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展，基于巨磁電阻（giant magneto resistive，GMR）效應的傳感器則為智能電網的在線電流監測提供了一種新的選擇。對于光伏發電系統，電流的精確檢測是光伏發電系統得以可靠和高效運行的基礎，高性能的電流傳感器的研發，對提高光伏發電系統的實際應用有重要意義。但巨磁電阻的性能受外界環境的影響較大，因此會使測量產生一定的誤差，本文主要針對非線性誤差，磁滯，零漂和溫漂對國內外所提出了各種溫度補償方案進行分析，這些方案當中包括使用硬件電路和通過算法的校正，以及采用閉環磁補償結構改善了磁性材料的磁滯效應引入的誤差，提高巨磁電阻傳感器的線性度及靈敏度。

關鍵詞：巨磁電阻，電流測量，溫度補償，磁滯，誤差

中圖分類號：TP216 文獻標識碼：A DOI：10.3969/j.issn.l003-6970.2017.08.032

引言

1986年德國P.Grunberg采用納米技術對Fe/Cr/Fe3層膜結構進行實驗研究發現，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，發現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。GMR效應的發現，導致了新的自旋電子學的創立。目前，GMR傳感器已經得到了廣泛的應用[34]，基于GMR效應的相關物理實驗也在大學物理實驗教學中得到開展[54]。但不同方向外磁場以及環境溫度對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計、電橋結構設計以及性能研究上。對于光伏發電系統，電流的精確檢測是光伏發電系統得以可罪和尚效運行的基礎，高性能的電流傳感器的研發，對提高光伏發電系統的實際應用有重要意義。

智能電網最需要檢測的關鍵量是電網各關鍵節點以及所有設備的電壓和電流實時信息，通過監測得到的電壓和電流也可以得到整個系統的功率信息。GMR電流傳感器適合于智能電網的分布式測量和數據采集，借助先進的通信手段，能夠實現智能電網的分布式實時監測。并且對GMR的動態性能進行了測試與分析，各種分析與測試結果表明將巨磁電阻傳感器應用于電力系統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中到不到所要求的高精度，為此國內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度不同產生的材料都有可能產生GMR效應。目前已經發現并得到大量實際應用的材料主要有多層膜結構、自旋閥結構、顆粒膜結構和隧道結結構四種結構。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傳感器和閉環傳感器。相比于開環傳感器，閉環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雜[27，28]。

2 溫度特性分析及校正研究

2.1 硬件補償

巨磁電阻效應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

阻效應器件隨著溫度上升，輸出響應逐漸衰減，對巨磁電阻效應器件的測量性能有很大影響，因此必須對巨磁電阻效應器件采取相應的溫度補償。橋式電路具有的優良的自補償特性，因此GMR傳感器的敏感結構采用惠斯通電橋結構。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，內部雖然都是惠斯登電橋結構，但是所用的巨磁電阻材料以及屏蔽方式有所不同。

通常構造成如圖1所示的惠斯登電橋結構來進行測量和設計傳感頭，可用NVE公司的巨磁電阻傳感器，該結構有助于提高傳感器的輸出靈敏度。參考文獻自制了GMR元件構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，當無外磁場時電橋處于平衡狀態，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行消磁處理。

基于巨磁電阻電流傳感器的輸出響應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電流傳感器進行供電，提供相應的溫度補償，改善了巨磁電阻效應電流傳感器的溫度特性，同時也提高了巨磁電阻效應電流傳感器的測量精度。溫度補償器具有成本低、結構簡單、穩定性好等優點，顯著提高了巨磁電阻效應電流傳感器的精度。溫度補償器的結構如圖所示，選用高精度、低失調電壓溫漂的單運放儀用放大器OP07。

通過輸出電壓V0對巨磁電阻進行供電，引腳4與引腳7分別作為放大器的正、負電源引腳，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生干擾；起到蓄能電容的作用。當溫度變化時，供電電壓會隨著常值電阻A與溫變電阻孕的變化發生波動，電壓放大倍數Au為：

2.2 軟件補償

參考文獻采用最小二乘法和BP神經網絡兩種方法來對巨磁阻傳感器的零點溫漂進行補償。通過最小二乘算法補償后，巨磁阻傳感器的零點溫漂誤差由補償前的18.36%降至4.73%；通過BP神經網絡算法補償后，巨磁阻傳感器的零點溫漂誤差由補償前的18.36%降至0.56%。所以將BP神經網絡補償算法應用于系統中巨磁阻傳感器的零點溫漂補償能夠取得更為理想的補償效果。文獻采用NVE公司的AAH002-02巨磁阻元件進行了信號調理以及溫度特性測試，運用微粒群補償算法和最小二乘法對溫度特性進行了處理。結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量級，但與二次最小二乘法補償相比，微粒群算法比最小二乘法具有更好的溫度補償效果，但也存在計算步驟復雜且優化時間長等問題。

3 磁滯現象引起的誤差

磁滯現象普遍存在于磁性材料中，所謂磁滯是指當磁體達到磁飽和狀態后，如果減小磁場，磁體的磁感應強度B（或磁化強度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，磁性材料的磁感應強度B并不是磁場強度H的單值函數同時依賴于材料本身經歷的磁狀態的歷史。

巨磁電阻及磁導環均屬與磁性材料范疇，因此磁滯現象的存在將對傳感器的精度有較大影響。參考文獻[33]提出當聚磁環磁芯、GMR芯片以及反饋繞組共同作為探頭，組成閉環系統時，傳感器受磁滯現象的影響最小。采用閉環系統可以降低由磁滯現象引起的誤差，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，匝數為N：，通常為一匝，We為反饋繞組，匝數為N2，IP在磁芯中產生的磁通為中P，Ie在磁芯中產生的磁通為中P。

聚磁環C將原邊電流Ip所產生的磁場進行聚集之后，作用于巨磁電阻芯片（GMR），當芯片感受到磁場的作用之后，將會有電壓信號輸出。由于反饋線圈產生的磁場與原邊電流產生的磁場方向相反，因而減弱了原邊磁場，使巨磁電阻芯片輸出逐漸減小，反饋電流也相應減小，當原次級線圈產生的磁場大小相等時，反饋電流不再減小，達到零磁通狀態，即： 被測電流發生任何變化都會破壞這一平衡，當磁場失去平衡，巨磁電阻芯片就會有電壓信號輸出。此電壓信號經過放大、功率放大處理之后，就會立即產生相應的反饋電流，反饋電流過反饋繞組對失衡的磁場進行補償。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、次線圈的匝數比有關，不受芯片的非線性、聚磁環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，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點，達到了電流傳感器未來發展趨勢的要求。針對外磁場的干擾，可以采用磁屏蔽技術，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。

由于巨磁阻芯片為磁性元件，存在磁滯現象和飽和現象。當被測磁場超過某個值時，巨磁阻芯片達到飽和，輸出不再增加。當被測磁場較弱且在正負過零點間變化時，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出明顯的磁滯效應。并且所用的巨磁阻芯片為單極性輸出特性，當測量交流電流時，輸出的波形容易失真，從而引起較大的輸出誤差。因此需要設計獨特的偏置磁場結構，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。文獻參考文獻對直流GMR電流互感器可能遇到的電磁干擾進行了電磁兼容性設計。采用AD592溫度傳感器設計溫度補償電路，以及采用抗干擾設計，包括PCB板的抗干擾設計和屏蔽、接地、瞬態抑制、電源的抗干擾設計等措施。利用多項式擬合的方法改善巨磁電阻傳感器的線性度指標，從而實現自校準算法。參考文獻基于巨磁電阻（GMR）自旋閥的實驗平臺，設計了一種用于線性校正用途的模糊神經網絡（FNN），并以此構建了智能GMR磁傳感器系統，討論了單芯片系統（SOC）實現該智能GMR磁傳感器的可行性。參考文獻利用Labhew的虛擬儀器技術，設計完成了一套具有GMR效應的H-R曲線虛擬儀器測試系統，該系統的測量精度高、速度快、測試界面直觀、友好。

5 結語

巨磁阻傳感器可以利用巨磁電阻效應檢測電流產生的感應磁場大小，它具有體積小、靈敏度高、線性度好、響應頻率高、抗惡劣環境、成本低等優點，在電流檢測方面顯示出極大的應用前景。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的飛快發展和電力系統的需求的不斷增長，區域電網的互聯和發展以及智能電網的集成化已經成為必然的趨勢。因此未來電流傳感器的發展趨勢是能實現對電流的實時精確檢測，包括對直流、交流、脈動直流及漏電流的測量。