开环式GMR传感器电流测量实验研究

董向成，周 玲，朱实强

(兰州城市学院 培黎石油工程学院，甘肃 兰州 730070)

电流精确实时测量是物理量测量的重要内容，电流测量可分为直接测量和间接测量，直接测量方法是基于欧姆定律的分流原理设计的，间接测量是基于安培环路定理的电磁转换原理设计的[1]. 分流器接入电路会带来损耗、电气绝缘等问题，为克服上述问题，间接测量方法的研究近年得到快速发展，其中巨磁电阻(GMR) 电流传感器由于测量范围宽、灵敏度高、体积小、成本低、可集成等优点逐渐成为电流监测的有效手段[2].

本文以巨磁电阻搭建的惠斯通电桥做为电流传感器，以开环结构的方法对电流测量过程中存在的影响电流测量精度的因素进行分析[3]，依据实验室提供的电压测量范围，将电流测量控制在mA～A级别，从传感器线性度、周围磁性材料对传感器的影响、截流导线与传感器的间距等方面对电流测量误差进行分析.

1 实验原理及设备

1.1 巨磁电阻传感器原理

固体导电机制认为，导体中的电子做为载流子，其定向运动形成电流，电子在外电场作用下做定向运动并受到固体晶格原子的散射，散射使定向运动减弱导致导体电阻率增加. 现代磁电子学认为，自旋向上和自旋向下的电子分别独立地承载电流，当电子自旋磁矩方向与所通过铁磁层磁矩方向相同，所受到的散射较小，容易通过该磁层，对外表现为电阻率降低；当电子自旋磁矩方向与铁磁层磁矩方向反平行时，所受到的散射较大，对外表现为电阻率升高. 若以磁矩互为反平行的铁磁层间隔以非磁性隔离层制成多层二维膜，零外磁场条件下，电子通过该多层膜时受到的散射较大，当有外磁场作用时，反平行磁矩受磁化趋于一致，则与该磁矩方向平行的自旋电子受到的散射较小，表现为多层膜的电阻率减小，这种现象被称为巨磁电阻效应(GiantMagneto-resistance,GMR)[4-5].

以巨磁电阻制成惠斯通电桥，4个电阻构成平面与电阻多层膜膜面相同，其中2个电阻进行磁屏蔽，另2个电阻在电流磁场的作用下电阻发生变化，从而改变电桥输出电压达到电流测量的目的. 电流传感器的测量结果受电桥工作电压大小、电桥输出电压测量精度、载流导线到传感器的距离及角度、环境磁场干扰等因素的影响，实验发现选择恰当输出电压量程，可达到μA～A级别电流测量.

1.2 非接触式电流测量原理

将带电直导线放置于GMR电流传感器二维膜面上方，电流磁场的变化引起电桥磁敏电阻变化，以电桥输出电压的形式实现电流的测量，这种方式称为开环结构；另一种方式是让被测电流垂直穿过有铁芯的螺绕环中，将GMR传感器嵌入铁芯开口气隙中，通过磁通的变化完成电流的测量，称为闭环结构. 由于开环结构具有集成度低、易于操作等优势，故本文采用开环结构进行实验.

非接触式电流测量是以电流周围存在的磁场测量为基础，有必要对电流与周围磁场的关系进行分析.

由毕奥-萨伐尔定律得到真空中电流元在场点P产生的磁感应强度为

(1)

其中I为导线上的电流强度，r为电流元到场点P的距离. 对于长直线导线，由右手定则可得，所有电流元在P点所产生的磁感强度方向一致，对(1)式进行积分可得到

(2)

其中θ1和θ2分别为直导线到P点的连线与直导线的夹角，将导线靠近传感器时，长直导线可视为无限长导线，则(2)式化为

(3)

磁感强度的方向沿以直导线为中心的同心环的切向，大小与电流强度成正比，与距离成反比，与所处的磁介质成正比.

由电桥电路分析可得，电桥输出电压为

(4)

其中，Ucc为电桥工作电压，R为电桥上2个受磁屏蔽电阻的阻值，ΔR为外磁场作用下电桥变化的电阻，与直接使用巨磁电阻测量电流的方法相比，电桥结构中的电流传感器体积更小，灵敏度更高，更稳定[6].

2 实验数据及结果

2.1 传感器线性拟合度测量

将数字毫安表接入电路作为待测电流标准值，使载流直导线靠近传感器，并使其产生的磁场的方向与传感器敏感轴的方向一致，由于导线上通过的电流较小，产生的磁场很弱，会受到地磁场的影响，应调整地磁场的方向与传感器非敏感轴一致，以减小地磁场影响；使测量装置远离磁性测量设备，如磁电式电表，以减小环境磁场对测量影响；实验开始前使用亥姆霍兹线圈产生的磁场对传感器磁敏电阻单向极化，以减小磁滞的影响[7-8]. 输出端采用毫伏表测量输出电压，当导线磁场较弱时，选用量程更小的电压表；用2个游标卡尺固定导线并测量其位置及位置变化.

按照上述要求调整设备，使零电流条件下输出电压为零；设置载流直导线到传感器磁敏电阻二维膜面的距离为2.5 mm，电桥工作电压(Ucc)为5 V，毫伏表量程为3 mV，改变待测电流，记录待测电流(I0)及输出电压(Uout)的值，并利用(3)式计算电流磁场的理论值(Bthe)，列入表1.

表1 电流磁场理论结果与拟合结果

将表1中的数据以输出电压Uout为自变量，导线电流I0、导线磁场理论值Bthe为因变量进行直线拟合，拟合结果如图1～2所示.

图1 待测电流与输出电压的关系

图2 磁场理论值与输出电压的关系

从图1～2中可看出，直线拟合优度均大于0.999，增加测量点数至20个时，待测电流强度增加到800 mA时直线拟合优度仍大于0.999，可见恰当设置测量条件，巨磁阻电桥电流传感器线性度很高[9].

2.2 待测电流到传感器距离对测量结果的影响

实验发现，被测电流到传感器的距离会对测量结果产生影响，测量距离过小和过大都会导致测量结果变差. 使用直径约为1.2 mm铜导线，通以I01=0.35 A和I02=0.70 A电流，对应的输出电压分别用Uout1和Uout2表示. 直流载流导线到传感器的初始距离Z=2.50 mm，Z值每增加5.00 mm记录1次输出电压，2组电流对应的输出电压之比用Uout1/Uout2表示，由表2可看出比值在Z>27.50 mm时，偏离正比关系，认为测量结果出现较大偏差. 实验数据列于表2中.

表2 不同I0到传感器距离对Uout的影响

利用表2中的数据，绘制Uout和导线到传感器距离Z的关系，如图3所示.

图3 待测电流到传感器距离对输出电压的影响

由图3可知，曲线呈反比，可用式(2)解释该现象：由于带电直导线到传感器距离发生变化，输出电压与电流的线性关系系数发生变化使反比曲线关系并不严格. 导线位置不变，改变导线方向，当电流磁场方向与传感器非敏感轴一致时，输出电压最小，测量发现敏感轴电压输出是同条件下非敏感轴输出电压的10～20倍，与闭环结构相似[10]，传感器安装角度对测量灵敏度有影响.

2.3 环境磁场对测量结果的影响

电流测量环境中不可避免存在铁磁性物质、地磁、其他电流产生的磁场，会在传感器磁敏电阻的磁性薄膜内产生磁滞，使测量结果产生较大的误差[11]，传感器在测量前进行单向磁化可减小这一问题. 环境磁场也可通过加外场的方式进行抵消，达到输出电流调零的目的.

为分析周围磁场的影响，使用磁电式电表(内含磁铁)作为环境磁场，沿传感器敏感轴和非敏感轴移动，测量输出电压，数据记录在表3中，其中X为磁铁到传感器的距离，Uout∥和Uout2⊥分别为沿敏感轴和非敏感轴输出电压. 可看出磁电式电表对测量结果影响较大，当距离在20 cm以上时，测量误差才会明显降低，其趋势线如图4所示.

表3 不同方位磁性物质对Uout的影响

图4 环境磁场对测量结果的影响

实验发现，移开磁体后，零磁场电桥输出电压仍不为零，是由于环境磁场对磁敏电阻磁化所致，在重新测量前必须进行单向磁化，或使用外加磁场的方式补偿测量过程中产生的磁滞.

3 结束语

线性度和磁滞是影响GMR电流传感器测量灵敏度和误差的重要因素，调整电流与传感器的距离、电流与传感器敏感轴的夹角、电流与磁敏电阻二维膜面的夹角都会对其线性度产生影响，通过调节，电流强度在20～800 mA范围内，20个以上测量点数的条件下，其直线拟合优度在0.999以上，证明在恰当的测量条件下，利用GMR电流传感器测量电流强度精高较高. 由于传感器电桥中的磁敏电阻受到周围磁场的影响产生磁滞，零测量条件下环境磁场对测量结果会造成重要影响，如磁电式测量电表会对传感器磁敏电阻产生磁化，使电压输出不能归零，单向磁化可改善这一问题，实验发现，也可通过增加外磁场的方式对磁滞进行补偿来提高测量精度.

参考文献：

[1] 和劭延，吴春会，田建君. 电流传感器技术综述[J]. 电气传动，2018,48(1):65-75.

[2] 王善祥，王中旭，胡军，等. 基于巨磁阻效应的高压宽频大电流传感器及其抗干扰设计[J]. 高电压技术，2016,42(6):1715-1723.

[3] 何金良，嵇士杰，刘俊，等. 基于巨磁电阻效应的电流传感技术及在智能电网中的应用前景[J]. 电网技术,2011(5):8-14.

[4] 魏朝刚，任天令，朱钧，等. 磁电子学研究概述[J]. 固体电子学研究进展，2003,23(4):377-383.

[5] Baibich M N, Broto J M, Fert A, et al. Giant magnetoresistance of (001)Fe/(001)Cr magnetic superlattices [J]. Physical Review Letters, 1988,61(21):2472-2475.

[6] 姚志，孙继忠，李建东. 多层膜巨磁电阻特性及电流最佳测量[J]. 物理实验,2012,32(4):5-8.

[7] 康伟芳，杨溢. 用自旋阀巨磁电阻传感器测量地磁场[J]. 武汉理工大学学报，2009,31(4):584-586.

[8] 胡军，赵帅，欧阳勇，等. 基于巨磁阻效应的高性能电流传感器及其在智能电网的量测应用[J]. 高电压技术，2017,43(7):2278-2286.

[9] 何伟铭，蒋超伟，井原透，等. 高精度传感器标定曲线的预测拟合[J]. 传感技术学报，2013,11(26):1519-1524.

[10] 王兴隆，刘瑞敏，仝杰，等. 巨磁电阻电流传感器空间位置特性调控与校正[J]. 传感器与微系统，2018,37(1):25-28.

[11] Liu S, Huang Q, Li Y, et al. Experimental research on hysteresis effects in GMR senors for analog measurement applications [J]. Sensors and Actuators A: Physical, 2012(182):72-81.