GMR傳感器的電流測量影響因素的研究

劉靜 劉瑞敏 沈鑫 陳先富 張少泉

摘要：近年來隨著磁電子器件的快速發(fā)展，基于巨磁電阻（giant magneto resistive，GMR）效應(yīng)的傳感器則為智能電網(wǎng)的在線電流監(jiān)測提供了一種新的選擇。對于光伏發(fā)電系統(tǒng)，電流的精確檢測是光伏發(fā)電系統(tǒng)得以可靠和高效運(yùn)行的基礎(chǔ)，高性能的電流傳感器的研發(fā)，對提高光伏發(fā)電系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用有重要意義。但巨磁電阻的性能受外界環(huán)境的影響較大，因此會使測量產(chǎn)生一定的誤差，本文主要針對非線性誤差，磁滯，零漂和溫漂對國內(nèi)外所提出了各種溫度補(bǔ)償方案進(jìn)行分析，這些方案當(dāng)中包括使用硬件電路和通過算法的校正，以及采用閉環(huán)磁補(bǔ)償結(jié)構(gòu)改善了磁性材料的磁滯效應(yīng)引入的誤差，提高巨磁電阻傳感器的線性度及靈敏度。

關(guān)鍵詞：巨磁電阻，電流測量，溫度補(bǔ)償，磁滯，誤差

中圖分類號：TP216 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A DOI：10.3969/j.issn.l003-6970.2017.08.032

引言

1986年德國P.Grunberg采用納米技術(shù)對Fe/Cr/Fe3層膜結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，在兩鐵磁層之間存在反鐵磁耦合作用。1988年法國A.Fert的研究小組將Fe和Cr交替制成多層超晶格薄膜，發(fā)現(xiàn)了外部磁場可以使材料的電阻變化率十分明顯，艮P：巨磁電阻（giant magneto resistance，簡稱GMR）

效應(yīng)。GMR效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)致了新的自旋電子學(xué)的創(chuàng)立。目前，GMR傳感器已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用[34]，基于GMR效應(yīng)的相關(guān)物理實(shí)驗(yàn)也在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中得到開展[54]。但不同方向外磁場以及環(huán)境溫度對GMR器件的特性影響報道不多，GMR傳感器測量電流時，為了使測量效果最佳有時需要加磁偏置，磁偏置的選取也十分重要。過去的20年里，GMR電流傳感器的研究主要集中在材料設(shè)計(jì)、電橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及性能研究上。對于光伏發(fā)電系統(tǒng)，電流的精確檢測是光伏發(fā)電系統(tǒng)得以可罪和尚效運(yùn)行的基礎(chǔ)，高性能的電流傳感器的研發(fā)，對提高光伏發(fā)電系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用有重要意義。

智能電網(wǎng)最需要檢測的關(guān)鍵量是電網(wǎng)各關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)以及所有設(shè)備的電壓和電流實(shí)時信息，通過監(jiān)測得到的電壓和電流也可以得到整個系統(tǒng)的功率信息。GMR電流傳感器適合于智能電網(wǎng)的分布式測量和數(shù)據(jù)采集，借助先進(jìn)的通信手段，能夠?qū)崿F(xiàn)智能電網(wǎng)的分布式實(shí)時監(jiān)測。并且對GMR的動態(tài)性能進(jìn)行了測試與分析，各種分析與測試結(jié)果表明將巨磁電阻傳感器應(yīng)用于電力系統(tǒng)中交流大電流的測量是有可能的。但由于GMR電流傳感器存在的磁滯，非線性誤差以及溫漂和零漂帶來的測量，并且巨磁阻電流傳感器對外界磁場比較敏感，使得在具體的測量當(dāng)中到不到所要求的高精度，為此國內(nèi)外提出了很多改善性能的方案。

1 GMR傳感器件

任何一種具有磁性非磁性材料中不同自旋方向的電子的散射強(qiáng)度不同產(chǎn)生的材料都有可能產(chǎn)生GMR效應(yīng)。目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)并得到大量實(shí)際應(yīng)用的材料主要有多層膜結(jié)構(gòu)、自旋閥結(jié)構(gòu)、顆粒膜結(jié)構(gòu)和隧道結(jié)結(jié)構(gòu)四種結(jié)構(gòu)。它們的性能對比如表1所示：

GMR電流傳感器按照測量原理，GMR電流傳感器可分為開環(huán)傳感器和閉環(huán)傳感器。相比于開環(huán)傳感器，閉環(huán)傳感器利用磁場反饋方法改善了傳感器的線性度，并增寬動態(tài)測量范圍。然而，集成反饋線圈的方法會使器件能耗大量增加，并使器件工藝更加復(fù)雜[27，28]。

2 溫度特性分析及校正研究

2.1 硬件補(bǔ)償

巨磁電阻效應(yīng)器件是一種磁敏器件，對溫度具有一定的敏感性。在電壓源供電的情況下，巨磁電《軟件》雜志歡迎推薦投稿：cosoft@vip.163.com

阻效應(yīng)器件隨著溫度上升，輸出響應(yīng)逐漸衰減，對巨磁電阻效應(yīng)器件的測量性能有很大影響，因此必須對巨磁電阻效應(yīng)器件采取相應(yīng)的溫度補(bǔ)償。橋式電路具有的優(yōu)良的自補(bǔ)償特性，因此GMR傳感器的敏感結(jié)構(gòu)采用惠斯通電橋結(jié)構(gòu)。由于四個巨磁電阻由相同的材料制成，所以性能基本相同，誤差較小。巨磁電阻芯片有兩種，一種是單極性芯片，一種是雙極性芯片，內(nèi)部雖然都是惠斯登電橋結(jié)構(gòu)，但是所用的巨磁電阻材料以及屏蔽方式有所不同。

通常構(gòu)造成如圖1所示的惠斯登電橋結(jié)構(gòu)來進(jìn)行測量和設(shè)計(jì)傳感頭，可用NVE公司的巨磁電阻傳感器，該結(jié)構(gòu)有助于提高傳感器的輸出靈敏度。參考文獻(xiàn)自制了GMR元件構(gòu)建了一個惠斯通電橋GMR傳感器，提高傳感器輸出信號的靈敏度，當(dāng)無外磁場時電橋處于平衡狀態(tài)，輸出電壓信號為零。

但自制的GMR芯片有一定的磁滯，每次測量時都需要對其進(jìn)行消磁處理。

基于巨磁電阻電流傳感器的輸出響應(yīng)與供給電源的電壓成正比的原理，利用一個對溫度敏感的電壓源給巨磁電阻效應(yīng)電流傳感器進(jìn)行供電，提供相應(yīng)的溫度補(bǔ)償，改善了巨磁電阻效應(yīng)電流傳感器的溫度特性，同時也提高了巨磁電阻效應(yīng)電流傳感器的測量精度。溫度補(bǔ)償器具有成本低、結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，顯著提高了巨磁電阻效應(yīng)電流傳感器的精度。溫度補(bǔ)償器的結(jié)構(gòu)如圖所示，選用高精度、低失調(diào)電壓溫漂的單運(yùn)放儀用放大器OP07。

通過輸出電壓V0對巨磁電阻進(jìn)行供電，引腳4與引腳7分別作為放大器的正、負(fù)電源引腳，在電源與地之間加入去耦電容的主要作用是濾除OP07芯片自身的高頻噪聲，通過隔離供電回路切斷噪聲傳播；防止電源噪聲對芯片產(chǎn)生干擾；起到蓄能電容的作用。當(dāng)溫度變化時，供電電壓會隨著常值電阻A與溫變電阻孕的變化發(fā)生波動，電壓放大倍數(shù)Au為：

2.2 軟件補(bǔ)償

參考文獻(xiàn)采用最小二乘法和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)兩種方法來對巨磁阻傳感器的零點(diǎn)溫漂進(jìn)行補(bǔ)償。通過最小二乘算法補(bǔ)償后，巨磁阻傳感器的零點(diǎn)溫漂誤差由補(bǔ)償前的18.36%降至4.73%；通過BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法補(bǔ)償后，巨磁阻傳感器的零點(diǎn)溫漂誤差由補(bǔ)償前的18.36%降至0.56%。所以將BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)補(bǔ)償算法應(yīng)用于系統(tǒng)中巨磁阻傳感器的零點(diǎn)溫漂補(bǔ)償能夠取得更為理想的補(bǔ)償效果。文獻(xiàn)采用NVE公司的AAH002-02巨磁阻元件進(jìn)行了信號調(diào)理以及溫度特性測試，運(yùn)用微粒群補(bǔ)償算法和最小二乘法對溫度特性進(jìn)行了處理。結(jié)果顯示兩種方法都使得傳感器滿量程相對誤差提高了一個數(shù)量級，但與二次最小二乘法補(bǔ)償相比，微粒群算法比最小二乘法具有更好的溫度補(bǔ)償效果，但也存在計(jì)算步驟復(fù)雜且優(yōu)化時間長等問題。

3 磁滯現(xiàn)象引起的誤差

磁滯現(xiàn)象普遍存在于磁性材料中，所謂磁滯是指當(dāng)磁體達(dá)到磁飽和狀態(tài)后，如果減小磁場，磁體的磁感應(yīng)強(qiáng)度B（或磁化強(qiáng)度M）并不沿著起始磁化曲線減小，B（或M）的變化落后于H的變化。一般來說，磁性材料的磁感應(yīng)強(qiáng)度B并不是磁場強(qiáng)度H的單值函數(shù)同時依賴于材料本身經(jīng)歷的磁狀態(tài)的歷史。

巨磁電阻及磁導(dǎo)環(huán)均屬與磁性材料范疇，因此磁滯現(xiàn)象的存在將對傳感器的精度有較大影響。參考文獻(xiàn)[33]提出當(dāng)聚磁環(huán)磁芯、GMR芯片以及反饋繞組共同作為探頭，組成閉環(huán)系統(tǒng)時，傳感器受磁滯現(xiàn)象的影響最小。采用閉環(huán)系統(tǒng)可以降低由磁滯現(xiàn)象引起的誤差，保證了傳感器的測量精度與線性度。

如圖所示，C為聚磁環(huán)磁芯，IP為原邊電流（被測電流），Ie為反饋電流，WP為原邊繞組，匝數(shù)為N：，通常為一匝，We為反饋繞組，匝數(shù)為N2，IP在磁芯中產(chǎn)生的磁通為中P，Ie在磁芯中產(chǎn)生的磁通為中P。

聚磁環(huán)C將原邊電流Ip所產(chǎn)生的磁場進(jìn)行聚集之后，作用于巨磁電阻芯片（GMR），當(dāng)芯片感受到磁場的作用之后，將會有電壓信號輸出。由于反饋線圈產(chǎn)生的磁場與原邊電流產(chǎn)生的磁場方向相反，因而減弱了原邊磁場，使巨磁電阻芯片輸出逐漸減小，反饋電流也相應(yīng)減小，當(dāng)原次級線圈產(chǎn)生的磁場大小相等時，反饋電流不再減小，達(dá)到零磁通狀態(tài)，即： 被測電流發(fā)生任何變化都會破壞這一平衡，當(dāng)磁場失去平衡，巨磁電阻芯片就會有電壓信號輸出。此電壓信號經(jīng)過放大、功率放大處理之后，就會立即產(chǎn)生相應(yīng)的反饋電流，反饋電流過反饋繞組對失衡的磁場進(jìn)行補(bǔ)償。該平衡過程所需的時間小于，因此該傳感器具有較快的響應(yīng)速度。電流傳感器的輸出電壓。可以表示為：

輸出電壓僅與主、次線圈的匝數(shù)比有關(guān)，不受芯片的非線性、聚磁環(huán)磁芯的非線性以及溫度對芯片的影響。

4 其他影響因素

對于光伏系統(tǒng)，GMR電流傳感器對外界雜散磁場很敏感，因此不適合采用GMR流量傳感器，參考文獻(xiàn)提出了采用磁通門傳感器，但磁通門傳感器的信號處理電路比較繁瑣，主要用于直流弱磁場的測量。巨磁阻電流傳感器具有高帶寬、高靈敏度、低功耗、可靠性高和體積小等優(yōu)點(diǎn)，達(dá)到了電流傳感器未來發(fā)展趨勢的要求。針對外磁場的干擾，可以采用磁屏蔽技術(shù)，磁屏蔽是用來隔離磁場耦合的措施，是利用磁通沿低磁阻路徑流通的原理來改變外界雜散磁場的方向，從而使磁力線聚集于屏蔽體內(nèi)。

由于巨磁阻芯片為磁性元件，存在磁滯現(xiàn)象和飽和現(xiàn)象。當(dāng)被測磁場超過某個值時，巨磁阻芯片達(dá)到飽和，輸出不再增加。當(dāng)被測磁場較弱且在正負(fù)過零點(diǎn)間變化時，由于巨磁電阻相鄰鐵磁層間較弱的耦合作用，使得巨磁阻芯片表現(xiàn)出明顯的磁滯效應(yīng)。并且所用的巨磁阻芯片為單極性輸出特性，當(dāng)測量交流電流時，輸出的波形容易失真，從而引起較大的輸出誤差。因此需要設(shè)計(jì)獨(dú)特的偏置磁場結(jié)構(gòu)，通過磁場的疊加使得作用于GMR芯片的磁場全部提高到線性區(qū)。文獻(xiàn)參考文獻(xiàn)對直流GMR電流互感器可能遇到的電磁干擾進(jìn)行了電磁兼容性設(shè)計(jì)。采用AD592溫度傳感器設(shè)計(jì)溫度補(bǔ)償電路，以及采用抗干擾設(shè)計(jì)，包括PCB板的抗干擾設(shè)計(jì)和屏蔽、接地、瞬態(tài)抑制、電源的抗干擾設(shè)計(jì)等措施。利用多項(xiàng)式擬合的方法改善巨磁電阻傳感器的線性度指標(biāo)，從而實(shí)現(xiàn)自校準(zhǔn)算法。參考文獻(xiàn)基于巨磁電阻（GMR）自旋閥的實(shí)驗(yàn)平臺，設(shè)計(jì)了一種用于線性校正用途的模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（FNN），并以此構(gòu)建了智能GMR磁傳感器系統(tǒng)，討論了單芯片系統(tǒng)（SOC）實(shí)現(xiàn)該智能GMR磁傳感器的可行性。參考文獻(xiàn)利用Labhew的虛擬儀器技術(shù)，設(shè)計(jì)完成了一套具有GMR效應(yīng)的H-R曲線虛擬儀器測試系統(tǒng)，該系統(tǒng)的測量精度高、速度快、測試界面直觀、友好。

5 結(jié)語

巨磁阻傳感器可以利用巨磁電阻效應(yīng)檢測電流產(chǎn)生的感應(yīng)磁場大小，它具有體積小、靈敏度高、線性度好、響應(yīng)頻率高、抗惡劣環(huán)境、成本低等優(yōu)點(diǎn)，在電流檢測方面顯示出極大的應(yīng)用前景。直流用巨磁電阻電流互感器和測量母線電流用傳感器方面仍有很多研究的地方。同時隨著電力電子技術(shù)的飛快發(fā)展和電力系統(tǒng)的需求的不斷增長，區(qū)域電網(wǎng)的互聯(lián)和發(fā)展以及智能電網(wǎng)的集成化已經(jīng)成為必然的趨勢。因此未來電流傳感器的發(fā)展趨勢是能實(shí)現(xiàn)對電流的實(shí)時精確檢測，包括對直流、交流、脈動直流及漏電流的測量。