巨磁电阻电流传感器空间位置特性调控与校正*

王兴隆， 刘瑞敏， 仝 杰， 杨志勇, 杨燕平， 刘 静

(1.昆明理工大学 信息工程与自动化学院，云南 昆明 650500；2.中国电力科学研究院 信息通信研究所，北京 100192)

0 引 言

随着智能电网的建设与发展，电网各关键节点和设备状态的精确测量变得十分重要。高效精确的传感及测量技术是实现电网监测、控制、分析和决策的基础，也是智能电网发展的关键。近年来,随着电磁测量技术的发展，基于巨磁电阻(giant magnetoresistance,GMR)效应的传感器也为智能电网在线电流监测提供了一种全新的方法。相比于电流互感器、分流器、罗氏线圈、霍尔传感器及磁通门传感器等常见测量方法，GMR传感器具有体积小、价格低、频带宽、灵敏度高、线性度强及温度系数低等优点[1,2]。因此,GMR电流传感器必将成为电流传感量测发展的新趋势。

本文针对传感器使用过程中的位置不确定性进行了分析及校正，测量误差减小一个数量级以上，极大地提高了传感器测量精度，简化量测步骤。

1 GMR电流传感器

利用磁电阻(magnetoresistance，MR)比表征磁电阻效应，定义为

(1)

式中RH(ρH)为外磁场强度为H时磁性材料的电阻(率)；R0(ρ0)为外磁场强度为0Oe时磁性材料的电阻(率)[1]。

1.1 GMR效应

GMR效应可结合N.F,Mott的二流体(two current)模型及自旋电子学进行描述[3～6]，如图1所示。

图1 巨磁电阻效应二流体模型

磁性材料上产生GMR效应至少满足3项条件：1)在外场强度为零时，金属层与隔离非金属层构成反平行自旋结构；2)各层薄膜厚度应小于电子平均自由程；3)自旋方向相反的两种电子，在磁性原子的散射差必须很大。因此，并非所有薄膜材料均具备巨磁效应[7]。

1.2 GMR电流传感器工作原理

GMR传感器敏感结构如图2所示。通过毕奥—萨伐尔定律可知，无限长直通电导线周围存在磁场，磁感应强度为B=μ0I/(2πD)，与激励电流强度I成正比，与距载流体垂直距离D成反比。将GMR元件的敏感轴向垂直于电流流向，可得到GMR阻值与电流变化的对应关系，实现电流量测功能[8]。

图2 敏感结构示意

1.3 GMR传感器常见结构

GMR分离式电流传感器通过将GMR元件放置于载流体周围通过感应磁场强度变化以阻值变化的形式完成电流的测量。根据结构差异，GMR电流传感器分为开环结构与闭环结构。如图3所示。

图3 GMR传感器结构

开环结构GMR直接通过测量长直导线上电流产生的磁场测量电流，利用电桥结构将电阻的变化以电压形式输出，输出与被测电流成正比，实现电流信号的量测功能。

闭环结构相比于开环增加了一个由运放和反馈线圈组成的反馈回路，将GMR敏感单元嵌入环形铁芯开口气隙中，被测电流I产生的磁通φ集中穿过GMR元件产生感应电流I0，通过放大输送至磁芯的补偿线圈产生磁通φ0，当磁通φ0完全补偿被测电流产生的磁通φ时，通过测量取样电阻R产生的Uout得到被测电流I。利用反馈形式可有效提高传感器输出线性度、精度及带宽，增大动态测量范围，较高的回路增益还可以有效降低器件误差对测试性能的影响。

2 位置不确定性特性研究

在电力系统实际生产应用中，由于安装及外界环境变化等因素无法达到理想情况下传感器与被测电流的相对位置，因此,对传感器位置不确定性的研究至关重要。

2.1 位置不确定性对器件的影响

考虑到GMR传感器的线性特性，多采用单轴形式设计传感器敏感单元，即在空间中仅针对来自一个方向上的磁场变化敏感。

以采用多靶磁控溅射系统及退火工艺为基础的多层膜结构材料为例，分别对多层膜结构材料的X,Y,Z轴向的传感特性进行研究。其中定义X轴为敏感轴方向，Y轴为多层膜电阻平面内垂直于敏感轴的方向，Z轴则垂直于多层膜电阻平面。在外磁强度为-60～60Oe的范围内分别测量3个轴向的灵敏度。

由图4和表1实验结果可知：X轴的灵敏度远大于其他两个轴向的灵敏度，幅度约为Y，Z轴的20倍。X轴向上的线性范围最小40Oe，当X轴向方向的信号强度进入饱和区时，Y,Z轴向上仍处于线性工作区。不同于敏感轴上输出的明显变化，外磁场在不敏感轴产生的干扰信号对传感器输出影响几乎为零。由于地磁场或实验过程中干扰磁场的影响，在传感特性曲线上存在不同程度上的直流偏置。

图4 GMR传感器各轴向传感特性

方向灵敏度/(mV/VOe)偏磁/OeX轴3.1675.294Y轴0.1450.000Z轴0.1079.264

位置不确定传感特性指GMR传感器在同一磁场环境中，不同方向与位置下的传感特性。GMR传感元件采用单轴形式设计，因此,不敏感轴向的磁场可以忽略不计，对磁场进行正交分解后，计算敏感轴向的磁场即可。

2.2 传感器敏感度特性调控

在无磁环情况下，由毕奥—萨伐定律可知，传感器敏感轴方向磁场为

(2)

由安培环路定律及磁通连续原理可得磁环开口气隙处磁场强度

(3)

两者相比

(4)

磁环能显著放大被测电流磁场强度，传感器灵敏度可提高约31.4倍。通过Ansoft Maxwell仿真计算，气隙中心1 mm2和磁环中心1 mm宽的环带磁场分布如图5、表2。磁环对被测电流的磁场放大倍数约为30倍，相对理论值较小，这是由于磁环端部漏磁造成的。同时,开口气隙处磁场不均匀度不超过±5 %。

图5 两种情况下气隙中心磁场分布

3 常见位置不确定性分析

实际生产运行中，导线与传感器位置不确定性分为角度偏转与位置偏移两种常见情况。

3.1 偏转角度特性调控

理想情况下，磁环与导线的位置如图2，导线沿Z轴方向，电流方向沿Z轴正方向。气隙中心位置位于X轴。通过分析空间中角度关系，偏转后的传感器空间任意位置可由绕Z轴右手旋转角度θ与绕Y轴左手旋转角度φ确定。Givens旋转变换矩阵为

(5)

无磁环时，存在偏转角度θ和φ时，无穷长直导线作用下，GMR敏感结构敏感轴方向上磁场如下

(-sinθcosφ,cosθ,-sinθsinφ)

(6)

通过仿真计算角度θ在0°～90°范围内变化及角度φ在0°～80°范围内变化时，有、无磁环情况下，GMR传感器敏感方向上磁场大小变化如图6所示。在有、无磁环情况时，不同偏转角度下，磁场变化一致，在极端角度下取得极值。当θ=90°,φ=80°时，气隙最靠近导线，同时，磁场方向与敏感轴方向一致，此时取得极大值；当θ=0°,φ=80°时，气隙距导线最远，且磁场方向与敏感轴方向接近正交，此时取得最小值。相当于无磁环情况，磁环可大大改善因角度偏转引起的误差，误差减小超过30倍。有磁环情况下，极端角度偏移引起的误差最大为-1.02 %～9.79 %，当θ<60°时，角度偏移引起的误差最大为0.24 %～3.84 %。磁环的校正几乎忽略了角度偏移引起的测量误差，在实际使用中，极大限度地提高了测量精度，简化了测量程序[9]。

图6 有无磁环气隙中心敏感轴方向磁场不同角度变化

3.2 距离偏移特性调控

导线位置偏移坐标原点时，定义导线在X轴上偏移Z轴的坐标为(r,0,0)。在没有磁环情况下，GMR传感器敏感轴方向上的磁场如下

(7)

通过Ansoft仿真有无磁环在不同位置偏移下，有、无磁环气隙中心GMR传感器敏感轴方向的磁场大小变化，如图7。由图可知：有磁环情况下，不同偏移位置时，磁场变化基本一致，在极端位置下取得极值，当r=8 mm时，气隙最靠近导线，取极大值；反之r=-8 mm时，取极小值。由有、无磁环时不同位置偏移下，气隙磁场的最大变化范围分析，相对于无磁环时的情况，磁环可以大幅改善因位置偏移引起的误差，误差减小超过10倍。有磁环情况下，极端位置偏移引起的误差最大为-5.11 %～10.82 %，而当|r|≤4 mm时，位置偏移引起的误差最大为-2.86 %～1.21 %。磁环的使用极大减小了由位置偏移引入的误差。

图7 有无磁环气隙中心敏感轴方向在不同偏移下的平均幅值

4 结 论

研究了位置不确定性对GMR性能的影响。GMR传感器对磁场方向敏感度较高，因此,通过高导磁环的方法很大程度上减小了空间位置对测量精度的影响。高磁导率的磁环起到稳定气隙磁场，增强被测场，提高GMR传感器灵敏度的作用。同时GMR敏感结构较小，因此,开口气隙尺寸小，可以做到高精度量测。同时应注意为了有效减小空间位置引入的误差，实际的磁环磁导率应高于1 000，但由于一般磁导率越大，其频率相应越低，因此,在高频应用情况下，在误差允许范围内，磁环磁导率不宜高于2 000。磁环的应用可以很大程度上削减角度偏转及位置偏移引入的测量误差，使传感器在实际应用中，极大地提高了测量精度，优化测量程序。

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