巨磁电阻传感器的研究与应用

巨磁电阻传感器的研究与应用

0巨磁电阻效应传感器1988年，法国发表了一篇关于阿尔伯格尔的文章，并在2007年获得了德国尤利西学研究所的彼得格鲁博格（mercedes）发表了影响。巨磁电阻效应,是指在一个磁电阻系统中,非常弱小的磁性变化就能导致巨大的电阻变化的特殊效应。如今,巨磁电阻效应已经广泛应用于计算机硬盘磁头的数据读取、随机存储器(MRAM)、纳米技术等多种领域。这个发现还导致了新一代磁传感器的出现。如今,巨磁电阻效应传感器已广泛应用于非接触位置测量、交通速度检测、生物探测、电力系统等多种领域。GMR传感器——一类新的磁电阻传感器,它与传统的磁阻传感器相比,具有灵敏度高、可靠性好、测量范围宽、抗恶劣环境、体积小等优点,有很好的应用前景。但由于GMR传感器互换性较差,且存在非线性特性等缺点也相对限制了其在电力系统中的应用。1磁极阻抗传感器的性能1.1磁体分类按照巨磁材料的结构,可以得出图1的分类总图,其中,自旋阀多层膜可分为简单型和对称型两类;也可将其分为钉扎型和非钉扎型两类。1.2gmr传感器巨磁电阻传感器的原理是基于电子自旋相关散射效应。1994年C.Tsang等研制出全集成化的GMR自旋阀器件,2000年左右已研制出利用GMR效应的位置传感器,在2000年的第三届欧洲磁场传感器和驱动器学术会议上,关于GMR传感器的论文占论文总数的1/3以上,可见GMR的发展程度。目前市场上主要用来探测磁场变化的磁场传感器主要有以下几种:(1)探测微弱磁场的GMR传感器;(2)线性GMR传感器,该类传感器大多可应用于直流线路中;(3)数字脉冲型GMR传感器,这类传感器主要应用在位置检测。目前GMR传感器针对高压交流或直流的测量已研究很多,也有一些文献提出了对GMR传感器交/直流特性的一致性研究。按照GMR的结构,主要有多层膜巨磁电阻和自旋阀巨磁电阻两种,参考文献对这两种主要的结构进行了比较如表1所示。因为存在上述区别,所以在实际使用时应根据需要采用不同种类和不同规格的巨磁电阻。多层膜巨磁电阻因为其电阻线性范围广、测量范围大等优点更适合用于直流电路传感器。2传感器特性测试参考文献通过自行设计的实验平台,对深圳某公司和美国NEV公司的传感器特性测试比较,得出比较全面的传感器特性指标。两者区别总结见表2。由此可见,NVE公司的传感器具有更好的特性和更广阔的应用空间,其中,AA系列GMR传感器具备优越的性能,适用于较宽领域的应用。3直流电流的测量早在1936年,德国科学家克莱麦尔教授就研制成功了直流电流互感器,随后分流器法、霍尔效应法、直流电流比较仪法、法拉第效应法等多种直流电流测量方法得到了较广泛的研究。巨磁电阻效应因为其自身的优点也越来越多得应用于测量直流电流的电路中。3.1相邻磁层的磁阻如今相对比较成熟的理论机理是利用二流体模型对磁性多层膜巨磁电阻效应进行定性解释,如图2所示。图2a)中铁磁金属的电流由自旋向上、向下的电子分别传输,自旋磁矩方向与区域磁化方向平行的传导电子所受到的散射小,因而电阻率低,当磁性多层膜相邻磁层的磁矩反铁磁耦合时,自旋向上、向下的传导电子在传输过程中分别受周期性的强、弱散射而表现为高阻态;图2b)中相邻磁层在外加磁场作用下趋于平行时,自旋向上的传导电子受较弱的散射而构成低阻通道,自旋向下的传导电子则受强散射形成高阻通道,因两通道并联,故多层膜表现为低阻态。对于该传感器,通常构造成如图3所示的惠斯登电桥结构来进行测量和设计传感头,即可用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。3.2传感器静态特性测试巨磁电阻应用于直流电流测量,其实质是对静态磁场的敏感,参考文献为更全面了解其静态特性,设计了一套装置以获取其全面的静态特性指标,特性展示如图4所示。测试正/负向磁场下的传感器静态特性,是因为直流输电过程中存在双极性输电的情况,从图中可得出以下的结论:(1)正/负向磁场下传感器的线性度指标并不理想,应考虑非线性补偿问题。(2)正/负向磁场下传感器的静态特性存在微小差别。另外,测试出了对应的温漂和时漂测试结果,说明了该传感器具有良好的稳定性。此外,参考文献[14-15]也对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。3.3高压侧冗余备份方案设计在全面获取传感器的静态特性后,可设计出如图5所示的巨磁电阻直流电流互感器总体方案。鉴于传感器输出需调理成光信号以实现高、低压间的绝缘,因此该传感器属于有源电子式互感器范畴。互感器运行时单片机2可先不工作,由单片机1完成高压侧电路的所有功能,如果低压侧电路判断出高压侧电路可能存在故障,即唤醒高压侧的单片机2,并对单片机1发出复位指令。对高压侧电路进行测试诊断以排查故障原因,最坏情况是单片机1存在故障,此时将单片机1的工作任务倒换至单片机2以使互感器保持正常工作,从而克服了高压侧电路因单片机1出现故障而导致互感器不能工作的缺陷。通过对激光供能方法的优化研究,有可能实现高压侧的冗余备份方案。参考文献还对直流GMR电流互感器可能遇到的各种电磁干扰进行了电磁兼容性设计。采用AD592温度传感器设计的温度补偿电路,采用PCB板的抗干扰设计及屏蔽、接地、瞬态抑制、电源的抗干扰设计等措施来抑制干扰。3.4第一,基于巨磁电阻效应的电路测量系统参考文献以高精度霍尔传感器的磁感应强度B测量结果作为标准磁场值,将静态和动态两种情况下巨磁电阻传感器的输出和霍尔传感器的输出都还原到原始的传感器输出,得出如图6所示的对比图。从图6中可以看出,动、静态特性对应关系良好,所以还可将其用于电力系统母线电流测量,并做交/直流两用测量。基于巨磁电阻效应的母线电流测量系统结构如图7所示。高压侧采集电流和温度信号后,调制成光信号通过光纤发送到低压侧实现信号调理、频谱分析和输出驱动后续装置的功能。3.5自校准算法实现参考文献还对非线性误差进行了详细的分析并提出了可行的补偿方法,此外,参考文献讨论了该电流式互感器的智能化方法,提出利用舵机来控制永磁铁与巨磁电阻传感器间的方法,从而产生多个标准磁场值,实现了自校准模块;通过备用单片机的引入实现了自诊断模块;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。参考文献在Labview的虚拟仪器技术上,设计完成了一套具有GMR效应的样品的H-R曲线虚拟仪器测试系统,测量精度高、速度快、测试界面直观、友好。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。4巨磁电阻传感器巨磁电阻效应的研究位于当前凝聚物理研究热点中的首位,多种巨磁材料的出现为巨磁电阻传感器提供了广阔的空间,但是从制作难易程度、性能的稳定性等方面来考虑,目前