陸霞飛鮑丙豪

(江蘇大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

1988年，彼得·格林貝格(Peter Grünberg)和艾爾伯·費(fèi)爾(Albert Fert)在Fe/Cr和Fe/Cr/Fe的多層膜結(jié)構(gòu)中相繼獨(dú)立發(fā)現(xiàn)了巨磁阻(GMR)效應(yīng)。該效應(yīng)表現(xiàn)為外加微弱的磁場變化可以使多層膜的電阻發(fā)生劇烈變化(電阻率減小的幅度可達(dá)一般磁性材料和合金材料的10余倍左右)，即在被納米尺度的非磁性膜隔絕的兩層鐵磁性膜所構(gòu)成的多層膜結(jié)構(gòu)中，無外場作用時(shí)兩層鐵磁性膜磁矩反平行，多層膜的電阻呈現(xiàn)最大值；當(dāng)外加磁場使得兩層鐵磁性膜磁矩平行時(shí)，多層膜的電阻達(dá)到最小值。此后，巨磁阻傳感器逐漸在電流、磁場、角位移、加速度等的測量中得到了廣泛的應(yīng)用[1－2]。

在電流測量中，巨磁阻電流傳感器與傳統(tǒng)的基于歐姆定律的分流器和基于霍爾效應(yīng)的電流傳感器及新型的光纖電流傳感器、聲表面波電流傳感器等相比，具有靈敏度高、適用范圍廣(交/直流、強(qiáng)/弱電、頻率范圍大)、穩(wěn)定性可靠性好等優(yōu)點(diǎn)[3]。

目前，研究人員在巨磁阻電流傳感器領(lǐng)域已經(jīng)進(jìn)行了廣泛的研究。Poon TY等人利用亥姆霍茲線圈減少通過巨磁阻芯片的磁通量，有效地增大了傳感器的量程范圍[4]。楊曉光等人研制了一種帶磁屏蔽的巨磁阻電流傳感器[5－7]。何金良團(tuán)隊(duì)提出了一種先進(jìn)的磁滯模型，降低了傳感器的非線性誤差且擴(kuò)展了其適用頻帶[8]。錢政等人提出了一種基于巨磁阻效應(yīng)的非接觸式檢測微弱電流的方法[9]。王瀟洋根據(jù)雙曲正切函數(shù)提出了一種磁滯修正模型，有效地提高了傳感器的動(dòng)態(tài)測量能力和精度[10]。Mu?uroi C等人提出了一種差動(dòng)巨磁阻傳感器的電流測量系統(tǒng)[11]。

當(dāng)前，巨磁阻電流傳感器的研究熱點(diǎn)包括如何消除由于巨磁阻芯片靈敏度較高易受到外界雜散磁場影響而產(chǎn)生的零偏誤差，從而提高電流測量性能。本文通過將兩個(gè)相同型號(hào)的雙極性巨磁阻芯片疊合構(gòu)成差分式巨磁阻組件，改善零偏誤差，抑制溫度漂移。同時(shí)引入閉環(huán)結(jié)構(gòu)，提高傳感器的輸出線性度。從而有效地提高了電流測量精度。對(duì)所研制差分式巨磁阻電流傳感器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測試得到其靜態(tài)特性指標(biāo)，對(duì)比某廠家生產(chǎn)的兩種型號(hào)的巨磁阻電流傳感器，所研制的傳感器的測量性能有了顯著提升。

1 差分式巨磁阻電流傳感器設(shè)計(jì)與分析

1.1 差分式巨磁阻組件原理

實(shí)際使用的巨磁阻芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)通常為四個(gè)巨磁電阻組成惠斯通電橋，如圖1所示。

圖1 巨磁阻芯片內(nèi)部電橋結(jié)構(gòu)

磁場變化導(dǎo)致巨磁電阻阻值發(fā)生變化，對(duì)角線上電阻變化方向相同，相鄰電阻變化方向相反，于是輸出電壓為:

當(dāng)溫度變化時(shí)，輸出電壓變?yōu)?

于是巨磁阻芯片輸出電壓可寫為:

式中:U0為外界雜散磁場(如地磁場、聚磁環(huán)磁滯特性等)帶來的零偏電壓，U t為溫漂電壓[12－13]，S C為巨磁阻芯片的靈敏度。

為了消除外界雜散磁場和溫度漂移帶來的影響，本文提出一種差分式結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

圖2 差分式巨磁阻組件

通過把兩個(gè)相同型號(hào)的雙極性巨磁阻芯片疊合(疊合面為芯片有字符面)在一起，將GMR1、GMR2輸出電壓之差作為信號(hào)輸出，構(gòu)成差分式巨磁阻組件。

對(duì)于同一類型的巨磁阻芯片，其特性基本相同，于是差分式巨磁阻組件電壓輸出U O≈2S C B。根據(jù)以上分析可得差分式結(jié)構(gòu)可以改善零偏誤差，抑制溫度漂移，且提高了傳感器的輸出靈敏度。

1.2 差分式巨磁阻電流傳感器測量原理

本文提出的差分式巨磁阻電流傳感器結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 差分式巨磁阻電流傳感器結(jié)構(gòu)

帶隙圓環(huán)(聚磁環(huán))將原邊被測電流I P產(chǎn)生的磁場聚集到氣隙處施加于差分式巨磁阻組件，使其產(chǎn)生電壓信號(hào)。輸出的微弱電壓信號(hào)需經(jīng)運(yùn)算放大電路放大后，再通過推挽功率放大電路才能驅(qū)動(dòng)反饋線圈產(chǎn)生反饋電流I S。反饋電流通過反饋線圈會(huì)產(chǎn)生一個(gè)與原邊被測電流產(chǎn)生磁場方向相反的反饋磁場，于是施加于差分式巨磁阻組件的磁場會(huì)因此而減小，其電壓輸出也隨之變小。當(dāng)氣隙處兩個(gè)磁場達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡時(shí)，反饋電流保持不變，聚磁環(huán)工作在近零磁通狀態(tài)，整個(gè)系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)。于是，I P和I S有如下關(guān)系式:

式中:N P為原邊導(dǎo)線匝數(shù)，N s為反饋線圈匝數(shù)。因此，可以通過測量反饋回路中取樣電阻R s上的電壓計(jì)算得到原邊被測電流的大小[14－16]。

1.3 差分式巨磁阻電流傳感器系統(tǒng)模型分析

差分式巨磁阻電流傳感器是一個(gè)負(fù)反饋系統(tǒng)，其閉環(huán)系統(tǒng)框圖如圖4所示。圖中B P代表原邊被測電流I P通過帶隙圓環(huán)聚集到氣隙處的磁感應(yīng)強(qiáng)度；B S是反饋電流I S作用到氣隙處的磁感應(yīng)強(qiáng)度；用磁場轉(zhuǎn)換系數(shù)K P、K s來描述I P和B P、I S和B S之間的關(guān)系；B H表示負(fù)反饋的理論誤差；K H是差分巨磁阻組件的轉(zhuǎn)換系數(shù)；GOP(S)是差分放大電路的傳遞函數(shù)；VOP為開環(huán)結(jié)構(gòu)時(shí)的電壓輸出；引入?yún)⒖茧妷篤ref用于抵消兩個(gè)巨磁阻芯片由于特性差異在地磁場作用下經(jīng)差分放大后的零偏電壓；R S、R C、SLC分別表示反饋回路中的取樣電阻、反饋線圈的電阻和電感的阻抗大小，三者合為測量系統(tǒng)的負(fù)載。

圖4 差分式巨磁阻電流傳感器系統(tǒng)框圖

根據(jù)系統(tǒng)框圖，傳感器開環(huán)結(jié)構(gòu)的輸出電壓為:

系統(tǒng)開環(huán)時(shí)電壓輸出與差分式巨磁阻組件靈敏度、差分放大電路放大倍數(shù)等有關(guān)，且會(huì)將外界雜散磁場、溫度漂移、運(yùn)算放大器引入噪聲等帶來的誤差進(jìn)一步放大導(dǎo)致傳感器的輸出特性非線性。因此，本文通過引入負(fù)反饋構(gòu)成閉環(huán)系統(tǒng)，提高傳感器的輸出線性度。

根據(jù)框圖，系統(tǒng)閉環(huán)時(shí)有:

忽略零點(diǎn)幾伏的參考電壓Vref可得到閉環(huán)傳遞函數(shù):

差分放大電路的傳遞函數(shù)GOP(S)可由一階慣性系統(tǒng)表示:

式中:KOP為靜態(tài)增益，τOP為時(shí)間常數(shù)。

根據(jù)式(9)和式(10)可得:

由式(11)可得:

由式(8)可知，負(fù)反饋系統(tǒng)由于負(fù)載的存在導(dǎo)致系統(tǒng)存在穩(wěn)態(tài)誤差，通過增加反饋線圈匝數(shù)N s和減小反饋回路中取樣電阻R s的阻值大小可以減小該誤差，從而提高測量精度。且從式(12)可知，減小反饋回路中取樣電阻R s的阻值大小會(huì)得到較大的帶寬f，但要保證取樣電阻阻值足夠大以獲得良好的電壓輸出分辨率。而增加反饋線圈匝數(shù)N s會(huì)導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的靈敏度H(0)減小。因此，要合理選擇各個(gè)參數(shù)以獲得更好的電流測量性能。

2 仿真分析

2.1 電路仿真

在MATLAB Simulink中搭建電路模型，用兩個(gè)電流控制電壓源替代差分式巨磁阻組件，與差分放大電路、推挽功率放大電路、反饋電路構(gòu)成電路仿真模型，驗(yàn)證整個(gè)負(fù)反饋系統(tǒng)的可行性。仿真發(fā)現(xiàn)被測電流接近于0A時(shí)會(huì)出現(xiàn)非線性，這是由于推挽功率放大電路中的三極管還未導(dǎo)通。實(shí)際電路中通過改善功率放大電路來處理這段非線性。電路仿真圖和仿真數(shù)據(jù)擬合圖如圖5和圖6所示。

圖5 電路仿真圖

圖6 負(fù)反饋系統(tǒng)仿真數(shù)據(jù)擬合

2.2 有限元仿真

將差分式巨磁阻組件安裝聚磁環(huán)的氣隙中心處，原邊導(dǎo)線中通以電流I，根據(jù)安培環(huán)路定律有:式(14)中:μ1為聚磁環(huán)絕對(duì)磁導(dǎo)率(一般選用磁導(dǎo)率大的軟磁材料，如鐵氧體、冷軋硅鋼片、非晶及納米晶合金等)，μ0為空氣磁導(dǎo)率(μ0＝4π×10－7H/m)，l1為聚磁環(huán)磁路長度，l0為氣隙長度，由此

原邊導(dǎo)線匝數(shù)N p一般為1，于是式(14)化簡得磁環(huán)氣隙處的磁感應(yīng)強(qiáng)度與原邊電流I P的理想關(guān)系[17]為:B＝μ0I P/l0。

由此可知，氣隙的大小直接決定了通過差分式巨磁阻組件的磁場大小，進(jìn)而影響了整個(gè)閉環(huán)巨磁阻電流傳感器的量程。此外，聚磁環(huán)的材料特性(初始/飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度，磁導(dǎo)率等)對(duì)傳感器的測量性能也會(huì)產(chǎn)生影響。因此，選擇合適的聚磁環(huán)材料并進(jìn)行合理的氣隙尺寸設(shè)計(jì)是差分式巨磁阻電流傳感器能夠有效工作的前提條件。

在Maxwell16.0中搭建電流傳感器的三維模型，模型尺寸與實(shí)體尺寸一致。磁環(huán)外圓直徑為30 mm，內(nèi)圓直徑為20 mm，厚度為8 mm，開口間隙為1.5 mm。磁環(huán)材料選擇價(jià)格較低的擁有優(yōu)異綜合磁性能(低矯頑力，高飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度，高初始磁導(dǎo)率)的非晶納米晶材料1K107。給導(dǎo)線施加10 A的電流激勵(lì)，仿真結(jié)果如圖7所示。

圖7 磁環(huán)開口氣隙處的磁感應(yīng)強(qiáng)度仿真圖

導(dǎo)線中施加電流激勵(lì)值與聚磁環(huán)開口氣隙處的磁感應(yīng)強(qiáng)度仿真部分結(jié)果如表1所示。

表1 開口氣隙處的磁感應(yīng)強(qiáng)度部分仿真結(jié)果

所選用的巨磁阻芯片TMR2503在－70 mT～70 mT的磁場范圍內(nèi)工作時(shí)電壓輸出是線性的，根據(jù)仿真結(jié)果可知磁環(huán)尺寸及其開口氣隙尺寸是合理的。

3 實(shí)驗(yàn)測試及結(jié)果分析

本文所設(shè)計(jì)差分式巨磁阻電流傳感器硬件連接圖如圖9所示。根據(jù)硬件電路連接圖完成電流傳感器的制作，反饋線圈匝數(shù)為100匝。所設(shè)計(jì)差分式巨磁阻電流傳感器測試所得取樣電阻上電壓與原邊導(dǎo)線電流經(jīng)最小二乘法擬合后的曲線如圖8所示。由圖8可知，采用差分式結(jié)構(gòu)使得電流傳感器具有良好的輸出線性度和較高的靈敏度。差分式巨磁阻電流傳感器輸入輸出特性測試數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 輸入輸出特性測試數(shù)據(jù)表

圖8 傳感器輸入輸出特性擬合曲線

圖9 差分式巨磁阻電流傳感器硬件連接圖

所設(shè)計(jì)閉環(huán)結(jié)構(gòu)電流傳感器的輸入輸出特性擬合方程為:

由表2數(shù)據(jù)可得電流傳感器靜態(tài)特性指標(biāo)如下。

所研制傳感器與兩種型號(hào)為AA002－02和AA003－02的巨磁阻電流傳感器進(jìn)行比較。AA002－02型巨磁阻電流傳感器線性度為0.79%，滯后為0.92%；AA003－02型巨磁阻電流傳感器線性度為2.99%，滯后為1.84%[18]。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所研制電流傳感器的測量性能得到了顯著提升。

4 結(jié)論

本文通過對(duì)差分式巨磁阻電流傳感器的測量原理和系統(tǒng)模型進(jìn)行研究和分析，制作了一種差分式巨磁阻電流傳感器，能夠有效提升傳感器的輸出線性度，改善零偏誤差，抑制溫度漂移，從而改善傳感器電流測量精度。實(shí)驗(yàn)表明，所研制閉環(huán)結(jié)構(gòu)電流傳感器能在±5A的量程內(nèi)線性工作，分辨力為0.01 A，靈敏度為204.6 mV/A，線性度為0.30%FS，精度可達(dá)0.39%。所研制電流傳感器具有一定的實(shí)用價(jià)值。