GMR传感器的电流测量影响因素的研究刘静刘瑞敏沈鑫陈先富张少泉摘要：近年来随着磁电子器件的快速发展，基于巨磁电阻（giantmagnetoresistive，GMR）效应的传感器则为智能电网的在线电流监测提供了一种新的选择。对于光伏发电系统，电流的精确检测是光伏发电系统得以可靠和高效运行的基础，高性能的电流传感器的研发，对提高光伏发电系统的实际应用有重要意义。但巨磁电阻的性能受外界环境的影响较大，因此会使测量产生一定的误差，本文主要针对非线性误差，磁滞，零漂和温漂对国内外所提出了各种温度补偿方案进行分析，这些方案当中包括使用硬件电路和通过算法的校正，以及采用闭环磁补偿结构改善了磁性材料的磁滞效应引入的误差，提高巨磁电阻传感器的线性度及灵敏度。关键词：巨磁电阻，电流测量，温度补偿，磁滞，误差：TP216：ADOI：10.3969/j.issn.l003-6970.2017.08.032引言1986年德国P.Grunberg采用纳米技术对Fe/Cr/Fe3层膜结构进行实验研究发现，在两铁磁层之间存在反铁磁耦合作用。1988年法国A.Fert的研究小组将Fe和Cr交替制成多层超晶格薄膜，发现了外部磁场可以使材料的电阻变化率十分明显，艮P：巨磁电阻（giantmagnetoresistance，简称GMR）效应。GMR效应的发现，导致了新的自旋电子学的创立。目前，GMR传感器已经得到了广泛的应用[34]，基于GMR效应的相关物理实验也在大学物理实验教学中得到开展[54]。但不同方向外磁场以及环境温度对GMR器件的特性影响报道不多，GMR传感器测量电流时，为了使测量效果最佳有时需要加磁偏置，磁偏置的选取也十分重要。过去的20年里，GMR电流传感器的研究主要集中在材料设计、电桥结构设计以及性能研究上。对于光伏发电系统，电流的精确检测是光伏发电系统得以可罪和尚效运行的基础，高性能的电流传感器的研发，对提高光伏发电系统的实际应用有重要意义。智能电网最需要检测的关键量是电网各关键节点以及所有设备的电压和电流实时信息，通过监测得到的电压和电流也可以得到整个系统的功率信息。GMR电流传感器适合于智能电网的分布式测量和数据采集，借助先进的通信手段，能够实现智能电网的分布式实时监测。并且对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。但由于GMR电流传感器存在的磁滞，非线性误差以及温漂和零漂带来的测量，并且巨磁阻电流传感器对外界磁场比较敏感，使得在具体的测量当中到不到所要求的高精度，为此国内外提出了很多改善性能的方案。1GMR传感器件任何一种具有磁性非磁性材料中不同自旋方向的电子的散射强度不同产生的材料都有可能产生GMR效应。目前已经发现并得到大量实际应用的材料主要有多层膜结构、自旋阀结构、颗粒膜结构和隧道结结构四种结构。它们的性能对比如表1所示：GMR电流传感器按照测量原理，GMR电流传感器可分为开环传感器和闭环传感器。相比于开环传感器，闭环传感器利用磁场反馈方法改善了传感器的线性度，并增宽动态测量范围。然而，集成反馈线圈的方法会使器件能耗大量增加，并使器件工艺更加复杂[27，28]。2温度特性分析及校正研究2.1硬件補偿巨磁电阻效应器件是一种磁敏器件，对温度具有一定的敏感性。在电压源供电的情况下，巨磁电《软件》杂志欢迎推荐投稿：cosoft@vip.163阻效应器件随着温度上升，输出响应逐渐衰减，对巨磁电阻效应器件的测量性能有很大影响，因此必须对巨磁电阻效应器件采取相应的温度补偿。桥式电路具有的优良的自补偿特性，因此GMR传感器的敏感结构采用惠斯通电桥结构。由于四个巨磁电阻由相同的材料制成，所以性能基本相同，误差较小。巨磁电阻芯片有两种，一种是单极性芯片，一种是双极性芯片，内部虽然都是惠斯登电桥结构，但是所用的巨磁电阻材料以及屏蔽方式有所不同。通常构造成如图1所示的惠斯登电桥结构来进行测量和设计传感头，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。参考文献自制了GMR元件构建了一个惠斯通电桥GMR传感器，提高传感器输出信号的灵敏度，当无外磁场时电桥处于平衡状态，输出电压信号为零。但自制的GMR芯片有一定的磁滞，每次测量时都...