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(fā)展，基于巨磁電阻（giant magneto resistive，GMR）效應(yīng)的傳感器則為智能電網(wǎng)的在線電流監(jiān)測(cè)提供了一種新的選擇。對(duì)于光伏發(fā)電系統(tǒng)，電流的精確檢測(cè)是光伏發(fā)電系統(tǒng)得以可靠和高效運(yùn)行的基礎(chǔ)，高性能的電流傳感器的研發(fā)，對(duì)提高光伏發(fā)電系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用有重要意義。但巨磁電阻的性能受外界環(huán)境的影響較大，因此會(huì)使測(cè)量產(chǎn)生一定的誤差，本文主要針對(duì)非線性誤差，磁滯，零漂和溫漂對(duì)國內(nèi)外所提出了各種溫度補(bǔ)償方案進(jìn)行分析，這些方案當(dāng)中包括使用硬件電路和通過算法的校正，以及采用閉環(huán)磁補(bǔ)償結(jié)構(gòu)改善了磁性材料的磁滯效應(yīng)引入的誤差，提高巨磁電阻傳感器的線性度及靈敏度。

關(guān)鍵詞：巨磁電阻，電流測(cè)量，溫度補(bǔ)償，磁滯，誤差

中圖分類號(hào)：TP216 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)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(shù)對(duì)Fe/Cr/Fe3層膜結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，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(fā)現(xiàn)了外部磁場(chǎng)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(yīng)。GMR效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)致了新的自旋電子學(xué)的創(chuàng)立。目前，GMR傳感器已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用[34]，基于GMR效應(yīng)的相關(guān)物理實(shí)驗(yàn)也在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中得到開展[54]。但不同方向外磁場(chǎng)以及環(huán)境溫度對(duì)GMR器件的特性影響報(bào)道不多，GMR傳感器測(cè)量電流時(shí)，為了使測(cè)量效果最佳有時(shí)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(shè)計(jì)、電橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及性能研究上。對(duì)于光伏發(fā)電系統(tǒng)，電流的精確檢測(cè)是光伏發(fā)電系統(tǒng)得以可罪和尚效運(yùn)行的基礎(chǔ)，高性能的電流傳感器的研發(fā)，對(duì)提高光伏發(fā)電系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用有重要意義。

智能電網(wǎng)最需要檢測(cè)的關(guān)鍵量是電網(wǎng)各關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)以及所有設(shè)備的電壓和電流實(shí)時(shí)信息，通過監(jiān)測(cè)得到的電壓和電流也可以得到整個(gè)系統(tǒng)的功率信息。GMR電流傳感器適合于智能電網(wǎng)的分布式測(cè)量和數(shù)據(jù)采集，借助先進(jìn)的通信手段，能夠?qū)崿F(xiàn)智能電網(wǎng)的分布式實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。并且對(duì)GMR的動(dòng)態(tài)性能進(jìn)行了測(cè)試與分析，各種分析與測(cè)試結(jié)果表明將巨磁電阻傳感器應(yīng)用于電力系統(tǒng)中交流大電流的測(cè)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(cè)量，并且巨磁阻電流傳感器對(duì)外界磁場(chǎng)比較敏感，使得在具體的測(cè)量當(dāng)中到不到所要求的高精度，為此國內(nèi)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(qiáng)度不同產(chǎn)生的材料都有可能產(chǎn)生GMR效應(yīng)。目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)并得到大量實(shí)際應(yīng)用的材料主要有多層膜結(jié)構(gòu)、自旋閥結(jié)構(gòu)、顆粒膜結(jié)構(gòu)和隧道結(jié)結(jié)構(gòu)四種結(jié)構(gòu)。它們的性能對(duì)比如表1所示：

GMR電流傳感器按照測(cè)量原理，GMR電流傳感器可分為開環(huán)傳感器和閉環(huán)傳感器。相比于開環(huán)傳感器，閉環(huán)傳感器利用磁場(chǎng)反饋方法改善了傳感器的線性度，并增寬動(dòng)態(tài)測(cè)量范圍。然而，集成反饋線圈的方法會(huì)使器件能耗大量增加，并使器件工藝更加復(fù)雜[27，28]。

2 溫度特性分析及校正研究

2.1 硬件補(bǔ)償

巨磁電阻效應(yīng)器件是一種磁敏器件，對(duì)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(yīng)器件隨著溫度上升，輸出響應(yīng)逐漸衰減，對(duì)巨磁電阻效應(yīng)器件的測(cè)量性能有很大影響，因此必須對(duì)巨磁電阻效應(yīng)器件采取相應(yīng)的溫度補(bǔ)償。橋式電路具有的優(yōu)良的自補(bǔ)償特性，因此GMR傳感器的敏感結(jié)構(gòu)采用惠斯通電橋結(jié)構(gòu)。由于四個(gè)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(nèi)部雖然都是惠斯登電橋結(jié)構(gòu)，但是所用的巨磁電阻材料以及屏蔽方式有所不同。

通常構(gòu)造成如圖1所示的惠斯登電橋結(jié)構(gòu)來進(jìn)行測(cè)量和設(shè)計(jì)傳感頭，可用NVE公司的巨磁電阻傳感器，該結(jié)構(gòu)有助于提高傳感器的輸出靈敏度。參考文獻(xiàn)自制了GMR元件構(gòu)建了一個(gè)惠斯通電橋GMR傳感器，提高傳感器輸出信號(hào)的靈敏度，當(dāng)無外磁場(chǎng)時(shí)電橋處于平衡狀態(tài)，輸出電壓信號(hào)為零。

但自制的GMR芯片有一定的磁滯，每次測(cè)量時(shí)都需要對(duì)其進(jìn)行消磁處理。

基于巨磁電阻電流傳感器的輸出響應(yīng)與供給電源的電壓成正比的原理，利用一個(gè)對(duì)溫度敏感的電壓源給巨磁電阻效應(yīng)電流傳感器進(jìn)行供電，提供相應(yīng)的溫度補(bǔ)償，改善了巨磁電阻效應(yīng)電流傳感器的溫度特性，同時(shí)也提高了巨磁電阻效應(yīng)電流傳感器的測(cè)量精度。溫度補(bǔ)償器具有成本低、結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，顯著提高了巨磁電阻效應(yīng)電流傳感器的精度。溫度補(bǔ)償器的結(jié)構(gòu)如圖所示，選用高精度、低失調(diào)電壓溫漂的單運(yùn)放儀用放大器OP07。

通過輸出電壓V0對(duì)巨磁電阻進(jìn)行供電，引腳4與引腳7分別作為放大器的正、負(fù)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(duì)芯片產(chǎn)生干擾；起到蓄能電容的作用。當(dāng)溫度變化時(shí)，供電電壓會(huì)隨著常值電阻A與溫變電阻孕的變化發(fā)生波動(dòng)，電壓放大倍數(shù)Au為：

2.2 軟件補(bǔ)償

參考文獻(xiàn)采用最小二乘法和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)兩種方法來對(duì)巨磁阻傳感器的零點(diǎn)溫漂進(jìn)行補(bǔ)償。通過最小二乘算法補(bǔ)償后，巨磁阻傳感器的零點(diǎn)溫漂誤差由補(bǔ)償前的18.36%降至4.73%；通過BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法補(bǔ)償后，巨磁阻傳感器的零點(diǎn)溫漂誤差由補(bǔ)償前的18.36%降至0.56%。所以將BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)補(bǔ)償算法應(yīng)用于系統(tǒng)中巨磁阻傳感器的零點(diǎn)溫漂補(bǔ)償能夠取得更為理想的補(bǔ)償效果。文獻(xiàn)采用NVE公司的AAH002-02巨磁阻元件進(jìn)行了信號(hào)調(diào)理以及溫度特性測(cè)試，運(yùn)用微粒群補(bǔ)償算法和最小二乘法對(duì)溫度特性進(jìn)行了處理。結(jié)果顯示兩種方法都使得傳感器滿量程相對(duì)誤差提高了一個(gè)數(shù)量級(jí)，但與二次最小二乘法補(bǔ)償相比，微粒群算法比最小二乘法具有更好的溫度補(bǔ)償效果，但也存在計(jì)算步驟復(fù)雜且優(yōu)化時(shí)間長等問題。

3 磁滯現(xiàn)象引起的誤差

磁滯現(xiàn)象普遍存在于磁性材料中，所謂磁滯是指當(dāng)磁體達(dá)到磁飽和狀態(tài)后，如果減小磁場(chǎng)，磁體的磁感應(yīng)強(qiáng)度B（或磁化強(qiáng)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(yīng)強(qiáng)度B并不是磁場(chǎng)強(qiáng)度H的單值函數(shù)同時(shí)依賴于材料本身經(jīng)歷的磁狀態(tài)的歷史。

巨磁電阻及磁導(dǎo)環(huán)均屬與磁性材料范疇，因此磁滯現(xiàn)象的存在將對(duì)傳感器的精度有較大影響。參考文獻(xiàn)[33]提出當(dāng)聚磁環(huán)磁芯、GMR芯片以及反饋繞組共同作為探頭，組成閉環(huán)系統(tǒng)時(shí)，傳感器受磁滯現(xiàn)象的影響最小。采用閉環(huán)系統(tǒng)可以降低由磁滯現(xiàn)象引起的誤差，保證了傳感器的測(cè)量精度與線性度。

如圖所示，C為聚磁環(huán)磁芯，IP為原邊電流（被測(cè)電流），Ie為反饋電流，WP為原邊繞組，匝數(shù)為N：，通常為一匝，We為反饋繞組，匝數(shù)為N2，IP在磁芯中產(chǎn)生的磁通為中P，Ie在磁芯中產(chǎn)生的磁通為中P。

聚磁環(huán)C將原邊電流Ip所產(chǎn)生的磁場(chǎng)進(jìn)行聚集之后，作用于巨磁電阻芯片（GMR），當(dāng)芯片感受到磁場(chǎng)的作用之后，將會(huì)有電壓信號(hào)輸出。由于反饋線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)與原邊電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)方向相反，因而減弱了原邊磁場(chǎng)，使巨磁電阻芯片輸出逐漸減小，反饋電流也相應(yīng)減小，當(dāng)原次級(jí)線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)大小相等時(shí)，反饋電流不再減小，達(dá)到零磁通狀態(tài)，即： 被測(cè)電流發(fā)生任何變化都會(huì)破壞這一平衡，當(dāng)磁場(chǎng)失去平衡，巨磁電阻芯片就會(huì)有電壓信號(hào)輸出。此電壓信號(hào)經(jīng)過放大、功率放大處理之后，就會(huì)立即產(chǎn)生相應(yīng)的反饋電流，反饋電流過反饋繞組對(duì)失衡的磁場(chǎng)進(jìn)行補(bǔ)償。該平衡過程所需的時(shí)間小于，因此該傳感器具有較快的響應(yīng)速度。電流傳感器的輸出電壓?？梢员硎緸椋?/p>

輸出電壓僅與主、次線圈的匝數(shù)比有關(guān)，不受芯片的非線性、聚磁環(huán)磁芯的非線性以及溫度對(duì)芯片的影響。

4 其他影響因素

對(duì)于光伏系統(tǒng)，GMR電流傳感器對(duì)外界雜散磁場(chǎng)很敏感，因此不適合采用GMR流量傳感器，參考文獻(xiàn)提出了采用磁通門傳感器，但磁通門傳感器的信號(hào)處理電路比較繁瑣，主要用于直流弱磁場(chǎng)的測(cè)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(yōu)點(diǎn)，達(dá)到了電流傳感器未來發(fā)展趨勢(shì)的要求。針對(duì)外磁場(chǎng)的干擾，可以采用磁屏蔽技術(shù)，磁屏蔽是用來隔離磁場(chǎng)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(chǎng)的方向，從而使磁力線聚集于屏蔽體內(nèi)。

由于巨磁阻芯片為磁性元件，存在磁滯現(xiàn)象和飽和現(xiàn)象。當(dāng)被測(cè)磁場(chǎng)超過某個(gè)值時(shí)，巨磁阻芯片達(dá)到飽和，輸出不再增加。當(dāng)被測(cè)磁場(chǎng)較弱且在正負(fù)過零點(diǎn)間變化時(shí)，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(xiàn)出明顯的磁滯效應(yīng)。并且所用的巨磁阻芯片為單極性輸出特性，當(dāng)測(cè)量交流電流時(shí)，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(shè)計(jì)獨(dú)特的偏置磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)，通過磁場(chǎng)的疊加使得作用于GMR芯片的磁場(chǎng)全部提高到線性區(qū)。文獻(xiàn)參考文獻(xiàn)對(duì)直流GMR電流互感器可能遇到的電磁干擾進(jìn)行了電磁兼容性設(shè)計(jì)。采用AD592溫度傳感器設(shè)計(jì)溫度補(bǔ)償電路，以及采用抗干擾設(shè)計(jì)，包括PCB板的抗干擾設(shè)計(jì)和屏蔽、接地、瞬態(tài)抑制、電源的抗干擾設(shè)計(jì)等措施。利用多項(xiàng)式擬合的方法改善巨磁電阻傳感器的線性度指標(biāo)，從而實(shí)現(xiàn)自校準(zhǔn)算法。參考文獻(xiàn)基于巨磁電阻（GMR）自旋閥的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，設(shè)計(jì)了一種用于線性校正用途的模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（FNN），并以此構(gòu)建了智能GMR磁傳感器系統(tǒng)，討論了單芯片系統(tǒng)（SOC）實(shí)現(xiàn)該智能GMR磁傳感器的可行性。參考文獻(xiàn)利用Labhew的虛擬儀器技術(shù)，設(shè)計(jì)完成了一套具有GMR效應(yīng)的H-R曲線虛擬儀器測(cè)試系統(tǒng)，該系統(tǒng)的測(cè)量精度高、速度快、測(cè)試界面直觀、友好。

5 結(jié)語

巨磁阻傳感器可以利用巨磁電阻效應(yīng)檢測(cè)電流產(chǎn)生的感應(yīng)磁場(chǎng)大小，它具有體積小、靈敏度高、線性度好、響應(yīng)頻率高、抗惡劣環(huán)境、成本低等優(yōu)點(diǎn)，在電流檢測(cè)方面顯示出極大的應(yīng)用前景。直流用巨磁電阻電流互感器和測(cè)量母線電流用傳感器方面仍有很多研究的地方。同時(shí)隨著電力電子技術(shù)的飛快發(fā)展和電力系統(tǒng)的需求的不斷增長，區(qū)域電網(wǎng)的互聯(lián)和發(fā)展以及智能電網(wǎng)的集成化已經(jīng)成為必然的趨勢(shì)。因此未來電流傳感器的發(fā)展趨勢(shì)是能實(shí)現(xiàn)對(duì)電流的實(shí)時(shí)精確檢測(cè)，包括對(duì)直流、交流、脈動(dòng)直流及漏電流的測(cè)量。