巨磁電阻電流傳感器空間位置特性調(diào)控與校正*

王興隆， 劉瑞敏， 仝 杰， 楊志勇, 楊燕平， 劉 靜

(1.昆明理工大學(xué) 信息工程與自動(dòng)化學(xué)院，云南 昆明 650500；2.中國(guó)電力科學(xué)研究院 信息通信研究所，北京 100192)

0 引 言

隨著智能電網(wǎng)的建設(shè)與發(fā)展，電網(wǎng)各關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)和設(shè)備狀態(tài)的精確測(cè)量變得十分重要。高效精確的傳感及測(cè)量技術(shù)是實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)監(jiān)測(cè)、控制、分析和決策的基礎(chǔ)，也是智能電網(wǎng)發(fā)展的關(guān)鍵。近年來(lái),隨著電磁測(cè)量技術(shù)的發(fā)展，基于巨磁電阻(giant magnetoresistance,GMR)效應(yīng)的傳感器也為智能電網(wǎng)在線(xiàn)電流監(jiān)測(cè)提供了一種全新的方法。相比于電流互感器、分流器、羅氏線(xiàn)圈、霍爾傳感器及磁通門(mén)傳感器等常見(jiàn)測(cè)量方法，GMR傳感器具有體積小、價(jià)格低、頻帶寬、靈敏度高、線(xiàn)性度強(qiáng)及溫度系數(shù)低等優(yōu)點(diǎn)[1,2]。因此,GMR電流傳感器必將成為電流傳感量測(cè)發(fā)展的新趨勢(shì)。

本文針對(duì)傳感器使用過(guò)程中的位置不確定性進(jìn)行了分析及校正，測(cè)量誤差減小一個(gè)數(shù)量級(jí)以上，極大地提高了傳感器測(cè)量精度，簡(jiǎn)化量測(cè)步驟。

1 GMR電流傳感器

利用磁電阻(magnetoresistance，MR)比表征磁電阻效應(yīng)，定義為

(1)

式中RH(ρH)為外磁場(chǎng)強(qiáng)度為H時(shí)磁性材料的電阻(率)；R0(ρ0)為外磁場(chǎng)強(qiáng)度為0Oe時(shí)磁性材料的電阻(率)[1]。

1.1 GMR效應(yīng)

GMR效應(yīng)可結(jié)合N.F,Mott的二流體(two current)模型及自旋電子學(xué)進(jìn)行描述[3～6]，如圖1所示。

圖1 巨磁電阻效應(yīng)二流體模型

磁性材料上產(chǎn)生GMR效應(yīng)至少滿(mǎn)足3項(xiàng)條件：1)在外場(chǎng)強(qiáng)度為零時(shí)，金屬層與隔離非金屬層構(gòu)成反平行自旋結(jié)構(gòu)；2)各層薄膜厚度應(yīng)小于電子平均自由程；3)自旋方向相反的兩種電子，在磁性原子的散射差必須很大。因此，并非所有薄膜材料均具備巨磁效應(yīng)[7]。

1.2 GMR電流傳感器工作原理

GMR傳感器敏感結(jié)構(gòu)如圖2所示。通過(guò)畢奧—薩伐爾定律可知，無(wú)限長(zhǎng)直通電導(dǎo)線(xiàn)周?chē)嬖诖艌?chǎng)，磁感應(yīng)強(qiáng)度為B=μ0I/(2πD)，與激勵(lì)電流強(qiáng)度I成正比，與距載流體垂直距離D成反比。將GMR元件的敏感軸向垂直于電流流向，可得到GMR阻值與電流變化的對(duì)應(yīng)關(guān)系，實(shí)現(xiàn)電流量測(cè)功能[8]。

圖2 敏感結(jié)構(gòu)示意

1.3 GMR傳感器常見(jiàn)結(jié)構(gòu)

GMR分離式電流傳感器通過(guò)將GMR元件放置于載流體周?chē)ㄟ^(guò)感應(yīng)磁場(chǎng)強(qiáng)度變化以阻值變化的形式完成電流的測(cè)量。根據(jù)結(jié)構(gòu)差異，GMR電流傳感器分為開(kāi)環(huán)結(jié)構(gòu)與閉環(huán)結(jié)構(gòu)。如圖3所示。

圖3 GMR傳感器結(jié)構(gòu)

開(kāi)環(huán)結(jié)構(gòu)GMR直接通過(guò)測(cè)量長(zhǎng)直導(dǎo)線(xiàn)上電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)測(cè)量電流，利用電橋結(jié)構(gòu)將電阻的變化以電壓形式輸出，輸出與被測(cè)電流成正比，實(shí)現(xiàn)電流信號(hào)的量測(cè)功能。

閉環(huán)結(jié)構(gòu)相比于開(kāi)環(huán)增加了一個(gè)由運(yùn)放和反饋線(xiàn)圈組成的反饋回路，將GMR敏感單元嵌入環(huán)形鐵芯開(kāi)口氣隙中，被測(cè)電流I產(chǎn)生的磁通φ集中穿過(guò)GMR元件產(chǎn)生感應(yīng)電流I0，通過(guò)放大輸送至磁芯的補(bǔ)償線(xiàn)圈產(chǎn)生磁通φ0，當(dāng)磁通φ0完全補(bǔ)償被測(cè)電流產(chǎn)生的磁通φ時(shí)，通過(guò)測(cè)量取樣電阻R產(chǎn)生的Uout得到被測(cè)電流I。利用反饋形式可有效提高傳感器輸出線(xiàn)性度、精度及帶寬，增大動(dòng)態(tài)測(cè)量范圍，較高的回路增益還可以有效降低器件誤差對(duì)測(cè)試性能的影響。

2 位置不確定性特性研究

在電力系統(tǒng)實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中，由于安裝及外界環(huán)境變化等因素?zé)o法達(dá)到理想情況下傳感器與被測(cè)電流的相對(duì)位置，因此,對(duì)傳感器位置不確定性的研究至關(guān)重要。

2.1 位置不確定性對(duì)器件的影響

考慮到GMR傳感器的線(xiàn)性特性，多采用單軸形式設(shè)計(jì)傳感器敏感單元，即在空間中僅針對(duì)來(lái)自一個(gè)方向上的磁場(chǎng)變化敏感。

以采用多靶磁控濺射系統(tǒng)及退火工藝為基礎(chǔ)的多層膜結(jié)構(gòu)材料為例，分別對(duì)多層膜結(jié)構(gòu)材料的X,Y,Z軸向的傳感特性進(jìn)行研究。其中定義X軸為敏感軸方向，Y軸為多層膜電阻平面內(nèi)垂直于敏感軸的方向，Z軸則垂直于多層膜電阻平面。在外磁強(qiáng)度為-60～60Oe的范圍內(nèi)分別測(cè)量3個(gè)軸向的靈敏度。

由圖4和表1實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知：X軸的靈敏度遠(yuǎn)大于其他兩個(gè)軸向的靈敏度，幅度約為Y，Z軸的20倍。X軸向上的線(xiàn)性范圍最小40Oe，當(dāng)X軸向方向的信號(hào)強(qiáng)度進(jìn)入飽和區(qū)時(shí)，Y,Z軸向上仍處于線(xiàn)性工作區(qū)。不同于敏感軸上輸出的明顯變化，外磁場(chǎng)在不敏感軸產(chǎn)生的干擾信號(hào)對(duì)傳感器輸出影響幾乎為零。由于地磁場(chǎng)或?qū)嶒?yàn)過(guò)程中干擾磁場(chǎng)的影響，在傳感特性曲線(xiàn)上存在不同程度上的直流偏置。

圖4 GMR傳感器各軸向傳感特性

方向靈敏度/(mV/VOe)偏磁/OeX軸3.1675.294Y軸0.1450.000Z軸0.1079.264

位置不確定傳感特性指GMR傳感器在同一磁場(chǎng)環(huán)境中，不同方向與位置下的傳感特性。GMR傳感元件采用單軸形式設(shè)計(jì)，因此,不敏感軸向的磁場(chǎng)可以忽略不計(jì)，對(duì)磁場(chǎng)進(jìn)行正交分解后，計(jì)算敏感軸向的磁場(chǎng)即可。

2.2 傳感器敏感度特性調(diào)控

在無(wú)磁環(huán)情況下，由畢奧—薩伐定律可知，傳感器敏感軸方向磁場(chǎng)為

(2)

由安培環(huán)路定律及磁通連續(xù)原理可得磁環(huán)開(kāi)口氣隙處磁場(chǎng)強(qiáng)度

(3)

兩者相比

(4)

磁環(huán)能顯著放大被測(cè)電流磁場(chǎng)強(qiáng)度，傳感器靈敏度可提高約31.4倍。通過(guò)Ansoft Maxwell仿真計(jì)算，氣隙中心1 mm2和磁環(huán)中心1 mm寬的環(huán)帶磁場(chǎng)分布如圖5、表2。磁環(huán)對(duì)被測(cè)電流的磁場(chǎng)放大倍數(shù)約為30倍，相對(duì)理論值較小，這是由于磁環(huán)端部漏磁造成的。同時(shí),開(kāi)口氣隙處磁場(chǎng)不均勻度不超過(guò)±5 %。

圖5 兩種情況下氣隙中心磁場(chǎng)分布

3 常見(jiàn)位置不確定性分析

實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)行中，導(dǎo)線(xiàn)與傳感器位置不確定性分為角度偏轉(zhuǎn)與位置偏移兩種常見(jiàn)情況。

3.1 偏轉(zhuǎn)角度特性調(diào)控

理想情況下，磁環(huán)與導(dǎo)線(xiàn)的位置如圖2，導(dǎo)線(xiàn)沿Z軸方向，電流方向沿Z軸正方向。氣隙中心位置位于X軸。通過(guò)分析空間中角度關(guān)系，偏轉(zhuǎn)后的傳感器空間任意位置可由繞Z軸右手旋轉(zhuǎn)角度θ與繞Y軸左手旋轉(zhuǎn)角度φ確定。Givens旋轉(zhuǎn)變換矩陣為

(5)

無(wú)磁環(huán)時(shí)，存在偏轉(zhuǎn)角度θ和φ時(shí)，無(wú)窮長(zhǎng)直導(dǎo)線(xiàn)作用下，GMR敏感結(jié)構(gòu)敏感軸方向上磁場(chǎng)如下

(-sinθcosφ,cosθ,-sinθsinφ)

(6)

通過(guò)仿真計(jì)算角度θ在0°～90°范圍內(nèi)變化及角度φ在0°～80°范圍內(nèi)變化時(shí)，有、無(wú)磁環(huán)情況下，GMR傳感器敏感方向上磁場(chǎng)大小變化如圖6所示。在有、無(wú)磁環(huán)情況時(shí)，不同偏轉(zhuǎn)角度下，磁場(chǎng)變化一致，在極端角度下取得極值。當(dāng)θ=90°,φ=80°時(shí)，氣隙最靠近導(dǎo)線(xiàn)，同時(shí)，磁場(chǎng)方向與敏感軸方向一致，此時(shí)取得極大值；當(dāng)θ=0°,φ=80°時(shí)，氣隙距導(dǎo)線(xiàn)最遠(yuǎn)，且磁場(chǎng)方向與敏感軸方向接近正交，此時(shí)取得最小值。相當(dāng)于無(wú)磁環(huán)情況，磁環(huán)可大大改善因角度偏轉(zhuǎn)引起的誤差，誤差減小超過(guò)30倍。有磁環(huán)情況下，極端角度偏移引起的誤差最大為-1.02 %～9.79 %，當(dāng)θ<60°時(shí)，角度偏移引起的誤差最大為0.24 %～3.84 %。磁環(huán)的校正幾乎忽略了角度偏移引起的測(cè)量誤差，在實(shí)際使用中，極大限度地提高了測(cè)量精度，簡(jiǎn)化了測(cè)量程序[9]。

圖6 有無(wú)磁環(huán)氣隙中心敏感軸方向磁場(chǎng)不同角度變化

3.2 距離偏移特性調(diào)控

導(dǎo)線(xiàn)位置偏移坐標(biāo)原點(diǎn)時(shí)，定義導(dǎo)線(xiàn)在X軸上偏移Z軸的坐標(biāo)為(r,0,0)。在沒(méi)有磁環(huán)情況下，GMR傳感器敏感軸方向上的磁場(chǎng)如下

(7)

通過(guò)Ansoft仿真有無(wú)磁環(huán)在不同位置偏移下，有、無(wú)磁環(huán)氣隙中心GMR傳感器敏感軸方向的磁場(chǎng)大小變化，如圖7。由圖可知：有磁環(huán)情況下，不同偏移位置時(shí)，磁場(chǎng)變化基本一致，在極端位置下取得極值，當(dāng)r=8 mm時(shí)，氣隙最靠近導(dǎo)線(xiàn)，取極大值；反之r=-8 mm時(shí)，取極小值。由有、無(wú)磁環(huán)時(shí)不同位置偏移下，氣隙磁場(chǎng)的最大變化范圍分析，相對(duì)于無(wú)磁環(huán)時(shí)的情況，磁環(huán)可以大幅改善因位置偏移引起的誤差，誤差減小超過(guò)10倍。有磁環(huán)情況下，極端位置偏移引起的誤差最大為-5.11 %～10.82 %，而當(dāng)|r|≤4 mm時(shí)，位置偏移引起的誤差最大為-2.86 %～1.21 %。磁環(huán)的使用極大減小了由位置偏移引入的誤差。

圖7 有無(wú)磁環(huán)氣隙中心敏感軸方向在不同偏移下的平均幅值

4 結(jié) 論

研究了位置不確定性對(duì)GMR性能的影響。GMR傳感器對(duì)磁場(chǎng)方向敏感度較高，因此,通過(guò)高導(dǎo)磁環(huán)的方法很大程度上減小了空間位置對(duì)測(cè)量精度的影響。高磁導(dǎo)率的磁環(huán)起到穩(wěn)定氣隙磁場(chǎng)，增強(qiáng)被測(cè)場(chǎng)，提高GMR傳感器靈敏度的作用。同時(shí)GMR敏感結(jié)構(gòu)較小，因此,開(kāi)口氣隙尺寸小，可以做到高精度量測(cè)。同時(shí)應(yīng)注意為了有效減小空間位置引入的誤差，實(shí)際的磁環(huán)磁導(dǎo)率應(yīng)高于1 000，但由于一般磁導(dǎo)率越大，其頻率相應(yīng)越低，因此,在高頻應(yīng)用情況下，在誤差允許范圍內(nèi)，磁環(huán)磁導(dǎo)率不宜高于2 000。磁環(huán)的應(yīng)用可以很大程度上削減角度偏轉(zhuǎn)及位置偏移引入的測(cè)量誤差，使傳感器在實(shí)際應(yīng)用中，極大地提高了測(cè)量精度，優(yōu)化測(cè)量程序。

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