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巨磁電阻傳感器在磁場(chǎng)線性測(cè)量領(lǐng)域中的應(yīng)用
【摘要】對(duì)巨磁電阻傳感器進(jìn)行了研究，介紹了巨磁電阻傳感器的結(jié)構(gòu)和屏蔽作用，選取電流檢測(cè)作為巨磁電阻傳感器在線性磁場(chǎng)測(cè)量的代表，通過對(duì)巨磁電阻傳感器測(cè)試和電流檢測(cè)的測(cè)試，分析了巨磁電阻傳感器在磁場(chǎng)線性測(cè)量方面的性能優(yōu)越性，給出了巨磁電阻傳感器在磁場(chǎng)線性測(cè)量方面的一些注意事項(xiàng)。 【關(guān)鍵詞】巨磁電阻傳感器；線性磁場(chǎng)；測(cè)量 1.概述 磁場(chǎng)測(cè)量在工業(yè)領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用，在磁場(chǎng)的脈沖量，開關(guān)量以及線性量的測(cè)量中，使用最為廣泛的是霍爾傳感器，由于其較低的品種繁多的產(chǎn)品以及較低的成本，使得霍爾傳感器在磁場(chǎng)測(cè)量領(lǐng)域具有較高的地位。隨著巨磁電阻（GMR）傳感器的成功研制，其優(yōu)越的性能越來(lái)越受到人們的關(guān)注，使得GMR傳感器在傳統(tǒng)的磁場(chǎng)測(cè)量領(lǐng)域占據(jù)了一席之地。 在磁場(chǎng)測(cè)量領(lǐng)域，線性量的測(cè)量對(duì)磁傳感器性能具有比較高的要求。磁傳感器的測(cè)量范圍，響應(yīng)頻率，靈敏度以及溫度適應(yīng)性等一系列性能指標(biāo)都對(duì)磁場(chǎng)的測(cè)量具有較大的影響。相比其他磁傳感器，GMR傳感器具有較寬的磁場(chǎng)測(cè)量范圍，較高的響應(yīng)頻率和靈敏度以及較強(qiáng)的溫度適應(yīng)性，在磁場(chǎng)線性測(cè)量領(lǐng)域具有較為明顯的優(yōu)勢(shì)。本文將以東方微磁公司生產(chǎn)的VA系列巨磁電阻磁傳感器為例，介紹其特性、測(cè)試及相關(guān)應(yīng)用。 2.GMR傳感器的結(jié)構(gòu) 2.1 傳感器結(jié)構(gòu) VA系列巨磁電阻磁傳感器采用惠斯通橋式結(jié)構(gòu)，如圖1所示的。圖中，R1和R3是兩個(gè)阻值一樣的電阻，可隨外界磁場(chǎng)的變化輸出一個(gè)差分電壓信號(hào)，R2和R4由于屏蔽層的作用不感應(yīng)外界磁場(chǎng)的變化。 圖1 GMR磁傳感器結(jié) 2.2 屏蔽層的作用 圖1中的R2和R4上的陰影部分是傳感器的合金屏蔽層，它有兩個(gè)作用，一是屏蔽外磁場(chǎng)對(duì)電阻R2和R4的影響，使其不能感應(yīng)待測(cè)場(chǎng)的變化；二是作為一個(gè)磁通聚集器，將待測(cè)場(chǎng)聚集在R1和R3周圍，使傳感器輸出幅值增大，提高傳感器的靈敏度。 3.GMR傳感器的性能測(cè)試及應(yīng)用測(cè)試 3.1 GMR傳感器的輸出性能測(cè)試 用于線性磁場(chǎng)測(cè)量的GMR傳感器應(yīng)具有良好的線性度，可測(cè)量正反兩個(gè)方向的磁場(chǎng)，因此，在測(cè)試芯片的選擇上可選擇雙極性的GMR傳感器直接進(jìn)行測(cè)試或選擇單極性的GMR傳感器對(duì)其進(jìn)行偏置處理，將其零點(diǎn)抬高。 圖2是GMR傳感器在磁場(chǎng)從負(fù)到正再回到起點(diǎn)的GMR傳感器輸出曲線，反應(yīng)GMR傳感器的線性特性，有圖可知，GMR傳感器線性性能較好，磁滯小，正向和反向重合性較好，總體來(lái)說該型號(hào)的GMR傳感器芯片靜態(tài)性能良好。 3.2 GMR傳感器溫度漂移性能 將GMR芯片放入高低溫?zé)o磁溫度箱中，每隔10℃記錄一次數(shù)據(jù)，監(jiān)測(cè)傳感器從-40℃～+125℃隨溫度變化的漂移性，具體如圖3所示，芯片在整個(gè)溫度范圍內(nèi)輸出變化9.075mv，溫度系數(shù)為0.055mV/℃，可見GMR傳感器芯片的溫度性能比較優(yōu)越。 圖2 雙極性GMR傳感器性能曲線 圖3 GMR溫度性能曲線 圖4 電流測(cè)量示意圖 3.3 GMR傳感器應(yīng)用測(cè)試 在線性磁場(chǎng)測(cè)量領(lǐng)域，直流電的檢測(cè)是比較有代表性的，因此，選擇測(cè)量直流電產(chǎn)生的磁場(chǎng)來(lái)驗(yàn)證GMR傳感器在線性磁場(chǎng)測(cè)量方面的性能。 巨磁電阻用于電流檢測(cè)一般采用如圖4所示的方式進(jìn)行，將磁傳感器放置通電導(dǎo)線的正上方或正下方，同時(shí)保證通電導(dǎo)線產(chǎn)生磁場(chǎng)的方向與磁傳感器的敏感方向一致。按照通電導(dǎo)線周圍產(chǎn)生磁場(chǎng)的理論計(jì)算公式2-1可知[3]，在待測(cè)電流和傳感器相對(duì)位置一定的情況下，待測(cè)電流的大小和磁場(chǎng)大小成正比，利用公式2-2這樣就可以直接測(cè)量待測(cè)電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)值，再結(jié)合公式2-1就得出待測(cè)電流的大小。 �。�2-1） （2-2） 其中，為傳感器的靈敏度，傳感器輸出。 3.3.1 測(cè)試平臺(tái) 測(cè)試平臺(tái)由測(cè)試板、電源、銅導(dǎo)線以及支架構(gòu)成，其中測(cè)試板由探測(cè)單元（GMR傳感器）、信號(hào)放大及濾波單元組成，雙電源供電。銅導(dǎo)線材料為紫銅，直徑為2mm，可通10A電流。支架位置和高度都可調(diào)整，以使傳感器獲得最佳敏感位置。電源為可編程電源，可提供不同幅值的電流。 3.3.2 測(cè)試數(shù)據(jù) 在實(shí)際應(yīng)用中，待測(cè)電流有正負(fù)之分，產(chǎn)生的磁場(chǎng)有正負(fù)之分，因此，在測(cè)試過程中，通過改變磁場(chǎng)方向和電流的方向來(lái)檢測(cè)GMR傳感器和電流傳感器測(cè)試性能。圖5是電流從-30A到+30A變化時(shí)電流傳感器輸出曲線。 圖5 電流測(cè)量示意圖 由圖5可以看出，在-20A—20A的范圍內(nèi)，GMR傳感器電流測(cè)試單元具有較好的線性度，超過20A后，測(cè)試單元趨于飽和。 4.結(jié)論 通過對(duì)GMR傳感器芯片以及由GMR傳感器芯片構(gòu)成的電流傳感器的性能測(cè)試，結(jié)果表明，GMR傳感器芯片在已電流檢測(cè)為代表的線性磁場(chǎng)測(cè)試方面具有較好的性能和溫度穩(wěn)定性。如果在實(shí)際使用過程中，注意傳感器芯片的飽和場(chǎng)和待測(cè)磁場(chǎng)的大小，使待測(cè)磁場(chǎng)在傳感器的線性測(cè)量范圍內(nèi)，將會(huì)使GMR傳感器芯片在線性磁場(chǎng)測(cè)量方面具有更好的應(yīng)用前景。 參考文獻(xiàn) [1]肖又專，曾榮偉，王林忠等.巨磁電阻傳感器的應(yīng)用[J].磁性材料及器件，2001，32（2）：40-45. [2]錢政.巨磁電阻傳感器在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用前景[J].高電壓技術(shù)，2003，29（10）：9-10. [3]馮恩信傅.高等電磁理論[M].西安：西安交通大學(xué)出版社，2006.
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