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GMI电流传感器的研究进展 本论文整理by：吴.建.得 MobQQ 138-1652-3001第.七.一.〇.研.究.所 摘要： 本文介绍了GMI（巨磁阻抗）效应的起源、理论方法以及基于GMI效应电流传感器原理。讨论了GMI电流传感器敏感材料选择标准，列出了能够产生GMI效应的各种材料以及这些材料的软磁特性。叙述了国内外典型的GMI电流传感器设计方案和它们的优缺点。最后展望了GMI电流传感器发展趋势，指出薄膜探头是传感器微型化发展的一个方向。 关键字： GMI效应,电流传感器,Co基非晶薄带,非接触式测量GMI效应，电流传感器，Co基非晶薄带，非接触式测量 1 引言 现代电子电力系统中经常需要电流传感器探测和保护电流。对于电流测量，按测量方式可分为接触式和非接触式两类。接触式测量原理为欧姆定律，根据欧姆定律电流大小和电压成正比，通常采用采样电阻的方法将一个阻值较小电阻串联在电路中用于把电流转换为电压信号进行测量。采样电阻一般使用精密电阻，阻值低，精密度高（精密度一般在±1%以内，更高要求用途时采用0.01%精度电阻）。接触式测量由于采样电阻不可能做到很小，更不可能接近于零，因此采样电阻本身会对电流值产生影响，且接触式测量必须将待测电路断开，给测量带来麻烦；非接触式测量为磁效应，通过监控电流产生的磁场得到。由于电流周围本身会产生磁场，电流大小和磁场成正比，可通过测量磁场的大小得到通过的电流大小。常见的非接触式电流传感器有霍尔(Hall)效应电流传感器、罗氏(Rogowski)线圈电流传感器及磁通门(Fluxgate)电流传感器等[1, 2]。霍尔效应电流传感器是目前应用最广泛的非接触式传感器，具有结构简单、体积小、动态特性好和寿命长等特点，但由于霍尔器件采用半导体材料制成，受温度影响较大，当温度变化时霍尔元件的载流子浓度、迁移率、电阻率及霍尔系数都将发生变化，从而使霍尔元件产生温度误差，需要补加温度补偿电路来作为措施，这就增加了传感器的制作成本；罗氏线圈电流传感器对线圈绕制要求精确，信号处理要求较高，而且只能用于交流电流测量；而磁通门电流传感器体积较大，功耗高，响应速度低。巨磁阻抗效应作为一种新发现的磁效应，由于其灵敏度高、响应速度快、热稳定性好、使用频率范围广、体积小等特点，为开发新型电流传感器提供可能。 2 原理及优点 2.1 GMI电流传感器原理 巨磁阻抗(Giant Magnetoimpedance, GMI)效应，利用磁性材料阻抗随外加磁场变化的现象。1992年Mohri等[3]在三类非晶磁性材料(FeSiB，CoSiB和FeCoSiB)中发现：在交变磁场下，非晶细丝（直径50~100μm）两端呈现极灵敏的磁电感应效应，这种效应称之为巨磁阻抗效应。 GMI效应与材料磁导率有关，以非晶薄带为例：当非晶带通以轴向交变电流I=I0eiωt时，利用Maxwell方程组可以推导出薄带阻抗表达式为： Z=kdRdccoth(kd) (1) (1)式中：薄带厚度为2d；Rdc为直流电阻；k=(1+i)/δm；为趋肤深度；ρ为材料电阻率；ω为激励电流角频率；μ0为真空磁导率；μt为横向磁导率。由于μt随外加磁场Hex而变化，所以Z是Hex函数。 阻抗变化率（简称GMI比值）定义为： (2) (2)式中，Z(Hex)为Hex所测阻抗值，Z(Hmax)为外磁场饱和时所测得阻抗值。通常Hmax为实验设备所能产生的最大磁场。磁场灵敏度定义为：。这两个指标反映了材料对外磁场的灵敏程度。 基于GMI效应，电路中GMI敏感元件上加载交流信号Iac，敏感元件阻抗Z随作用其上外加磁场Hex变化而变化，相应敏感元件两端电压Uac也会变化。Hex为待测电流产生的磁场，因此可用电压信号Uac变化反应磁场Hex变化从而测量待测电流，这就是GMI电流传感器测量原理。原理图见图1。 2.2 GMI电流传感器优点 与传统的磁效应电流传感器相比，GMI电流传感器具有如下一些优点： (1)灵敏度高，响应速度快 GMI材料灵敏度数量级能达到10-6Gauss，而灵敏度较高的GMR材料只能达到10-2Gauss。GMI传感器响应时间通常在0.2μs，Hall传感器和GMR传感器为1μs，磁通门传感器相对较慢200μs。 (2)敏感元件选材广泛 研究发现在非晶丝（带）、纳米晶丝（带）、薄膜以及各种复合结构材料中均发现了GMI效应，这为开发符合需求的电流传感器提供更多材料选择。 (3)测量响应范围广，测量精度高 GMI电流传感器测量范围可至几百安培大电流。由于敏感元件一定范围内线性度较好，测量精度高。 (4)体积小，功耗低 传感器电路易与探头集成，制作的器件体积小。G