王 浩，王茂勵(lì)，董振振，鐘貽兵，程廣河

(1.青島理工大學(xué)信息與控制工程學(xué)院，山東青島 266520；2.齊魯工業(yè)大學(xué)(山東省科學(xué)院)，山東省計(jì)算中心(國(guó)家超級(jí)計(jì)算濟(jì)南中心)，山東省計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東濟(jì)南 250014；3.曲阜師范大學(xué)信息與控制工程學(xué)院，山東日照 276800；4.山東航天電子技術(shù)研究院，山東煙臺(tái) 264000)

0 引言

隨著航天技術(shù)的進(jìn)步，電流傳感器在航天器中使用的越來越多，電流傳感器在航天系統(tǒng)中展現(xiàn)出了越來越重要的使用價(jià)值。電流傳感器輸出模擬電壓值，通過A/D轉(zhuǎn)換變成數(shù)字信號(hào)，并作為遙測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)送給地面接收站，使科研人員能夠?qū)崟r(shí)獲取航天器各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的電流值，有助于掌握衛(wèi)星的運(yùn)行狀況，當(dāng)某部分設(shè)備發(fā)生故障時(shí)，能對(duì)故障進(jìn)行快速定位，并可以通過發(fā)送關(guān)斷指令，避免故障設(shè)備對(duì)航天器產(chǎn)生進(jìn)一步損害。例如，電流傳感器用于航天器的供配電系統(tǒng)中，就可以掌握航天器的母線電流和各分系統(tǒng)電流。磁致電阻效應(yīng)是一項(xiàng)重要的科學(xué)發(fā)現(xiàn)，各向異性磁阻(anisotropic magneto resistance，AMR)是鐵磁材料的電阻率隨外界磁場(chǎng)和電流方向夾角改變而改變的現(xiàn)象。AMR磁阻效應(yīng)的磁阻傳感器靈敏度高，使用該原理設(shè)計(jì)的傳感器能夠在很多領(lǐng)域中使用。在鐵磁材料中，NiFe、Nico合金被大量應(yīng)用以獲得AMR磁阻效應(yīng)。AMR磁阻效應(yīng)原理制成的傳感器目前得到了廣泛應(yīng)用，可以用以制作地球磁場(chǎng)測(cè)量、車輛監(jiān)測(cè)、磁存儲(chǔ)器探頭、接近開關(guān)、角度傳感器、電流傳感器等。而AMR磁阻效應(yīng)原理制成的電流傳感器具有高靈敏度、低溫漂的性能，較其他電流傳感器相比，有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。

1 AMR磁阻電流傳感器總體方案

本文基于零磁通原理來設(shè)計(jì)電流傳感器。被檢測(cè)電流所產(chǎn)生的磁場(chǎng)作用于AMR磁阻芯片，AMR磁阻芯片就會(huì)有感應(yīng)信號(hào)輸出，該信號(hào)經(jīng)放大，送至功率放大電路，轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏髦?，該電流為補(bǔ)償電流。補(bǔ)償電流流過補(bǔ)償線圈，也會(huì)產(chǎn)生作用于AMR磁阻芯片的磁場(chǎng)，補(bǔ)償電流產(chǎn)生磁場(chǎng)和被檢測(cè)電流產(chǎn)生磁場(chǎng)方向相反，所以AMR磁阻芯片的輸出電壓會(huì)降低。當(dāng)補(bǔ)償電流產(chǎn)生磁場(chǎng)和被檢測(cè)電流產(chǎn)生磁場(chǎng)相等時(shí)，補(bǔ)償電流達(dá)到穩(wěn)定值。這就是AMR磁阻電流傳感器零磁通檢測(cè)的原理。補(bǔ)償線圈的電流流過采樣電阻，輸出線性對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)電壓信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)被檢測(cè)電流的測(cè)量。AMR磁阻電流傳感器總體方案框圖如圖1所示。

圖1 傳感器總體方案設(shè)計(jì)框圖

2 傳感器AMR探頭芯片設(shè)計(jì)

2.1 AMR探頭芯片的Barber電極設(shè)計(jì)

AMR探頭芯片是傳感器的核心芯片，其將載流帶中電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。普通的AMR探頭由于是由坡莫合金材料制成的AMR電阻，如圖2所示，磁場(chǎng)方向與內(nèi)部電流方向夾角為90°，當(dāng)磁場(chǎng)與圖中反向反轉(zhuǎn)180°時(shí)，與內(nèi)部電流方向的夾角依然為90°，完全不同方向的磁場(chǎng)引起坡莫合金電阻的磁阻變化是相同的，所以普通的AMR探頭是不能分辨外加磁場(chǎng)的方向性的。

圖2 無Barber電極的磁阻

為了滿足航天器對(duì)傳感器線性度和靈敏度的要求，本文選用有Barber電極的磁阻。Barber電極通過在坡莫合金材料制作成的電阻中加入鋁材料，由于鋁材料與坡莫合金的阻抗不同，所以內(nèi)部電流路徑會(huì)優(yōu)先選擇阻抗低的鋁材料，其電流流向?qū)l(fā)生改變，從而使得外部磁場(chǎng)與內(nèi)部電流方向的夾角產(chǎn)生了變化。如圖3所示，坡莫合金材料做成的電阻設(shè)計(jì)為帶狀結(jié)構(gòu)，Barber電極與電阻的長(zhǎng)帶狀方向成45°角，電源電流流過帶狀電阻，會(huì)優(yōu)先選擇阻抗小的通路，同時(shí)用最短路徑通過阻抗高的通路，因?yàn)閮?nèi)部電流的方向垂直于Barber電極方向，與電阻的長(zhǎng)帶狀方向也成45°角，通過這種設(shè)計(jì)，圖2中同樣的磁場(chǎng)方向，與內(nèi)部電流方向的夾角，從90°變化為45°，而磁場(chǎng)方向發(fā)生180°翻轉(zhuǎn)時(shí)，其余電阻內(nèi)部電流方向夾角變化為135°夾角，而磁阻元件輸出曲線為余弦函數(shù)，兩者幅度相等，但正負(fù)號(hào)相反，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)方向性的識(shí)別。

圖3 有Barber電極的磁阻

2.2 AMR橋式電路

將AMR探頭芯片設(shè)計(jì)為一個(gè)惠斯登電橋，電橋的4個(gè)橋臂電阻均由坡莫合金材料制成，通過幾何設(shè)置方法，設(shè)計(jì)2個(gè)半橋，分別位于沿中心線對(duì)稱的位置，通過設(shè)計(jì)每個(gè)橋臂電阻的Barber電極，使每個(gè)橋臂的方向相反，對(duì)應(yīng)不同的電阻值變化方向(如圖4所示)，有效提高靈敏度。

圖4 橋式電路工作示意圖

R1～R4是4個(gè)橋臂電阻，通過VCC為惠斯登電橋供電，當(dāng)載流帶中有如圖4所示方向的被檢測(cè)電流時(shí)，因?yàn)锽arber電極的設(shè)置，外磁場(chǎng)與橋臂電阻中的電流方向夾角存在差異，使得R1、R4電阻阻值增大，而R2、R3電阻阻值下降(如圖4箭頭所示方向)，橋式電路產(chǎn)生差分電壓信號(hào)輸出，惠斯登電橋的輸出電壓為

(1)

式中：VM為惠斯登電橋輸出電壓，V；VCC為惠斯登電橋輸入電壓，V；R1～R4是4個(gè)惠斯登電橋橋臂電阻，Ω。

若4個(gè)橋臂的電阻相同,R1=R2=R3=R4=R，代入式(1)可得：

(2)

此時(shí)，VM=0，電橋平衡，輸出電壓為0。當(dāng)載流帶中有被檢測(cè)電流時(shí)，R1～R4阻值發(fā)生變化，假設(shè)4個(gè)橋臂電阻性能完全一致，如前面所述，R1、R4的阻值增大ΔR，R2、R3的阻值下降ΔR，式(2)變?yōu)椋?/p>

(3)

式中ΔR為2個(gè)橋臂電阻阻值的改變值，Ω。

在調(diào)理電路的作用下，傳感器會(huì)在補(bǔ)償電流線圈中形成與被檢測(cè)電流方向相反的電流信號(hào)，其余被檢測(cè)電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)恰好相反，因其補(bǔ)償線圈封裝在芯片內(nèi)，與各橋臂的距離遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于載流帶與各橋臂的距離，所以用小的電流就能補(bǔ)償被檢測(cè)電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)，當(dāng)兩者達(dá)到平衡，R1～R4回到接近外磁場(chǎng)為0時(shí)的阻值，橋式電路的輸出接近于0。

此外，AMR探頭芯片設(shè)計(jì)為惠斯登電橋有較強(qiáng)的抗干擾性能。因?yàn)檩d流帶為U型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，所以在載流帶中流過電流時(shí)，R1、R2所受到的磁場(chǎng)方向與R3、R4的恰好相反，所以惠斯登電橋能夠輸出差分電壓信號(hào)。AMR探頭芯片的尺寸很小，對(duì)于外界干擾磁場(chǎng)來說，可近似的看為一點(diǎn)，所以其受到的干擾磁場(chǎng)的方向和大小近似相等，如圖5所示。

圖5 探頭的抗干擾原理

假設(shè)外界干擾磁場(chǎng)方向如圖5所示，同樣因?yàn)锽arber電極的設(shè)置，如圖5中箭頭所示，R1、R3阻值升高，R2、R4阻值下降，而因?yàn)?個(gè)橋臂的材料與尺寸具有高度的一致性，2個(gè)半橋的變化近似相等，AMR探頭芯片的差分輸出沒有變化。通過這種設(shè)計(jì)，使傳感器具有良好的干擾能力。

2.3 AMR探頭芯片的偏置磁場(chǎng)

因?yàn)锳MR磁阻芯片的輸出與內(nèi)部磁化方向與電流方向夾角有關(guān)，所以，磁阻傳感器有2個(gè)穩(wěn)定工作特性曲線。因此假如有外加與坡莫合金內(nèi)部磁化相反的強(qiáng)磁場(chǎng)干擾，薄膜合金工作特性曲線就會(huì)跳變，從正極性輸出變?yōu)樨?fù)極性輸出，即坡莫合金內(nèi)部被反向磁化。為了保證磁阻芯片的輸出電壓為設(shè)計(jì)值，所以需要給磁阻元件添加偏置磁場(chǎng)。通過在磁阻2個(gè)半橋的旁邊，添加2個(gè)條形的永磁體，如圖6所示。永磁體A和永磁體B平行方式，且N極與S極方向一致，從而形成相應(yīng)方向磁力線，給半橋A和半橋B施加恒定的偏置磁場(chǎng)，從而控制惠斯登橋式電路的靈敏度和線性度，并增加了抗干擾能力。

圖6 永磁體為芯片提供偏置磁場(chǎng)示意圖

3 探頭芯片測(cè)試

3.1 測(cè)試平臺(tái)建立

整個(gè)測(cè)試平臺(tái)由安捷倫數(shù)字電源、安捷倫數(shù)字萬用表、精密電流源、PC機(jī)組成。安捷倫數(shù)字電源可以提供穩(wěn)定的工作電源；安捷倫的數(shù)字表能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)采集，并能通過串口與PC機(jī)通訊；精密的電流源的電流輸出精度控制在選定量程的3以內(nèi)，同樣能通過串口與PC機(jī)通信；PC機(jī)設(shè)計(jì)單路測(cè)試軟件一套。軟件通過串口控制精密電流源輸出制定的電流值，并可讀取安捷倫數(shù)字萬用表采集到的電壓值，在指定輸出的多點(diǎn)電流值，采集相對(duì)應(yīng)的電壓值。

3.2 補(bǔ)償線圈加電流線性測(cè)試

補(bǔ)償線圈加電流源測(cè)試連接方式如圖7所示，電源為AMR芯片的惠斯登電橋供直流電壓，精密電流的電流輸出回路接芯片的補(bǔ)償線圈，萬用表采集惠斯登電橋的輸出電壓。

圖7 芯片的補(bǔ)償線圈加電流測(cè)試

給補(bǔ)償線圈加正向電流做線性測(cè)試，測(cè)試電流范圍0～20 mA，均分11個(gè)測(cè)試點(diǎn)，分別為0、2、4、6、8、10、12、14、16、18、20 mA。用精密電流源加11個(gè)點(diǎn)的電流，待電流穩(wěn)定后，用萬用表測(cè)量對(duì)應(yīng)的電壓值，軟件讀取電壓值，最后通過最小二乘算法，計(jì)算本次測(cè)量的線性度其結(jié)果如表1所示。表1中X為輸入電流，Y為輸出電壓。

表1 補(bǔ)償線圈正向電流線性測(cè)試

通過表1的原始數(shù)據(jù)和中間計(jì)算數(shù)據(jù)，可以求出其線性度為0.47%。

給補(bǔ)償線圈加反向電流做線性測(cè)試，測(cè)試電流范圍0～20mA，均分11個(gè)測(cè)試點(diǎn)，分別為0、2、4、6、8、10、12、14、16、18、20mA。用精密電流源加11個(gè)點(diǎn)的電流，待電流穩(wěn)定后，用萬用表測(cè)量對(duì)應(yīng)的電壓值，軟件讀取電壓值，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行線性分析，其結(jié)果如表2所示。

表2 補(bǔ)償線圈反向電流線性測(cè)試

通過表2的原始數(shù)據(jù)和中間計(jì)算數(shù)據(jù)，可以求出其線性度為-0.39%。

分析結(jié)果可以看出，AMR探頭芯片可以線性測(cè)量補(bǔ)償電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)，無論加正向電流，還是加反向電流，其線性度絕對(duì)值均在1%以內(nèi)。

3.3 載流帶加電流線性測(cè)試

載流帶加電流測(cè)試連接方式如圖8所示，電源為AMR芯片的惠斯登電橋供直流電壓，精密電流源的電流輸出回路接芯片的的載流帶，萬用表采集惠斯登電橋的輸出電壓。

圖8 載流帶加電流測(cè)試

給載流帶加正向電流做線性測(cè)試，測(cè)試電流范圍0～50 A，均分11個(gè)測(cè)試點(diǎn)，分別為0、5、10、15、20、25、30、35、40、45、50 A。用精密電流源加11個(gè)點(diǎn)的電流，待電流穩(wěn)定后，用萬用表測(cè)量對(duì)應(yīng)的電壓值，軟件讀取電壓值，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行線性分析，其結(jié)果如表3所示。

表3 載流帶加正向電流線性測(cè)試

通過表3的原始數(shù)據(jù)和中間計(jì)算數(shù)據(jù)，可以求出其線性度為-0.87%。

給載流帶加反向電流做線性測(cè)試，測(cè)試電流范圍0～50A，均分11個(gè)測(cè)試點(diǎn)，分別為0、5、10、15、20、25、30、35、40、45、50A。用精密電流源加11個(gè)點(diǎn)的電流，待電流穩(wěn)定后，用萬用表測(cè)量對(duì)應(yīng)的電壓值，軟件讀取電壓值，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行線性分析，其結(jié)果如表4所示。

表4 載流帶加反向電流線性測(cè)試

通過表4的原始數(shù)據(jù)和中間計(jì)算數(shù)據(jù)，可以求出其線性度為1.09%。

分析結(jié)果可以看出，AMR芯片的載流帶加電流測(cè)試的線性度，與補(bǔ)償線圈加電流測(cè)試相比，線性度稍差，其線性度絕對(duì)值在1%左右，但仍可說明AMR芯片能夠線性檢測(cè)載流帶中電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)。在測(cè)試過程中，可以發(fā)現(xiàn)，電路板整體發(fā)熱，載流帶在流過電流時(shí)，因自身阻抗導(dǎo)致產(chǎn)生熱耗，隨著電流增大，電路板溫度上升較快，芯片因發(fā)熱導(dǎo)致溫漂，所以影響了芯片輸出，導(dǎo)致線性度變差。

3.4 磁平衡工作狀態(tài)測(cè)試

本課題研究的磁阻電流傳感器的AMR探頭芯片，工作在閉環(huán)狀態(tài)下，當(dāng)達(dá)到磁平衡時(shí)，被檢測(cè)電流流過載流帶產(chǎn)生的磁場(chǎng)，被補(bǔ)償線圈中的補(bǔ)償電流產(chǎn)生磁場(chǎng)相抵消，AMR芯片輸出接近于0，整個(gè)閉環(huán)也達(dá)到平衡，所以磁平衡的穩(wěn)定性，是考核AMR芯片的重要性能。使用2臺(tái)高精度電流源，一臺(tái)給載流帶供被檢測(cè)電流，另一臺(tái)給補(bǔ)償線圈供補(bǔ)償電流，令載流帶流過50 A被檢測(cè)電流，調(diào)節(jié)另一臺(tái)精密電流源的輸出電流大小，AMR芯片的輸出電壓接近于0，記錄芯片的當(dāng)前輸出，并保持2 h，并記錄2 h后的輸出電壓值，測(cè)量結(jié)果如下表5所示。

表5 磁平衡穩(wěn)定性測(cè)試數(shù)據(jù)

從表中可以看出，保持2 h，傳感器的輸出一直穩(wěn)定的工作在磁平衡狀態(tài)下，輸出僅僅變化了5 μV。通過以上測(cè)試可以發(fā)現(xiàn)，AMR探頭芯片的輸出與載流帶中的電流大小、補(bǔ)償線圈的電流大小均為線性對(duì)應(yīng)關(guān)系，可以有效的檢測(cè)兩者產(chǎn)生的磁場(chǎng)，而且補(bǔ)償線圈中的電流可以有效的補(bǔ)償載流帶中電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)，AMR探頭芯片滿足本課題的需求。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)航天器微型電流傳感器，對(duì)其探頭芯片進(jìn)行了研究，提出了AMR芯片的Barber電極設(shè)計(jì)，提出了AMR橋式電路，并分析了這種電路設(shè)計(jì)形式抗干擾的原理，并為探頭芯片提供了偏置磁場(chǎng)方案，最后對(duì)芯片進(jìn)行了詳細(xì)測(cè)試，介紹了測(cè)試方法、測(cè)試平臺(tái)，在補(bǔ)償線圈和載流帶分別加電流進(jìn)行線性測(cè)試，并模擬產(chǎn)品實(shí)際工作的磁平衡狀態(tài)，測(cè)試結(jié)果，AMR芯片線性度絕對(duì)值在 1%左右，說明探頭芯片設(shè)計(jì)合理，各方面性能優(yōu)異，可以很好的用于閉環(huán)電流傳感器。