GMR传感器的电流测量影响因素的研究

刘静 刘瑞敏 沈鑫 陈先富 张少泉

摘要：近年来随着磁电子器件的快速发展，基于巨磁电阻（giant magneto resistive，GMR）效应的传感器则为智能电网的在线电流监测提供了一种新的选择。对于光伏发电系统，电流的精确检测是光伏发电系统得以可靠和高效运行的基础，高性能的电流传感器的研发，对提高光伏发电系统的实际应用有重要意义。但巨磁电阻的性能受外界环境的影响较大，因此会使测量产生一定的误差，本文主要针对非线性误差，磁滞，零漂和温漂对国内外所提出了各种温度补偿方案进行分析，这些方案当中包括使用硬件电路和通过算法的校正，以及采用闭环磁补偿结构改善了磁性材料的磁滞效应引入的误差，提高巨磁电阻传感器的线性度及灵敏度。

关键词：巨磁电阻，电流测量，温度补偿，磁滞，误差

中图分类号：TP216 文献标识码：A DOI：10.3969/j.issn.l003-6970.2017.08.032

引言

1986年德国P.Grunberg采用纳米技术对Fe/Cr/Fe3层膜结构进行实验研究发现，在两铁磁层之间存在反铁磁耦合作用。1988年法国A.Fert的研究小组将Fe和Cr交替制成多层超晶格薄膜，发现了外部磁场可以使材料的电阻变化率十分明显，艮P：巨磁电阻（giant magneto resistance，简称GMR）

效应。GMR效应的发现，导致了新的自旋电子学的创立。目前，GMR传感器已经得到了广泛的应用[34]，基于GMR效应的相关物理实验也在大学物理实验教学中得到开展[54]。但不同方向外磁场以及环境温度对GMR器件的特性影响报道不多，GMR传感器测量电流时，为了使测量效果最佳有时需要加磁偏置，磁偏置的选取也十分重要。过去的20年里，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。对于光伏发电系统，电流的精确检测是光伏发电系统得以可罪和尚效运行的基础，高性能的电流传感器的研发，对提高光伏发电系统的实际应用有重要意义。

智能电网最需要检测的关键量是电网各关键节点以及所有设备的电压和电流实时信息，通过监测得到的电压和电流也可以得到整个系统的功率信息。GMR电流传感器适合于智能电网的分布式测量和数据采集，借助先进的通信手段，能够实现智能电网的分布式实时监测。并且对GMR的动态性能进行了测试与分析，各种分析与测试结果表明将巨磁电阻传感器应用于电力系统中交流大电流的测量是有可能的。但由于GMR电流传感器存在的磁滞，非线性误差以及温漂和零漂带来的测量，并且巨磁阻电流传感器对外界磁场比较敏感，使得在具体的测量当中到不到所要求的高精度，为此国内外提出了很多改善性能的方案。

1 GMR传感器件

任何一种具有磁性非磁性材料中不同自旋方向的电子的散射强度不同产生的材料都有可能产生GMR效应。目前已经发现并得到大量实际应用的材料主要有多层膜结构、自旋阀结构、颗粒膜结构和隧道结结构四种结构。它们的性能对比如表1所示：

GMR电流传感器按照测量原理，GMR电流传感器可分为开环传感器和闭环传感器。相比于开环传感器，闭环传感器利用磁场反馈方法改善了传感器的线性度，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[27，28]。

2 温度特性分析及校正研究

2.1 硬件補偿

巨磁电阻效应器件是一种磁敏器件，对温度具有一定的敏感性。在电压源供电的情况下，巨磁电《软件》杂志欢迎推荐投稿：cosoft@vip.163.com

阻效应器件随着温度上升，输出响应逐渐衰减，对巨磁电阻效应器件的测量性能有很大影响，因此必须对巨磁电阻效应器件采取相应的温度补偿。桥式电路具有的优良的自补偿特性，因此GMR传感器的敏感结构采用惠斯通电桥结构。由于四个巨磁电阻由相同的材料制成，所以性能基本相同，误差较小。巨磁电阻芯片有两种，一种是单极性芯片，一种是双极性芯片，内部虽然都是惠斯登电桥结构，但是所用的巨磁电阻材料以及屏蔽方式有所不同。

通常构造成如图1所示的惠斯登电桥结构来进行测量和设计传感头，可用NVE公司的巨磁电阻传感器，该结构有助于提高传感器的输出灵敏度。参考文献自制了GMR元件构建了一个惠斯通电桥GMR传感器，提高传感器输出信号的灵敏度，当无外磁场时电桥处于平衡状态，输出电压信号为零。

但自制的GMR芯片有一定的磁滞，每次测量时都需要对其进行消磁处理。

基于巨磁电阻电流传感器的输出响应与供给电源的电压成正比的原理，利用一个对温度敏感的电压源给巨磁电阻效应电流传感器进行供电，提供相应的温度补偿，改善了巨磁电阻效应电流传感器的温度特性，同时也提高了巨磁电阻效应电流传感器的测量精度。温度补偿器具有成本低、结构简单、稳定性好等优点，显著提高了巨磁电阻效应电流传感器的精度。温度补偿器的结构如图所示，选用高精度、低失调电压温漂的单运放仪用放大器OP07。

通过输出电压V0对巨磁电阻进行供电，引脚4与引脚7分别作为放大器的正、负电源引脚，在电源与地之间加入去耦电容的主要作用是滤除OP07芯片自身的高频噪声，通过隔离供电回路切断噪声传播；防止电源噪声对芯片产生干扰；起到蓄能电容的作用。当温度变化时，供电电压会随着常值电阻A与温变电阻孕的变化发生波动，电压放大倍数Au为：

2.2 软件补偿

参考文献采用最小二乘法和BP神经网络两种方法来对巨磁阻传感器的零点温漂进行补偿。通过最小二乘算法补偿后，巨磁阻传感器的零点温漂误差由补偿前的18.36%降至4.73%；通过BP神经网络算法补偿后，巨磁阻传感器的零点温漂误差由补偿前的18.36%降至0.56%。所以将BP神经网络补偿算法应用于系统中巨磁阻传感器的零点温漂补偿能够取得更为理想的补偿效果。文献采用NVE公司的AAH002-02巨磁阻元件进行了信号调理以及温度特性测试，运用微粒群补偿算法和最小二乘法对温度特性进行了处理。结果显示两种方法都使得传感器满量程相对误差提高了一个数量级，但与二次最小二乘法补偿相比，微粒群算法比最小二乘法具有更好的温度补偿效果，但也存在计算步骤复杂且优化时间长等问题。

3 磁滞现象引起的误差

磁滞现象普遍存在于磁性材料中，所谓磁滞是指当磁体达到磁饱和状态后，如果减小磁场，磁体的磁感应强度B（或磁化强度M）并不沿着起始磁化曲线减小，B（或M）的变化落后于H的变化。一般来说，磁性材料的磁感应强度B并不是磁场强度H的单值函数同时依赖于材料本身经历的磁状态的历史。

巨磁电阻及磁导环均属与磁性材料范畴，因此磁滞现象的存在将对传感器的精度有较大影响。参考文献[33]提出当聚磁环磁芯、GMR芯片以及反馈绕组共同作为探头，组成闭环系统时，传感器受磁滞现象的影响最小。采用闭环系统可以降低由磁滞现象引起的误差，保证了传感器的测量精度与线性度。

如图所示，C为聚磁環磁芯，IP为原边电流（被测电流），Ie为反馈电流，WP为原边绕组，匝数为N：，通常为一匝，We为反馈绕组，匝数为N2，IP在磁芯中产生的磁通为中P，Ie在磁芯中产生的磁通为中P。

聚磁环C将原边电流Ip所产生的磁场进行聚集之后，作用于巨磁电阻芯片（GMR），当芯片感受到磁场的作用之后，将会有电压信号输出。由于反馈线圈产生的磁场与原边电流产生的磁场方向相反，因而减弱了原边磁场，使巨磁电阻芯片输出逐渐减小，反馈电流也相应减小，当原次级线圈产生的磁场大小相等时，反馈电流不再减小，达到零磁通状态，即： 被测电流发生任何变化都会破坏这一平衡，当磁场失去平衡，巨磁电阻芯片就会有电压信号输出。此电压信号经过放大、功率放大处理之后，就会立即产生相应的反馈电流，反馈电流过反馈绕组对失衡的磁场进行补偿。该平衡过程所需的时间小于，因此该传感器具有较快的响应速度。电流传感器的输出电压。可以表示为：

输出电压仅与主、次线圈的匝数比有关，不受芯片的非线性、聚磁环磁芯的非线性以及温度对芯片的影响。

4 其他影响因素

对于光伏系统，GMR电流传感器对外界杂散磁场很敏感，因此不适合采用GMR流量传感器，参考文献提出了采用磁通门传感器，但磁通门传感器的信号处理电路比较繁琐，主要用于直流弱磁场的测量。巨磁阻电流传感器具有高带宽、高灵敏度、低功耗、可靠性高和体积小等优点，达到了电流传感器未来发展趋势的要求。针对外磁场的干扰，可以采用磁屏蔽技术，磁屏蔽是用来隔离磁场耦合的措施，是利用磁通沿低磁阻路径流通的原理来改变外界杂散磁场的方向，从而使磁力线聚集于屏蔽体内。

由于巨磁阻芯片为磁性元件，存在磁滞现象和饱和现象。当被测磁场超过某个值时，巨磁阻芯片达到饱和，输出不再增加。当被测磁场较弱且在正负过零点间变化时，由于巨磁电阻相邻铁磁层间较弱的耦合作用，使得巨磁阻芯片表现出明显的磁滞效应。并且所用的巨磁阻芯片为单极性输出特性，当测量交流电流时，输出的波形容易失真，从而引起较大的输出误差。因此需要设计独特的偏置磁场结构，通过磁场的叠加使得作用于GMR芯片的磁场全部提高到线性区。文献参考文献对直流GMR电流互感器可能遇到的电磁干扰进行了电磁兼容性设计。采用AD592温度传感器设计温度补偿电路，以及采用抗干扰设计，包括PCB板的抗干扰设计和屏蔽、接地、瞬态抑制、电源的抗干扰设计等措施。利用多项式拟合的方法改善巨磁电阻传感器的线性度指标，从而实现自校准算法。参考文献基于巨磁电阻（GMR）自旋阀的实验平台，设计了一种用于线性校正用途的模糊神经网络（FNN），并以此构建了智能GMR磁传感器系统，讨论了单芯片系统（SOC）实现该智能GMR磁传感器的可行性。参考文献利用Labhew的虚拟仪器技术，设计完成了一套具有GMR效应的H-R曲线虚拟仪器测试系统，该系统的测量精度高、速度快、测试界面直观、友好。

5 结语

巨磁阻传感器可以利用巨磁电阻效应检测电流产生的感应磁场大小，它具有体积小、灵敏度高、线性度好、响应频率高、抗恶劣环境、成本低等优点，在电流检测方面显示出极大的应用前景。直流用巨磁电阻电流互感器和测量母线电流用传感器方面仍有很多研究的地方。同时随着电力电子技术的飞快发展和电力系统的需求的不断增长，区域电网的互联和发展以及智能电网的集成化已经成为必然的趋势。因此未来电流传感器的发展趋势是能实现对电流的实时精确检测，包括对直流、交流、脉动直流及漏电流的测量。