巨磁電阻傳感器在磁場線性測量領(lǐng)域中的應(yīng)用

1.概述

磁場測量在工業(yè)領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用，在磁場的脈沖量，開關(guān)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(chǎn)品以及較低的成本，使得霍爾傳感器在磁場測量領(lǐng)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(yōu)越的性能越來越受到人們的關(guān)注，使得GMR傳感器在傳統(tǒng)的磁場測量領(lǐng)域占據(jù)了一席之地。

在磁場測量領(lǐng)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(yīng)頻率，靈敏度以及溫度適應(yīng)性等一系列性能指標(biāo)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(yīng)頻率和靈敏度以及較強(qiáng)的溫度適應(yīng)性，在磁場線性測量領(lǐng)域具有較為明顯的優(yōu)勢。本文將以東方微磁公司生產(chǎn)的VA系列巨磁電阻磁傳感器為例，介紹其特性、測試及相關(guān)應(yīng)用。

2.GMR傳感器的結(jié)構(gòu)

2.1 傳感器結(jié)構(gòu)

VA系列巨磁電阻磁傳感器采用惠斯通橋式結(jié)構(gòu)，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(yīng)外界磁場的變化。

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(yīng)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(yīng)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(yīng)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(jìn)行測試或選擇單極性的GMR傳感器對其進(jìn)行偏置處理，將其零點(diǎn)抬高。

圖2是GMR傳感器在磁場從負(fù)到正再回到起點(diǎn)的GMR傳感器輸出曲線，反應(yīng)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(tài)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?zé)o磁溫度箱中，每隔10℃記錄一次數(shù)據(jù)，監(jiān)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(nèi)輸出變化9.075mv,溫度系數(shù)為0.055mV/℃，可見GMR傳感器芯片的溫度性能比較優(yōu)越。

3.3 GMR傳感器應(yīng)用測試

在線性磁場測量領(lǐng)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(chǎn)生的磁場來驗(yàn)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(jìn)行，將磁傳感器放置通電導(dǎo)線的正上方或正下方，同時保證通電導(dǎo)線產(chǎn)生磁場的方向與磁傳感器的敏感方向一致。按照通電導(dǎo)線周圍產(chǎn)生磁場的理論計算公式2-1可知，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(chǎn)生的磁場值，再結(jié)合公式2-1就得出待測電流的大小。

其中，S為傳感器的靈敏度，oV傳感器輸出。

3.3.1 測試平臺

測試平臺由測試板、電源、銅導(dǎo)線以及支架構(gòu)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(dǎo)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(diào)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(shù)據(jù)

在實(shí)際應(yīng)用中，待測電流有正負(fù)之分，產(chǎn)生的磁場有正負(fù)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。

由圖5可以看出，在-20A-20A的范圍內(nèi)，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(jié)論

通過對GMR傳感器芯片以及由GMR傳感器芯片構(gòu)成的電流傳感器的性能測試，結(jié)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(wěn)定性。如果在實(shí)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(nèi)，將會使GMR傳感器芯片在線性磁場測量方面具有更好的應(yīng)用前景。