基于巨磁电阻效应的电流传感器

哈尔滨工业大学课-0-HarbinInstituteofTechnology基于巨磁电阻效应的电流传感器自动控制元件及线路新型传感器介绍哈尔滨工业大学课-1-一、器件概述GMR电流传感器是一类利用GMR效应测量电流的装置。按照测量原理，GMR电流传感器可分为开环传感器和闭环传感器。开环式GMR电流传感器通过直接测量长直导线上电流产生的磁场来测量电流。如图2所示，电流方向与传感器的敏感轴方向正交，电流产生的磁场方向与敏感轴方向平行。假设流经导线的电流为I，传感器距离导线的距离为d。当电流变化时，磁场随之变化，GMR的电阻也发生变化，利用电桥结构将电阻的变化输出为一个电压信号。由于GMR电阻和磁场之间具有线性变化规律，输出的电压正功能作用比于被测电流，从而实现电流信号的测量功能。相比于开环式传感器，闭环式GMR电流传感器多了一个由运放和反馈线圈组成的反馈回路，如图3所示。其工作原理为：GMR元件放置在环形铁心的空隙中，让被测电流I所产生的磁通Φ集中穿过GMR元件，由于GMR效应在GMR元件的电压端上产生电压U，此电压再经放大输送到磁芯的补偿线圈，在补偿线圈中即产生磁通Φ，当磁通完全补偿被测电流产生的磁通Φ时，电流I0就能通过取样电阻R上的电压U反映出，而待测电流I也可以通过U测出。运用该磁场反馈方法可改善传感器的线性度，并增宽动态测量范围。然而，集成反馈线圈的方法会使器件能耗大量增加，并使器件工艺更加复杂。此外，由开环式GMR电流传感器的测量原理可知，其输出电哈尔滨工业大学课-2-压信号正比于被测电流，同时正比于流经GMR传感器的电流。一般情况下，GMR电桥的输入电阻可视为恒定，输出信号正比于被测电流与电桥输入电压的乘积。输入电压恒定时，GMR传感器为电流传感器；当输入电压为被测元件的电压时，GMR传感器可作为功率传感器使用，如图4所示。二、功能作用GMR电流传感器具有广阔的应用前景。其与传统电磁式电流互感器相比，具有能够测量直流到高频(MHz量级)的电流信号、测量范围宽、灵敏度高和体积小等优点，尤其是GMR能够测量直流电流，这对于直流输电系统中换流站中直流的监测极为有利；与Hall元件相比，其体积较小，灵敏度高，且具有更好的温度稳定性，能够适应电网环境温度的剧烈变化；与新型光纤电流传感器相比，其结构简单、制造简便且造价低廉，便于大规模推广使用。GMR电流传感器的以上优点，适合于智能电网的分布式测量和数据采集，分布监测全电网正常工作和事故状态下的电流，借助先进的通信手段，实现智能电网的分布式实时监测。在智能电网的应用中，利用GMR电流传感器替代传统的电磁式互感器，用于监测输电线路、变电站、配电网络和用电侧电流的分布式测量中。通过先进的通信技术将信号采集到监控中心并作出相应的反馈，可以实现全电网电流的实时监测和调度。三、原理简介1）GMR效应GMR传感器基于巨磁电阻效应，即在外磁场的作用下传感器电阻会发生巨大的变化，如图1所示，当磁场为零时，GMR材料的电阻最大；在磁场正向或者负向增大时，GMR材料的电阻均减小，且不同结构材料电阻下降的百分比不同。从1988年发现GMR效应以来[7]，巨磁电阻GMR效应的应用已处于开发及实用化阶段，哈尔滨工业大学课-3-GMR传感器首先在硬盘磁头上成功实现了商品化。除直接测量磁场以外，GMR传感器在电流、位移、线速度、角度、角速度和加速度等物理量的测量和生物检测上也得到应用。2）GMR传感器的材料体系现阶段GMR电流传感器的研究主要集中在材料设计、电桥结构设计以及性能研究上。如图5所示，GMR的磁电阻体系主要包括多层膜结构、自旋阀结构、磁隧道结多层结构(magnetictunneljunction，MTJ)[30-34]和颗粒膜结构。各种GMR磁电阻体系的性能指标如表2所示，不同体系的GMR性能差别很大，饱和磁场和灵敏度相差巨大。即使是同一种材料，微结构的不同也会导致性能的巨大差异。在实际应用中应根据所测量电流信号的量程范围来合理选择材料体系。3）GMR传感器的电桥结构GMR电流传感器一般采用电桥结构，其典型结构如图6所示。单电桥的灵敏度最低，一般为提高GMR的灵敏度，多用2个单电桥组成半电桥结构。半电桥结构利用软磁材料将R2和R3进行磁屏蔽，只有R1和R4会随着外磁场变化，同时软磁材料起到放大R1和R4处磁场作用，其适用于各种材料体系。全电桥结构的放大倍数最大，但只能用于存在双极性输出的材料体系，如自旋阀(SV)和磁隧穿结(MTJ)材料等。对于只有单极性输出的材料(如多层膜(ML)材料)，只有通过增加偏置磁场才能使之应用于哈尔滨工业大学课-4-双极性输出的测量，不过这样就会使得其线性范围缩小为原来的1/2。因此电桥结构的选择是与所选用的材料体系紧密相关的。值得注意的是，理论上只有采用恒流源给电桥供电时，输出电压与电阻变化才呈线性关系。实际应用中多采用电压源供电，对于单电桥和半电桥而言，输出电压只能近似视为与电阻的变化呈线性关系。四、典型应用案例1）输电线路、变电站及换流站的电流监测。输电线路、变电站及换流站的电流监测对象主要包括正常直流、工频工作电流、谐波电流、工频过电流、短路电流、操作冲击电流和雷电冲击电流等。正常工作电流的幅值通常在几个kA，各类过电流的幅值更大，通常在几十kA甚至上百kA，且持续时间很短，需要量程和响应速度均能满足要求的传感器进行量测。GMR电流传感器的磁电阻体系中，多层膜和颗粒膜体系的线性范围均能满足大幅值电流测量的要求，并且其频率响应可达到几MHz甚至更高，能够满足测量暂态电流的要求。2）绝缘在线监测。绝缘监测的对象主要包括线路和变电站内的避雷器和绝缘子的泄漏电流，通过监测这些电气量来表征限制故障电流和防御过电压的电器的性能。在正常工作条件下，氧化锌避雷器总泄漏电流只有几百μA到几个mA；在湿度较低及污秽程度较轻的情况下，绝缘子泄漏电流幅值较小，一般不超过1mA。而在线路过电压状态下，泄漏电流变化较为激烈，其幅值将超过10mA，绝缘子泄漏电流的报警值大约为几十mA到几百mA[40]。此类电流的特性是幅值很小，且一直存在。对于mA级小电流的量测，利用自旋阀和TMR体系可以保证其精度的要求；但是对于μA级的泄漏电流，目前的GMR传感器无法直接测量，需要将电流放大至mA级才能满足其测量精度。3）功率测量(智能电表)。在配电和用电侧，GMR功率传感器也可用于监测功率的智能电表中。采用自旋阀和TMR等精度较高的传感器替代目前使用的电磁式电表，将大大提高电表的灵敏度。4）电压监测。GMR传感器虽然是电流传感器，但可通过转换装置使得其也能应用于电压测量。例如利用电压/电流转换电路将电压信号转换为电流信号，从而实现GMR传感器对于电压的监测。