巨磁電阻傳感器在磁場線性測量領域中的應用

【摘要】對巨磁電阻傳感器進行了研究，介紹了巨磁電阻傳感器的結構和屏蔽作用，選取電流檢測作為巨磁電阻傳感器在線性磁場測量的代表，通過對巨磁電阻傳感器測試和電流檢測的測試，分析了巨磁電阻傳感器在磁場線性測量方面的性能優越性，給出了巨磁電阻傳感器在磁場線性測量方面的一些注意事項。

【關鍵詞】巨磁電阻傳感器；線性磁場；測量

1.概述

磁場測量在工業領域具有廣泛的應用，在磁場的脈沖量，開關量以及線性量的測量中，使用最為廣泛的是霍爾傳感器，由于其較低的品種繁多的產品以及較低的成本，使得霍爾傳感器在磁場測量領域具有較高的地位。隨著巨磁電阻（GMR）傳感器的成功研制，其優越的性能越來越受到人們的關注，使得GMR傳感器在傳統的磁場測量領域占據了一席之地。

在磁場測量領域，線性量的測量對磁傳感器性能具有比較高的要求。磁傳感器的測量范圍，響應頻率，靈敏度以及溫度適應性等一系列性能指標都對磁場的測量具有較大的影響。相比其他磁傳感器，GMR傳感器具有較寬的磁場測量范圍，較高的響應頻率和靈敏度以及較強的溫度適應性，在磁場線性測量領域具有較為明顯的優勢。本文將以東方微磁公司生產的VA系列巨磁電阻磁傳感器為例，介紹其特性、測試及相關應用。

2.GMR傳感器的結構

2.1 傳感器結構

VA系列巨磁電阻磁傳感器采用惠斯通橋式結構，如圖1所示的。圖中，R1和R3是兩個阻值一樣的電阻，可隨外界磁場的變化輸出一個差分電壓信號，R2和R4由于屏蔽層的作用不感應外界磁場的變化。

圖1 GMR磁傳感器結

2.2 屏蔽層的作用

圖1中的R2和R4上的陰影部分是傳感器的合金屏蔽層，它有兩個作用，一是屏蔽外磁場對電阻R2和R4的影響，使其不能感應待測場的變化；二是作為一個磁通聚集器，將待測場聚集在R1和R3周圍，使傳感器輸出幅值增大，提高傳感器的靈敏度。

3.GMR傳感器的性能測試及應用測試

3.1 GMR傳感器的輸出性能測試

用于線性磁場測量的GMR傳感器應具有良好的線性度，可測量正反兩個方向的磁場，因此，在測試芯片的選擇上可選擇雙極性的GMR傳感器直接進行測試或選擇單極性的GMR傳感器對其進行偏置處理，將其零點抬高。

圖2是GMR傳感器在磁場從負到正再回到起點的GMR傳感器輸出曲線，反應GMR傳感器的線性特性，有圖可知，GMR傳感器線性性能較好，磁滯小，正向和反向重合性較好，總體來說該型號的GMR傳感器芯片靜態性能良好。

3.2 GMR傳感器溫度漂移性能

將GMR芯片放入高低溫無磁溫度箱中，每隔10℃記錄一次數據，監測傳感器從-40℃～+125℃隨溫度變化的漂移性，具體如圖3所示，芯片在整個溫度范圍內輸出變化9.075mv，溫度系數為0.055mV/℃，可見GMR傳感器芯片的溫度性能比較優越。

圖2 雙極性GMR傳感器性能曲線

圖3 GMR溫度性能曲線

圖4 電流測量示意圖

3.3 GMR傳感器應用測試

在線性磁場測量領域，直流電的檢測是比較有代表性的，因此，選擇測量直流電產生的磁場來驗證GMR傳感器在線性磁場測量方面的性能。

巨磁電阻用于電流檢測一般采用如圖4所示的方式進行，將磁傳感器放置通電導線的正上方或正下方，同時保證通電導線產生磁場的方向與磁傳感器的敏感方向一致。按照通電導線周圍產生磁場的理論計算公式2-1可知[3]，在待測電流和傳感器相對位置一定的情況下，待測電流的大小和磁場大小成正比，利用公式2-2這樣就可以直接測量待測電流產生的磁場值，再結合公式2-1就得出待測電流的大小。

（2-1）

（2-2）

其中，為傳感器的靈敏度，傳感器輸出。

3.3.1 測試平臺

測試平臺由測試板、電源、銅導線以及支架構成，其中測試板由探測單元（GMR傳感器）、信號放大及濾波單元組成，雙電源供電。銅導線材料為紫銅，直徑為2mm，可通10A電流。支架位置和高度都可調整，以使傳感器獲得最佳敏感位置。電源為可編程電源，可提供不同幅值的電流。

3.3.2 測試數據

在實際應用中，待測電流有正負之分，產生的磁場有正負之分，因此，在測試過程中，通過改變磁場方向和電流的方向來檢測GMR傳感器和電流傳感器測試性能。圖5是電流從-30A到+30A變化時電流傳感器輸出曲線。

圖5 電流測量示意圖

由圖5可以看出，在-20A—20A的范圍內，GMR傳感器電流測試單元具有較好的線性度，超過20A后，測試單元趨于飽和。

4.結論

通過對GMR傳感器芯片以及由GMR傳感器芯片構成的電流傳感器的性能測試，結果表明，GMR傳感器芯片在已電流檢測為代表的線性磁場測試方面具有較好的性能和溫度穩定性。如果在實際使用過程中，注意傳感器芯片的飽和場和待測磁場的大小，使待測磁場在傳感器的線性測量范圍內，將會使GMR傳感器芯片在線性磁場測量方面具有更好的應用前景。

參考文獻

[1]肖又專，曾榮偉，王林忠等.巨磁電阻傳感器的應用[J].磁性材料及器件，2001，32（2）：40-45.

[2]錢政.巨磁電阻傳感器在電力系統中的應用前景[J].高電壓技術，2003，29（10）：9-10.

[3]馮恩信傅.高等電磁理論[M].西安：西安交通大學出版社，2006.