開環式GMR傳感器電流測量實驗研究

董向成，周 玲，朱實強

(蘭州城市學院 培黎石油工程學院，甘肅 蘭州 730070)

電流精確實時測量是物理量測量的重要內容，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計的，間接測量是基于安培環路定理的電磁轉換原理設計的[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、可集成等優點逐漸成為電流監測的有效手段[2].

本文以巨磁電阻搭建的惠斯通電橋做為電流傳感器，以開環結構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行分析[3]，依據實驗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、截流導線與傳感器的間距等方面對電流測量誤差進行分析.

1 實驗原理及設備

1.1 巨磁電阻傳感器原理

固體導電機制認為，導體中的電子做為載流子，其定向運動形成電流，電子在外電場作用下做定向運動并受到固體晶格原子的散射，散射使定向運動減弱導致導體電阻率增加. 現代磁電子學認為，自旋向上和自旋向下的電子分別獨立地承載電流，當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，對外表現為電阻率降低；當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，表現為多層膜的電阻率減小，這種現象被稱為巨磁電阻效應(GiantMagneto-resistance,GMR)[4-5].

以巨磁電阻制成惠斯通電橋，4個電阻構成平面與電阻多層膜膜面相同，其中2個電阻進行磁屏蔽，另2個電阻在電流磁場的作用下電阻發生變化，從而改變電橋輸出電壓達到電流測量的目的. 電流傳感器的測量結果受電橋工作電壓大小、電橋輸出電壓測量精度、載流導線到傳感器的距離及角度、環境磁場干擾等因素的影響，實驗發現選擇恰當輸出電壓量程，可達到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現電流的測量，這種方式稱為開環結構；另一種方式是讓被測電流垂直穿過有鐵芯的螺繞環中，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，稱為閉環結構. 由于開環結構具有集成度低、易于操作等優勢，故本文采用開環結構進行實驗.

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

由畢奧-薩伐爾定律得到真空中電流元在場點P產生的磁感應強度為

(1)

其中I為導線上的電流強度，r為電流元到場點P的距離. 對于長直線導線，由右手定則可得，所有電流元在P點所產生的磁感強度方向一致，對(1)式進行積分可得到

(2)

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

(3)

磁感強度的方向沿以直導線為中心的同心環的切向，大小與電流強度成正比，與距離成反比，與所處的磁介質成正比.

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，電橋結構中的電流傳感器體積更小，靈敏度更高，更穩定[6].

2 實驗數據及結果

2.1 傳感器線性擬合度測量

將數字毫安表接入電路作為待測電流標準值，使載流直導線靠近傳感器，并使其產生的磁場的方向與傳感器敏感軸的方向一致，由于導線上通過的電流較小，產生的磁場很弱，會受到地磁場的影響，應調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；使測量裝置遠離磁性測量設備，如磁電式電表，以減小環境磁場對測量影響；實驗開始前使用亥姆霍茲線圈產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，當導線磁場較弱時，選用量程更小的電壓表；用2個游標卡尺固定導線并測量其位置及位置變化.

按照上述要求調整設備，使零電流條件下輸出電壓為零；設置載流直導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)式計算電流磁場的理論值(Bthe)，列入表1.

表1 電流磁場理論結果與擬合結果

將表1中的數據以輸出電壓Uout為自變量，導線電流I0、導線磁場理論值Bthe為因變量進行直線擬合，擬合結果如圖1～2所示.

圖1 待測電流與輸出電壓的關系

圖2 磁場理論值與輸出電壓的關系

從圖1～2中可看出，直線擬合優度均大于0.999，增加測量點數至20個時，待測電流強度增加到800 mA時直線擬合優度仍大于0.999，可見恰當設置測量條件，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果的影響

實驗發現，被測電流到傳感器的距離會對測量結果產生影響，測量距離過小和過大都會導致測量結果變差. 使用直徑約為1.2 mm銅導線，通以I01=0.35 A和I02=0.70 A電流，對應的輸出電壓分別用Uout1和Uout2表示. 直流載流導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，偏離正比關系，認為測量結果出現較大偏差. 實驗數據列于表2中.

表2 不同I0到傳感器距離對Uout的影響

利用表2中的數據，繪制Uout和導線到傳感器距離Z的關系，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)解釋該現象：由于帶電直導線到傳感器距離發生變化，輸出電壓與電流的線性關系系數發生變化使反比曲線關系并不嚴格. 導線位置不變，改變導線方向，當電流磁場方向與傳感器非敏感軸一致時，輸出電壓最小，測量發現敏感軸電壓輸出是同條件下非敏感軸輸出電壓的10～20倍，與閉環結構相似[10]，傳感器安裝角度對測量靈敏度有影響.

2.3 環境磁場對測量結果的影響

電流測量環境中不可避免存在鐵磁性物質、地磁、其他電流產生的磁場，會在傳感器磁敏電阻的磁性薄膜內產生磁滯，使測量結果產生較大的誤差[11]，傳感器在測量前進行單向磁化可減小這一問題. 環境磁場也可通過加外場的方式進行抵消，達到輸出電流調零的目的.

為分析周圍磁場的影響，使用磁電式電表(內含磁鐵)作為環境磁場，沿傳感器敏感軸和非敏感軸移動，測量輸出電壓，數據記錄在表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果影響較大，當距離在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 不同方位磁性物質對Uout的影響

圖4 環境磁場對測量結果的影響

實驗發現，移開磁體后，零磁場電橋輸出電壓仍不為零，是由于環境磁場對磁敏電阻磁化所致，在重新測量前必須進行單向磁化，或使用外加磁場的方式補償測量過程中產生的磁滯.

3 結束語

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生影響，通過調節，電流強度在20～800 mA范圍內，20個以上測量點數的條件下，其直線擬合優度在0.999以上，證明在恰當的測量條件下，利用GMR電流傳感器測量電流強度精高較高. 由于傳感器電橋中的磁敏電阻受到周圍磁場的影響產生磁滯，零測量條件下環境磁場對測量結果會造成重要影響，如磁電式測量電表會對傳感器磁敏電阻產生磁化，使電壓輸出不能歸零，單向磁化可改善這一問題，實驗發現，也可通過增加外磁場的方式對磁滯進行補償來提高測量精度.

參考文獻：

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