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許多機械和電子系統都面臨磁干擾的威脅。不法分子還可能攻擊已啟用的電子設備，如智能電表、ATM 機、賭博機/游戲機、自動售票機或電子鎖等等，意圖篡改或干擾它們，或竊取產品或服務。 本文著重介紹了智能電表，但其中的原理也適用于其他系統。智能電表在全球范圍內得到廣泛應用，它能更高效和更準確地顯示和監測用電數據。許多水表、煤氣表和電表內都含有智能電子裝置，它們能自動收集和傳輸使用數據。根據《Navigant Research》的研究 ，到 2018 年，全球每年智能電表的配送量將達 1.31 億臺。竊電行為是電力運營商和政府監管部門需要解決的首要問題。竊電者會使用磁鐵干擾智能電表，試圖使讀數歸零，或使用電量大幅減少。 據估計，每年因干擾智能電表造成的竊電損失約有 900 億美元。ii. 圖1:典型的智能電表 干擾電表常用的一種方法是使用強磁鐵破壞電表檢測耗電量的功能。 這種磁鐵通常磁性很強，而且又大又沉。此類磁鐵既能從網上購買，也可從廢棄的電子產品和電腦（電子垃圾）中獲取。當這類磁鐵靠近電表時，它們會使變流器（檢測通過電表的電流）達到磁飽和狀態。磁芯飽和將導致電表無法準確判斷通過的電流量。 對電表制造商而言，雖然很難預防在使用電表時出現的竊電行為，但它們完全能檢測干擾企圖，這樣就能及時采取應對措施，如派出工作人員或遠程禁用電表。全球各地有許多機構正在制定智能電表的規范，包括電表檢測干擾企圖的相關要求。請參閱智能電表標準側邊欄，了解更多詳情。 為確保有效運行，用于檢測干擾的磁傳感器必須具有下列特征： ·高靈敏度：雖然在系統外部放置的磁鐵可能有很強的磁性，遠離磁鐵時，它的磁場強度會急劇減弱；傳感器內部的磁場強度可能比磁鐵表面的磁場強度小得多；電表內使用的特定組件可能使施加磁場扭曲，如果傳感器的靈敏度不夠高，這會在傳感器的檢測區產生“陰影”或“孔洞”。 ·較大的動態范圍：有些磁感應技術對磁場強度有上限要求。霍爾效應技術對施加磁場沒有上限要求。 ·全極靈敏度：企圖干擾電表的壞人不會在意磁鐵的具體極性，他們會嘗試所有磁極，最后找到有效的磁極；所以傳感器在檢測磁場時，應不受磁鐵朝向的限制。 ·全向靈敏度：許多老舊的磁傳感器只能沿一個方向或平面感應磁場；由于外部磁鐵可能沿任何方向對電表外部（正面、頂部、底部或兩側）的暴露 點施加磁場，因此傳感器應在三個方向（X 軸、Y 軸和 Z 軸）具有相同的靈敏度。 通常，當我們遠離磁鐵時，它的磁場強度會急劇減弱。例如，一塊表面磁場強度為 6000G (600 mT) 的大稀土磁鐵 (50 mm x 50 mm x 50 mm) 在距其 50mm（厚度的一倍）的位置測量時，磁場強度只有約 600G (60 mT)。圖 2顯示了這種現象。與較大的磁鐵相比，較小的磁鐵具有更小的影響范圍。根據經驗，在與磁鐵厚度相等的距離測得的磁場強度只有原磁場強度的 1/10。 圖2:50 mm x 50 mm x 50 mm N45 磁鐵磁極 (mm) 的磁場強度與距離的對比 如果傳感器安裝在電表內部，在確定傳感器對外部磁鐵（放在電表外面的任何位置）的感應靈敏度時，必須考慮與電表兩側和表面的距離。 以前最常用的磁感應解決方案是霍爾效應傳感器 IC。這些 IC 能利用霍爾效應檢測磁場，霍爾效應是根據埃德溫·霍爾命名的，他在 1879 年發現，當磁場沿垂直于導電板平面的方向通過導電板時，載流導電板上會產生電勢差 。如圖 3所示，在導電板上施加電流。與導電板（電流）垂直的磁場會產生沿導電板分布的差分電壓。傳感器測量到此電壓時，說明存在外加磁場。注意，傳統的平面霍爾效應傳感器只能測量與感應導電板或表面垂直的磁場。如果是表面貼裝的 IC，導電板通常要與安裝傳感器的 PCB 的平面平行。不管傳感器的朝向/轉向如何，它只能有效感應 Z 軸方向的磁場。 有效感應 X 軸和 Y 軸磁場需要在單獨的 PCB 上另外安裝傳感器，這些傳感器不僅要互相垂直，而且要與母板或安裝的含鉛傳感器垂直，還可能進行引線成型處理，這樣就能確保霍爾板的朝向正確。這兩種方法都會增加組件數量和成本、系統復雜性和組裝成本。還可安裝大量傳統的平面霍爾傳感器，并依靠“邊緣”磁場激活它們，但這樣仍會增加系統的成本和復雜性。 人們已采用各種磁阻技術來創建磁傳感器 IC。這些傳感器通常具有平面響應能力，也就是說，它們能檢測 X-Y 軸平面內的磁場，但對 Z 軸磁場的響應能力有限。此外，超強磁場還會導致傳感器出現磁飽和，進而發生故障（動態范圍有限）。由于干擾時通常會采用強磁場，所以這是一種明顯的局限。 圖3:平面霍爾效應傳感器 霍爾效應傳感技術最近取得的突破使我們能創建符合所有干擾檢測要求的全向磁感應傳感器 IC。隨著 IC 設計和制造工藝的進步，我們現在能生產垂直霍爾傳感器（參閱圖 4）。垂直和平面傳感器以相同的物理現象為依據，但采用了不同的構建方法： 平面：沿芯片的寬度和長度方向排列；不管朝向如何，只感應 Z 軸磁場 垂直：沿芯片的深度方向從頂部向底部排列；可感應 X 軸、Y 軸或其他方向的磁場 圖4:垂直霍爾傳感器 平面霍爾元件能感應與 IC 封裝的平面垂直的磁場，而垂直霍爾元件能沿與模具平行的軸（如 X 軸或 Y 軸）感應磁場。圖 4顯示了垂直霍爾板的構建詳情。兩個垂直霍爾傳感器在單獨 IC 內與平面霍爾傳感器組合構成的磁傳感器能感應任意方向（X 軸、Y 軸和 Z 軸）的磁場，而且能經受超強磁場強度的影響。過去，這種解決方案需要使用三個獨立 IC，所需 PCB 面積最高為 56 mm2。Allegro MicroSystems 最近推出的 A1266 就是此類器件的一個實例（參閱圖 5），這種小型表面安裝 SOT-23W 封裝只需 9mm2的 PCB。A1266 還具有極高的靈敏度（工作點，BOP），所以它能在更大的面積或體積范圍內檢測干擾企圖。 表 1顯示了目前可用技術的對比。 圖5：A1266 具有適合檢測干擾的 3D 全向響應功能 表1：磁傳感器 IC 可用技術的對比 不同傳感器的響應圖清楚顯示了高靈敏度、全向、全極傳感器的優勢。下列圖表假設有一個正面尺寸最大 290mm x 165mm 的矩形電表和一塊 50mm x 50mm x 50mm 的 N45 磁鐵（參閱圖 6 和圖 7）。 圖6:假設電表尺寸和傳感器氣隙 圖7:磁鐵朝向（磁南極對電表正面） 待測試的傳感器位于電表中間的正面下方 35mm 的位置。使用自動繪圖儀使磁鐵在電表外表面的上方 10mm 沿電表正面的長度和寬度方向移動。圖 8顯示了設置繪圖儀對傳感器的響應進行繪圖。 圖8:自動繪圖儀 圖 9顯示了使用在 Z 軸方向具有最高靈敏度的傳統平面霍爾傳感器檢測磁場時，這種假設電表的繪圖結果。藍色區域是磁鐵位置，待測試的傳感器在此能檢測磁鐵的存在。當磁鐵位于傳感器正上方時，傳感器很容易就能檢測到它。當磁鐵沿 X-Y 軸平面移動時，氣隙增大，磁場方向不再沿靈敏度最高的軸 (Z) 分布。但傳感器能在 148mm x 148mm 的區域內檢測磁鐵。 圖9:采用 1D 平面霍爾傳感器的干擾覆蓋范圍 (43%)（藍色表示檢測區域） 圖 10顯示了使用由 2 個垂直霍爾元件和 1 個平面霍爾感應元件組成的單個 IC 封裝全向 (3D) 霍爾傳感器檢測磁場時，相同的假設電表的繪圖結果。藍色區域是磁鐵位置，待測試的傳感器在此能檢測磁鐵的存在。當磁鐵位于傳感器正上方時，傳感器很容易就能檢測到它。當磁鐵在 X-Y 軸平面內移動時，氣隙增大，但由于磁鐵偏離軸，所以影響減弱。在此情況下，傳感器能在接近假設電表整個表面的更大范圍（約覆蓋區域的 280mm x 165 mm）內檢測磁鐵。 圖10:采用 3D 霍爾傳感器的干擾覆蓋范圍 (92%)（藍色表示檢測區域） 無論在哪種情況下，都可使用多個傳感器覆蓋更大的面積或體積范圍。但需要很少的 3D 傳感器覆蓋較大的面積/體積范圍。在顯示的實例中，磁鐵的朝向有利于被傳統的平面霍爾 (1D) 傳感器檢測到。當磁鐵的朝向改變或正對電表側面時，圖 9顯示的性能會下降。 這體現了 3D 傳感器的另一個優勢，即它能檢測在電表外部隨機施加的磁場。如果是更小的電表，如常見的單相家用電表，使用單個 3D 傳感器 IC 就足以覆蓋整個電表。像 Allegro MicroSystems, LLC 推出的 A1266 這種將平面和垂直霍爾元件融為一體的器件能在較大的面積/體積范圍內檢測磁場干擾，而且完全不受磁鐵朝向的影響。這不僅極大簡化了系統設計，而且還允許使用數量最少的傳感器，進行最靈敏的干擾檢測。 智能電表標準 全球各地有許多機構正在制定智能電表的標準和規范。這些標準中對電表檢測干擾的要求越來越多。這些機構有些是政府組織，有些是專門成立的行業團體。獨立電力運營商也能為其購買和部署的電表制定相應的標準。當涉及磁干擾時，不同標準關于具體規范和檢測方法的細節可能千差萬別。表 2 列出了為智能電表制定標準的一些機構。 表2：行業標準 |
