлениях:
Миниатюризация и интеграция — применение технологии MEMS (микроэлектромеханических систем) для изготовления микромагнитопроводов и катушек, объединение их с микросхемами обработки сигналов CMOS для реализации «чипового» уровня интеграции, что удовлетворит потребности в миниатюризации устройств потребительской электроники и носимых гаджетов;
Энергоэффективность и интеллектуализация — оптимизация возбуждающих цепей и алгоритмов демодуляции сигнала для снижения энергопотребления (например, с миллиамперного до микроамперного уровня), а также добавление функций самокалибровки и температурной компенсации для повышения устойчивости датчиков к внешним воздействиям;
Прорыв в области высококачественных материалов — разработка новых мягких магнитных материалов с более высокой магнитной проницаемостью и меньшими потерями (например, редкоземельных мягких магнитных сплавов или двумерных магнитных материалов), что позволит повысить точность и стабильность датчиков и расширить их применение в передовых областях, таких как квантовые технологии и исследование дальнего космоса.
Что касается магнитопровода, то в будущем основное внимание будет уделено балансу между высокой производительностью и низкой себестоимостью — например, за счёт совершенствования технологий производства аморфных и нанокристаллических сплавов, что позволит снизить их стоимость и способствовать более широкому применению высокоточных магнитопроводов на рынках среднего и низкого уровня, тем самым расширяя сферу использования датчиков флюксгейта.
