開環(huán)式GMR傳感器電流測量實(shí)驗(yàn)研究

董向成，周 玲，朱實(shí)強(qiáng)

(蘭州城市學(xué)院 培黎石油工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070)

電流精確實(shí)時測量是物理量測量的重要內(nèi)容，電流測量可分為直接測量和間接測量，直接測量方法是基于歐姆定律的分流原理設(shè)計(jì)的，間接測量是基于安培環(huán)路定理的電磁轉(zhuǎn)換原理設(shè)計(jì)的[1]. 分流器接入電路會帶來損耗、電氣絕緣等問題，為克服上述問題，間接測量方法的研究近年得到快速發(fā)展，其中巨磁電阻(GMR) 電流傳感器由于測量范圍寬、靈敏度高、體積小、成本低、可集成等優(yōu)點(diǎn)逐漸成為電流監(jiān)測的有效手段[2].

本文以巨磁電阻搭建的惠斯通電橋做為電流傳感器，以開環(huán)結(jié)構(gòu)的方法對電流測量過程中存在的影響電流測量精度的因素進(jìn)行分析[3]，依據(jù)實(shí)驗(yàn)室提供的電壓測量范圍，將電流測量控制在mA～A級別，從傳感器線性度、周圍磁性材料對傳感器的影響、截流導(dǎo)線與傳感器的間距等方面對電流測量誤差進(jìn)行分析.

1 實(shí)驗(yàn)原理及設(shè)備

1.1 巨磁電阻傳感器原理

固體導(dǎo)電機(jī)制認(rèn)為，導(dǎo)體中的電子做為載流子，其定向運(yùn)動形成電流，電子在外電場作用下做定向運(yùn)動并受到固體晶格原子的散射，散射使定向運(yùn)動減弱導(dǎo)致導(dǎo)體電阻率增加. 現(xiàn)代磁電子學(xué)認(rèn)為，自旋向上和自旋向下的電子分別獨(dú)立地承載電流，當(dāng)電子自旋磁矩方向與所通過鐵磁層磁矩方向相同，所受到的散射較小，容易通過該磁層，對外表現(xiàn)為電阻率降低；當(dāng)電子自旋磁矩方向與鐵磁層磁矩方向反平行時，所受到的散射較大，對外表現(xiàn)為電阻率升高. 若以磁矩互為反平行的鐵磁層間隔以非磁性隔離層制成多層二維膜，零外磁場條件下，電子通過該多層膜時受到的散射較大，當(dāng)有外磁場作用時，反平行磁矩受磁化趨于一致，則與該磁矩方向平行的自旋電子受到的散射較小，表現(xiàn)為多層膜的電阻率減小，這種現(xiàn)象被稱為巨磁電阻效應(yīng)(GiantMagneto-resistance,GMR)[4-5].

以巨磁電阻制成惠斯通電橋，4個電阻構(gòu)成平面與電阻多層膜膜面相同，其中2個電阻進(jìn)行磁屏蔽，另2個電阻在電流磁場的作用下電阻發(fā)生變化，從而改變電橋輸出電壓達(dá)到電流測量的目的. 電流傳感器的測量結(jié)果受電橋工作電壓大小、電橋輸出電壓測量精度、載流導(dǎo)線到傳感器的距離及角度、環(huán)境磁場干擾等因素的影響，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)選擇恰當(dāng)輸出電壓量程，可達(dá)到μA～A級別電流測量.

1.2 非接觸式電流測量原理

將帶電直導(dǎo)線放置于GMR電流傳感器二維膜面上方，電流磁場的變化引起電橋磁敏電阻變化，以電橋輸出電壓的形式實(shí)現(xiàn)電流的測量，這種方式稱為開環(huán)結(jié)構(gòu)；另一種方式是讓被測電流垂直穿過有鐵芯的螺繞環(huán)中，將GMR傳感器嵌入鐵芯開口氣隙中，通過磁通的變化完成電流的測量，稱為閉環(huán)結(jié)構(gòu). 由于開環(huán)結(jié)構(gòu)具有集成度低、易于操作等優(yōu)勢，故本文采用開環(huán)結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)驗(yàn).

非接觸式電流測量是以電流周圍存在的磁場測量為基礎(chǔ)，有必要對電流與周圍磁場的關(guān)系進(jìn)行分析.

由畢奧-薩伐爾定律得到真空中電流元在場點(diǎn)P產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度為

(1)

其中I為導(dǎo)線上的電流強(qiáng)度，r為電流元到場點(diǎn)P的距離. 對于長直線導(dǎo)線，由右手定則可得，所有電流元在P點(diǎn)所產(chǎn)生的磁感強(qiáng)度方向一致，對(1)式進(jìn)行積分可得到

(2)

其中θ1和θ2分別為直導(dǎo)線到P點(diǎn)的連線與直導(dǎo)線的夾角，將導(dǎo)線靠近傳感器時，長直導(dǎo)線可視為無限長導(dǎo)線，則(2)式化為

(3)

磁感強(qiáng)度的方向沿以直導(dǎo)線為中心的同心環(huán)的切向，大小與電流強(qiáng)度成正比，與距離成反比，與所處的磁介質(zhì)成正比.

由電橋電路分析可得，電橋輸出電壓為

(4)

其中，Ucc為電橋工作電壓，R為電橋上2個受磁屏蔽電阻的阻值，ΔR為外磁場作用下電橋變化的電阻，與直接使用巨磁電阻測量電流的方法相比，電橋結(jié)構(gòu)中的電流傳感器體積更小，靈敏度更高，更穩(wěn)定[6].

2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及結(jié)果

2.1 傳感器線性擬合度測量

將數(shù)字毫安表接入電路作為待測電流標(biāo)準(zhǔn)值，使載流直導(dǎo)線靠近傳感器，并使其產(chǎn)生的磁場的方向與傳感器敏感軸的方向一致，由于導(dǎo)線上通過的電流較小，產(chǎn)生的磁場很弱，會受到地磁場的影響，應(yīng)調(diào)整地磁場的方向與傳感器非敏感軸一致，以減小地磁場影響；使測量裝置遠(yuǎn)離磁性測量設(shè)備，如磁電式電表，以減小環(huán)境磁場對測量影響；實(shí)驗(yàn)開始前使用亥姆霍茲線圈產(chǎn)生的磁場對傳感器磁敏電阻單向極化，以減小磁滯的影響[7-8]. 輸出端采用毫伏表測量輸出電壓，當(dāng)導(dǎo)線磁場較弱時，選用量程更小的電壓表；用2個游標(biāo)卡尺固定導(dǎo)線并測量其位置及位置變化.

按照上述要求調(diào)整設(shè)備，使零電流條件下輸出電壓為零；設(shè)置載流直導(dǎo)線到傳感器磁敏電阻二維膜面的距離為2.5 mm，電橋工作電壓(Ucc)為5 V，毫伏表量程為3 mV，改變待測電流，記錄待測電流(I0)及輸出電壓(Uout)的值，并利用(3)式計(jì)算電流磁場的理論值(Bthe)，列入表1.

表1 電流磁場理論結(jié)果與擬合結(jié)果

將表1中的數(shù)據(jù)以輸出電壓Uout為自變量，導(dǎo)線電流I0、導(dǎo)線磁場理論值Bthe為因變量進(jìn)行直線擬合，擬合結(jié)果如圖1～2所示.

圖1 待測電流與輸出電壓的關(guān)系

圖2 磁場理論值與輸出電壓的關(guān)系

從圖1～2中可看出，直線擬合優(yōu)度均大于0.999，增加測量點(diǎn)數(shù)至20個時，待測電流強(qiáng)度增加到800 mA時直線擬合優(yōu)度仍大于0.999，可見恰當(dāng)設(shè)置測量條件，巨磁阻電橋電流傳感器線性度很高[9].

2.2 待測電流到傳感器距離對測量結(jié)果的影響

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，被測電流到傳感器的距離會對測量結(jié)果產(chǎn)生影響，測量距離過小和過大都會導(dǎo)致測量結(jié)果變差. 使用直徑約為1.2 mm銅導(dǎo)線，通以I01=0.35 A和I02=0.70 A電流，對應(yīng)的輸出電壓分別用Uout1和Uout2表示. 直流載流導(dǎo)線到傳感器的初始距離Z=2.50 mm，Z值每增加5.00 mm記錄1次輸出電壓，2組電流對應(yīng)的輸出電壓之比用Uout1/Uout2表示，由表2可看出比值在Z>27.50 mm時，偏離正比關(guān)系，認(rèn)為測量結(jié)果出現(xiàn)較大偏差. 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)列于表2中.

表2 不同I0到傳感器距離對Uout的影響

利用表2中的數(shù)據(jù)，繪制Uout和導(dǎo)線到傳感器距離Z的關(guān)系，如圖3所示.

圖3 待測電流到傳感器距離對輸出電壓的影響

由圖3可知，曲線呈反比，可用式(2)解釋該現(xiàn)象：由于帶電直導(dǎo)線到傳感器距離發(fā)生變化，輸出電壓與電流的線性關(guān)系系數(shù)發(fā)生變化使反比曲線關(guān)系并不嚴(yán)格. 導(dǎo)線位置不變，改變導(dǎo)線方向，當(dāng)電流磁場方向與傳感器非敏感軸一致時，輸出電壓最小，測量發(fā)現(xiàn)敏感軸電壓輸出是同條件下非敏感軸輸出電壓的10～20倍，與閉環(huán)結(jié)構(gòu)相似[10]，傳感器安裝角度對測量靈敏度有影響.

2.3 環(huán)境磁場對測量結(jié)果的影響

電流測量環(huán)境中不可避免存在鐵磁性物質(zhì)、地磁、其他電流產(chǎn)生的磁場，會在傳感器磁敏電阻的磁性薄膜內(nèi)產(chǎn)生磁滯，使測量結(jié)果產(chǎn)生較大的誤差[11]，傳感器在測量前進(jìn)行單向磁化可減小這一問題. 環(huán)境磁場也可通過加外場的方式進(jìn)行抵消，達(dá)到輸出電流調(diào)零的目的.

為分析周圍磁場的影響，使用磁電式電表(內(nèi)含磁鐵)作為環(huán)境磁場，沿傳感器敏感軸和非敏感軸移動，測量輸出電壓，數(shù)據(jù)記錄在表3中，其中X為磁鐵到傳感器的距離，Uout∥和Uout2⊥分別為沿敏感軸和非敏感軸輸出電壓. 可看出磁電式電表對測量結(jié)果影響較大，當(dāng)距離在20 cm以上時，測量誤差才會明顯降低，其趨勢線如圖4所示.

表3 不同方位磁性物質(zhì)對Uout的影響

圖4 環(huán)境磁場對測量結(jié)果的影響

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，移開磁體后，零磁場電橋輸出電壓仍不為零，是由于環(huán)境磁場對磁敏電阻磁化所致，在重新測量前必須進(jìn)行單向磁化，或使用外加磁場的方式補(bǔ)償測量過程中產(chǎn)生的磁滯.

3 結(jié)束語

線性度和磁滯是影響GMR電流傳感器測量靈敏度和誤差的重要因素，調(diào)整電流與傳感器的距離、電流與傳感器敏感軸的夾角、電流與磁敏電阻二維膜面的夾角都會對其線性度產(chǎn)生影響，通過調(diào)節(jié)，電流強(qiáng)度在20～800 mA范圍內(nèi)，20個以上測量點(diǎn)數(shù)的條件下，其直線擬合優(yōu)度在0.999以上，證明在恰當(dāng)?shù)臏y量條件下，利用GMR電流傳感器測量電流強(qiáng)度精高較高. 由于傳感器電橋中的磁敏電阻受到周圍磁場的影響產(chǎn)生磁滯，零測量條件下環(huán)境磁場對測量結(jié)果會造成重要影響，如磁電式測量電表會對傳感器磁敏電阻產(chǎn)生磁化，使電壓輸出不能歸零，單向磁化可改善這一問題，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，也可通過增加外磁場的方式對磁滯進(jìn)行補(bǔ)償來提高測量精度.

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