巨磁電阻傳感器的研究與應(yīng)用

巨磁電阻傳感器的研究與應(yīng)用

0巨磁電阻效應(yīng)傳感器1988年，法國(guó)發(fā)表了一篇關(guān)于阿爾伯格爾的文章，并在2007年獲得了德國(guó)尤利西學(xué)研究所的彼得格魯博格（mercedes）發(fā)表了影響。巨磁電阻效應(yīng),是指在一個(gè)磁電阻系統(tǒng)中,非常弱小的磁性變化就能導(dǎo)致巨大的電阻變化的特殊效應(yīng)。如今,巨磁電阻效應(yīng)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)硬盤磁頭的數(shù)據(jù)讀取、隨機(jī)存儲(chǔ)器(MRAM)、納米技術(shù)等多種領(lǐng)域。這個(gè)發(fā)現(xiàn)還導(dǎo)致了新一代磁傳感器的出現(xiàn)。如今,巨磁電阻效應(yīng)傳感器已廣泛應(yīng)用于非接觸位置測(cè)量、交通速度檢測(cè)、生物探測(cè)、電力系統(tǒng)等多種領(lǐng)域。GMR傳感器——一類新的磁電阻傳感器,它與傳統(tǒng)的磁阻傳感器相比,具有靈敏度高、可靠性好、測(cè)量范圍寬、抗惡劣環(huán)境、體積小等優(yōu)點(diǎn),有很好的應(yīng)用前景。但由于GMR傳感器互換性較差,且存在非線性特性等缺點(diǎn)也相對(duì)限制了其在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用。1磁極阻抗傳感器的性能1.1磁體分類按照巨磁材料的結(jié)構(gòu),可以得出圖1的分類總圖,其中,自旋閥多層膜可分為簡(jiǎn)單型和對(duì)稱型兩類;也可將其分為釘扎型和非釘扎型兩類。1.2gmr傳感器巨磁電阻傳感器的原理是基于電子自旋相關(guān)散射效應(yīng)。1994年C.Tsang等研制出全集成化的GMR自旋閥器件,2000年左右已研制出利用GMR效應(yīng)的位置傳感器,在2000年的第三屆歐洲磁場(chǎng)傳感器和驅(qū)動(dòng)器學(xué)術(shù)會(huì)議上,關(guān)于GMR傳感器的論文占論文總數(shù)的1/3以上,可見GMR的發(fā)展程度。目前市場(chǎng)上主要用來(lái)探測(cè)磁場(chǎng)變化的磁場(chǎng)傳感器主要有以下幾種:(1)探測(cè)微弱磁場(chǎng)的GMR傳感器;(2)線性GMR傳感器,該類傳感器大多可應(yīng)用于直流線路中;(3)數(shù)字脈沖型GMR傳感器,這類傳感器主要應(yīng)用在位置檢測(cè)。目前GMR傳感器針對(duì)高壓交流或直流的測(cè)量已研究很多,也有一些文獻(xiàn)提出了對(duì)GMR傳感器交/直流特性的一致性研究。按照GMR的結(jié)構(gòu),主要有多層膜巨磁電阻和自旋閥巨磁電阻兩種,參考文獻(xiàn)對(duì)這兩種主要的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了比較如表1所示。因?yàn)榇嬖谏鲜鰠^(qū)別,所以在實(shí)際使用時(shí)應(yīng)根據(jù)需要采用不同種類和不同規(guī)格的巨磁電阻。多層膜巨磁電阻因?yàn)槠潆娮杈€性范圍廣、測(cè)量范圍大等優(yōu)點(diǎn)更適合用于直流電路傳感器。2傳感器特性測(cè)試參考文獻(xiàn)通過(guò)自行設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái),對(duì)深圳某公司和美國(guó)NEV公司的傳感器特性測(cè)試比較,得出比較全面的傳感器特性指標(biāo)。兩者區(qū)別總結(jié)見表2。由此可見,NVE公司的傳感器具有更好的特性和更廣闊的應(yīng)用空間,其中,AA系列GMR傳感器具備優(yōu)越的性能,適用于較寬領(lǐng)域的應(yīng)用。3直流電流的測(cè)量早在1936年,德國(guó)科學(xué)家克萊麥爾教授就研制成功了直流電流互感器,隨后分流器法、霍爾效應(yīng)法、直流電流比較儀法、法拉第效應(yīng)法等多種直流電流測(cè)量方法得到了較廣泛的研究。巨磁電阻效應(yīng)因?yàn)槠渥陨淼膬?yōu)點(diǎn)也越來(lái)越多得應(yīng)用于測(cè)量直流電流的電路中。3.1相鄰磁層的磁阻如今相對(duì)比較成熟的理論機(jī)理是利用二流體模型對(duì)磁性多層膜巨磁電阻效應(yīng)進(jìn)行定性解釋,如圖2所示。圖2a)中鐵磁金屬的電流由自旋向上、向下的電子分別傳輸,自旋磁矩方向與區(qū)域磁化方向平行的傳導(dǎo)電子所受到的散射小,因而電阻率低,當(dāng)磁性多層膜相鄰磁層的磁矩反鐵磁耦合時(shí),自旋向上、向下的傳導(dǎo)電子在傳輸過(guò)程中分別受周期性的強(qiáng)、弱散射而表現(xiàn)為高阻態(tài);圖2b)中相鄰磁層在外加磁場(chǎng)作用下趨于平行時(shí),自旋向上的傳導(dǎo)電子受較弱的散射而構(gòu)成低阻通道,自旋向下的傳導(dǎo)電子則受強(qiáng)散射形成高阻通道,因兩通道并聯(lián),故多層膜表現(xiàn)為低阻態(tài)。對(duì)于該傳感器,通常構(gòu)造成如圖3所示的惠斯登電橋結(jié)構(gòu)來(lái)進(jìn)行測(cè)量和設(shè)計(jì)傳感頭,即可用NVE公司的巨磁電阻傳感器,該結(jié)構(gòu)有助于提高傳感器的輸出靈敏度。3.2傳感器靜態(tài)特性測(cè)試巨磁電阻應(yīng)用于直流電流測(cè)量,其實(shí)質(zhì)是對(duì)靜態(tài)磁場(chǎng)的敏感,參考文獻(xiàn)為更全面了解其靜態(tài)特性,設(shè)計(jì)了一套裝置以獲取其全面的靜態(tài)特性指標(biāo),特性展示如圖4所示。測(cè)試正/負(fù)向磁場(chǎng)下的傳感器靜態(tài)特性,是因?yàn)橹绷鬏旊娺^(guò)程中存在雙極性輸電的情況,從圖中可得出以下的結(jié)論:(1)正/負(fù)向磁場(chǎng)下傳感器的線性度指標(biāo)并不理想,應(yīng)考慮非線性補(bǔ)償問(wèn)題。(2)正/負(fù)向磁場(chǎng)下傳感器的靜態(tài)特性存在微小差別。另外,測(cè)試出了對(duì)應(yīng)的溫漂和時(shí)漂測(cè)試結(jié)果,說(shuō)明了該傳感器具有良好的穩(wěn)定性。此外,參考文獻(xiàn)[14-15]也對(duì)GMR的動(dòng)態(tài)性能進(jìn)行了測(cè)試與分析,各種分析與測(cè)試結(jié)果表明將巨磁電阻傳感器應(yīng)用于電力系統(tǒng)中交流大電流的測(cè)量是有可能的。3.3高壓側(cè)冗余備份方案設(shè)計(jì)在全面獲取傳感器的靜態(tài)特性后,可設(shè)計(jì)出如圖5所示的巨磁電阻直流電流互感器總體方案。鑒于傳感器輸出需調(diào)理成光信號(hào)以實(shí)現(xiàn)高、低壓間的絕緣,因此該傳感器屬于有源電子式互感器范疇?；ジ衅鬟\(yùn)行時(shí)單片機(jī)2可先不工作,由單片機(jī)1完成高壓側(cè)電路的所有功能,如果低壓側(cè)電路判斷出高壓側(cè)電路可能存在故障,即喚醒高壓側(cè)的單片機(jī)2,并對(duì)單片機(jī)1發(fā)出復(fù)位指令。對(duì)高壓側(cè)電路進(jìn)行測(cè)試診斷以排查故障原因,最壞情況是單片機(jī)1存在故障,此時(shí)將單片機(jī)1的工作任務(wù)倒換至單片機(jī)2以使互感器保持正常工作,從而克服了高壓側(cè)電路因單片機(jī)1出現(xiàn)故障而導(dǎo)致互感器不能工作的缺陷。通過(guò)對(duì)激光供能方法的優(yōu)化研究,有可能實(shí)現(xiàn)高壓側(cè)的冗余備份方案。參考文獻(xiàn)還對(duì)直流GMR電流互感器可能遇到的各種電磁干擾進(jìn)行了電磁兼容性設(shè)計(jì)。采用AD592溫度傳感器設(shè)計(jì)的溫度補(bǔ)償電路,采用PCB板的抗干擾設(shè)計(jì)及屏蔽、接地、瞬態(tài)抑制、電源的抗干擾設(shè)計(jì)等措施來(lái)抑制干擾。3.4第一,基于巨磁電阻效應(yīng)的電路測(cè)量系統(tǒng)參考文獻(xiàn)以高精度霍爾傳感器的磁感應(yīng)強(qiáng)度B測(cè)量結(jié)果作為標(biāo)準(zhǔn)磁場(chǎng)值,將靜態(tài)和動(dòng)態(tài)兩種情況下巨磁電阻傳感器的輸出和霍爾傳感器的輸出都還原到原始的傳感器輸出,得出如圖6所示的對(duì)比圖。從圖6中可以看出,動(dòng)、靜態(tài)特性對(duì)應(yīng)關(guān)系良好,所以還可將其用于電力系統(tǒng)母線電流測(cè)量,并做交/直流兩用測(cè)量?；诰薮烹娮栊?yīng)的母線電流測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖7所示。高壓側(cè)采集電流和溫度信號(hào)后,調(diào)制成光信號(hào)通過(guò)光纖發(fā)送到低壓側(cè)實(shí)現(xiàn)信號(hào)調(diào)理、頻譜分析和輸出驅(qū)動(dòng)后續(xù)裝置的功能。3.5自校準(zhǔn)算法實(shí)現(xiàn)參考文獻(xiàn)還對(duì)非線性誤差進(jìn)行了詳細(xì)的分析并提出了可行的補(bǔ)償方法,此外,參考文獻(xiàn)討論了該電流式互感器的智能化方法,提出利用舵機(jī)來(lái)控制永磁鐵與巨磁電阻傳感器間的方法,從而產(chǎn)生多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)磁場(chǎng)值,實(shí)現(xiàn)了自校準(zhǔn)模塊;通過(guò)備用單片機(jī)的引入實(shí)現(xiàn)了自診斷模塊;利用多項(xiàng)式擬合的方法改善巨磁電阻傳感器的線性度指標(biāo),從而實(shí)現(xiàn)自校準(zhǔn)算法。參考文獻(xiàn)在Labview的虛擬儀器技術(shù)上,設(shè)計(jì)完成了一套具有GMR效應(yīng)的樣品的H-R曲線虛擬儀器測(cè)試系統(tǒng),測(cè)量精度高、速度快、測(cè)試界面直觀、友好。參考文獻(xiàn)基于巨磁電阻(GMR)自旋閥的實(shí)驗(yàn)平臺(tái),設(shè)計(jì)了一種用于線性校正用途的模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(FNN),并以此構(gòu)建了智能GMR磁傳感器系統(tǒng),討論了單芯片系統(tǒng)(SOC)實(shí)現(xiàn)該智能GMR磁傳感器的可行性。4巨磁電阻傳感器巨磁電阻效應(yīng)的研究位于當(dāng)前凝聚物理研究熱點(diǎn)中的首位,多種巨磁材料的出現(xiàn)為巨磁電阻傳感器提供了廣闊的空間,但是從制作難易程度、性能的穩(wěn)定性等方面來(lái)考慮,目前