1.概述

磁場(chǎng)測(cè)量在工業(yè)領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用，在磁場(chǎng)的脈沖量，開關(guān)量以及線性量的測(cè)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(chǎng)測(cè)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(chǎng)測(cè)量領(lǐng)域占據(jù)了一席之地。

在磁場(chǎng)測(cè)量領(lǐng)域，線性量的測(cè)量對(duì)磁傳感器性能具有比較高的要求。磁傳感器的測(cè)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(duì)磁場(chǎng)的測(cè)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(chǎng)測(cè)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(chǎng)線性測(cè)量領(lǐng)域具有較為明顯的優(yōu)勢(shì)。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(cè)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(gè)阻值一樣的電阻，可隨外界磁場(chǎng)的變化輸出一個(gè)差分電壓信號(hào)，R2和R4由于屏蔽層的作用不感應(yīng)外界磁場(chǎng)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(gè)作用：一是屏蔽外磁場(chǎng)對(duì)電阻R2和R4的影響，使其不能感應(yīng)待測(cè)場(chǎng)的變化;二是作為一個(gè)磁通聚集器，將待測(cè)場(chǎng)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(cè)試及應(yīng)用測(cè)試

3.1 GMR傳感器的輸出性能測(cè)試

用于線性磁場(chǎng)測(cè)量的GMR傳感器應(yīng)具有良好的線性度，可測(cè)量正反兩個(gè)方向的磁場(chǎng)，因此，在測(cè)試芯片的選擇上可選擇雙極性的GMR傳感器直接進(jìn)行測(cè)試或選擇單極性的GMR傳感器對(duì)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(chǎng)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(hào)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(cè)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(gè)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(cè)試

在線性磁場(chǎng)測(cè)量領(lǐng)域，直流電的檢測(cè)是比較有代表性的，因此，選擇測(cè)量直流電產(chǎn)生的磁場(chǎng)來驗(yàn)證GMR傳感器在線性磁場(chǎng)測(cè)量方面的性能。

巨磁電阻用于電流檢測(cè)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(shí)保證通電導(dǎo)線產(chǎn)生磁場(chǎng)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(chǎng)的理論計(jì)算公式2-1可知，在待測(cè)電流和傳感器相對(duì)位置一定的情況下，待測(cè)電流的大小和磁場(chǎng)大小成正比，利用公式2-2這樣就可以直接測(cè)量待測(cè)電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)值，再結(jié)合公式2-1就得出待測(cè)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(cè)試平臺(tái)

測(cè)試平臺(tái)由測(cè)試板、電源、銅導(dǎo)線以及支架構(gòu)成，其中測(cè)試板由探測(cè)單元(GMR傳感器)、信號(hào)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(cè)試數(shù)據(jù)

在實(shí)際應(yīng)用中，待測(cè)電流有正負(fù)之分，產(chǎn)生的磁場(chǎng)有正負(fù)之分，因此，在測(cè)試過程中，通過改變磁場(chǎng)方向和電流的方向來檢測(cè)GMR傳感器和電流傳感器測(cè)試性能。圖5是電流從-30A到+30A變化時(shí)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(cè)試單元具有較好的線性度，超過20A后，測(cè)試單元趨于飽和。

4.結(jié)論

通過對(duì)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(cè)試，結(jié)果表明，GMR傳感器芯片在已電流檢測(cè)為代表的線性磁場(chǎng)測(cè)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(chǎng)和待測(cè)磁場(chǎng)的大小，使待測(cè)磁場(chǎng)在傳感器的線性測(cè)量范圍內(nèi)，將會(huì)使GMR傳感器芯片在線性磁場(chǎng)測(cè)量方面具有更好的應(yīng)用前景。