非接觸式新型測(cè)量電流的研究與實(shí)現(xiàn)

PAGEPAGE106073非接觸式新型測(cè)量電流的研究與實(shí)現(xiàn)非接觸式新型測(cè)量電流的研究與實(shí)現(xiàn)摘要:本文闡述了一種用于工業(yè)測(cè)量大電流的非接觸式裝置的實(shí)現(xiàn)方案。將現(xiàn)代物理最新的“巨磁電阻”能精確地檢測(cè)電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)并將之轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)體現(xiàn)出來原理，應(yīng)用到工業(yè)測(cè)量大電流中。本課題通過大量實(shí)驗(yàn)論證，創(chuàng)新地設(shè)計(jì)了非接觸式電流測(cè)量的方案及實(shí)物模型。此方案如應(yīng)用到工業(yè)的大電流測(cè)量中，將能夠使工業(yè)測(cè)量趨于精確化、簡(jiǎn)單化，減少人力資源的浪費(fèi)，提高了生產(chǎn)效率，也符合中國(guó)當(dāng)前新型工業(yè)的發(fā)展模式。關(guān)鍵詞：非接觸式電流測(cè)量巨磁電阻工業(yè)大電流測(cè)量一、前言：（一）課題的由來在平時(shí)的勞技課上，許多同學(xué)都曾做過這種實(shí)驗(yàn)并有類似經(jīng)驗(yàn)：在布設(shè)有照明電路暗線的墻壁上釘釘子時(shí)，要比較準(zhǔn)確地找出電線的位置避開來，可不是件容易的事。如果想要迅速找出電線的位置，就要制造一個(gè)可以感應(yīng)到微弱電壓信號(hào)的高靈敏度的感應(yīng)器。這使我產(chǎn)生了一種想法，能否制造一種更加方便的測(cè)量裝置。于是我詢問了我的物理老師，從他那里了解到現(xiàn)代工業(yè)上在工業(yè)設(shè)備和電力設(shè)備這方面的測(cè)量上都存在類似不夠便捷、精確等缺點(diǎn)。之后我上網(wǎng)查找資料，得知今年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主，德國(guó)人彼得?格林貝格爾和法國(guó)人阿貝爾?費(fèi)爾發(fā)現(xiàn)的一種全新物理現(xiàn)象，即“巨磁電阻”效應(yīng)。過去十年里，硬盤已經(jīng)縮小到了一張郵票的大小，但是它的存儲(chǔ)能力卻提高了50倍——這項(xiàng)功勞歸全功于這兩個(gè)人的這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)。看到“巨磁電阻”效應(yīng)的巨大優(yōu)勢(shì)和應(yīng)用前景，我想到將這一技術(shù)應(yīng)用到一種非接觸式的測(cè)量電流大小的方案中去，尤其適用于測(cè)量大電流來達(dá)到通過磁場(chǎng)的測(cè)量測(cè)精確電流的目的。 （二）“巨磁電阻”效應(yīng)概述和應(yīng)用現(xiàn)狀所謂“巨磁電阻”效應(yīng)，即在這一效應(yīng)之下，極弱的磁場(chǎng)變化可以造成明顯的電阻值變化，因而可以成為讀取磁性介質(zhì)內(nèi)所存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)并轉(zhuǎn)化為電流信號(hào)的理想工具。從MP3硬盤類小型音樂播放器的誕生到數(shù)碼相機(jī)再到筆記本電腦，他們存儲(chǔ)與我們?nèi)粘Ｉ蠲芮邢嚓P(guān)的各種數(shù)據(jù)的功能大幅提高，這都得益于此項(xiàng)硬盤技術(shù)的突破。磁電阻效應(yīng)是指在一定磁場(chǎng)下磁性金屬和合金電阻發(fā)生變化，“巨磁電阻”效應(yīng)是指在一定的磁場(chǎng)下電阻急劇變化，變化的幅度比通常磁性金屬與合金材料的磁電阻數(shù)值高10余倍。20世紀(jì)90年代，人們?cè)诙喾N納米結(jié)構(gòu)的多層膜中觀察到了顯著的“巨磁電阻”效應(yīng)。由于“巨磁電阻”效應(yīng)易使器件小型化，廉價(jià)化，除讀出磁頭外，同樣應(yīng)用于測(cè)量位移、角度等傳感器中，并已廣泛地應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床、汽車測(cè)速儀、非接觸開關(guān)和旋轉(zhuǎn)編碼器中，與光電等傳感器相比，它具有功耗小、可靠性高、體積小、能工作于惡劣的工作條件等優(yōu)點(diǎn)。此外，利用“巨磁電阻”效應(yīng)在不同的磁化狀態(tài)具有不同電阻值的特點(diǎn)，可以制成隨機(jī)存器。由于其具有可在無電源的情況下繼續(xù)保留信息的優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成為小型高科技電器必備的存儲(chǔ)件。同時(shí)，巨磁電阻材料做成的高敏度磁傳感器可對(duì)微弱磁場(chǎng)信號(hào)進(jìn)行傳感。此外，它在自動(dòng)化技術(shù)、家用電器、商標(biāo)識(shí)別、衛(wèi)星定位導(dǎo)航系統(tǒng)以及精密測(cè)量技術(shù)等領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景。（三）巨磁電阻（GMR）傳感器的物理原理1.AA002-02型巨磁電阻器件的構(gòu)造和工作原理RR4R1R3R2V+VoutV-－ 0圖1：AA002-02型巨磁電阻器件構(gòu)造如圖1所示，AA002-02型巨磁電阻器件由4個(gè)相同材料且阻值嚴(yán)格相等的巨磁電阻R接成直流電橋結(jié)構(gòu)。其中R4和R2有坡莫合金層屏蔽層，其阻值不隨外界磁場(chǎng)變化。若V+和V-作為芯片的輸入端，輸入電壓為U，將Vout和0間作為輸出端，那么R1和R4的串聯(lián)電阻阻值為R+R+△R=2R+△R,其中R為與磁場(chǎng)無關(guān)的單個(gè)電阻阻值，而△R為存在外磁場(chǎng)時(shí)，單個(gè)巨磁電阻的電阻改變量，△R=R(B)-R(0)。同樣，R3+R2=2R+△R，由此可知，Vout和0間的輸出電壓為。2．此類巨磁電阻材料的優(yōu)點(diǎn)①磁電阻率ΔR/R可對(duì)外磁場(chǎng)的響應(yīng)呈線性關(guān)系，頻率特性好；②操作磁通小，工作磁場(chǎng)?。虎垭娮桦S磁場(chǎng)變化迅速，靈敏度高；④利用層間轉(zhuǎn)動(dòng)磁化過程能有效地抑制噪聲，信噪比高。二、利用AA002-02巨磁電阻器件進(jìn)行非接觸式測(cè)量電流大小的裝置和實(shí)驗(yàn)方案（一）創(chuàng)新點(diǎn)本研究的意義在于提出一種用于工業(yè)測(cè)量大電流的非接觸式裝置的現(xiàn)實(shí)方案。利用巨磁電阻器件有效便捷并精確地檢測(cè)電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)，并將之轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)體現(xiàn)出來。將現(xiàn)代物理最新的“巨磁電阻”效應(yīng)大，測(cè)量精確度高，易使器件小型化，廉價(jià)化等優(yōu)點(diǎn)應(yīng)用到工業(yè)測(cè)量大電流的方案中。一系列的調(diào)查證明，這種包含了磁性材料，納米技術(shù)以及半導(dǎo)體集成的巨磁電阻測(cè)量精度可以達(dá)到一千萬億分之一，與霍爾元件測(cè)量精度和使用方式對(duì)比，可以說大幅改善了以往測(cè)量中的不足。本研究的創(chuàng)新和實(shí)用價(jià)值在于根據(jù)巨磁電阻器件的特點(diǎn)設(shè)計(jì)了非接觸式電流測(cè)量方案并制作了實(shí)物模型。此方案如應(yīng)用到工業(yè)的大電流測(cè)量中，將能夠使工業(yè)測(cè)量趨于精確化、簡(jiǎn)單化，減少人力資源的浪費(fèi)，提高了生產(chǎn)效率，也符合中國(guó)當(dāng)前新型工業(yè)的發(fā)展模式。（二）本課題研究?jī)r(jià)值調(diào)查在開展本課題的研究之前，首先就本課題的研究?jī)r(jià)值進(jìn)行了一番調(diào)查，重點(diǎn)在于與現(xiàn)在工業(yè)上應(yīng)用最為普遍的幾種應(yīng)用于測(cè)量電流的器件相比較：器件使用方法測(cè)量精度非線性度響應(yīng)速度價(jià)格缺點(diǎn)直檢式霍爾電流傳感器初級(jí)繞組繞在徑向開有缺口的環(huán)型（矩形等）鐵芯上，霍爾元件置于缺口中?！?%0.5%10μS50-100元溫漂大，精度低磁平衡霍爾電流傳感器在鐵芯上加了一個(gè)反饋繞組，把霍爾元件檢測(cè)的電壓反饋回反饋繞組中，使磁路中的B=0±1%0.2%1μS150-220元小電流精度低一些相位差磁調(diào)制式直流電流傳感器±0.5%0.2%300mS160-200不能測(cè)量交流零磁通電流互感器±0.02%0.01%20μS50-500結(jié)構(gòu)復(fù)雜，調(diào)試麻煩，不適合大量生產(chǎn)AA002-02巨磁電阻器件將巨磁電阻器件靠近待測(cè)電流±10-50.001%0.05μS50-60元使用單個(gè)有時(shí)無法避免環(huán)境影響表1：巨磁電阻器件與幾種霍爾元件的比較如表1所示：巨磁電阻器件與其他幾種霍爾元件相比無論是在使用方法，還是測(cè)量精度、非線性度、響應(yīng)速度等方面都可看出其巨大優(yōu)勢(shì)，體現(xiàn)了利用巨磁電阻器件測(cè)量的全方面優(yōu)勢(shì)。同時(shí)，巨磁電阻器件與以往工業(yè)上運(yùn)用霍爾元件測(cè)量相比，具有功耗小、可靠性高、體積小、能工作于惡劣環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)。這些都是現(xiàn)有傳統(tǒng)測(cè)量方式所不能相比的。另一方面，在制造成本上，這種應(yīng)用巨磁電阻器件的測(cè)量成本低于大多數(shù)應(yīng)用在工業(yè)上的霍爾元件的測(cè)量方法。二、應(yīng)用巨磁電阻器件設(shè)計(jì)非接觸式測(cè)量裝置的總體設(shè)計(jì)：（一）實(shí)驗(yàn)器材：AA002-02型巨磁電阻器件、直流電源、交流電源、定值電阻、數(shù)字萬用電表、導(dǎo)線若干，見表2所示實(shí)驗(yàn)器材型號(hào)最大量程使用量程巨磁電阻器件AA002-02／／數(shù)控教學(xué)電源JN06WJ-SK直流30V/6A0~10V交流30V/8A0~10V定值電阻J2345-45Ω/3A5Ω/2A數(shù)字萬用電表DT9508B直流電壓1000V200mV直流電流20A20交流電流20A20學(xué)生電源J1201-114V6V表2：實(shí)驗(yàn)器材性能（二）實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)：1、實(shí)驗(yàn)過程試驗(yàn)首先要進(jìn)行定標(biāo)，即已知長(zhǎng)直導(dǎo)線中通過電流值I，測(cè)定固定位置巨磁電阻器件輸出電壓Uout，然后逐漸改變電流值求固定位置巨磁電阻器件輸出電壓Uout。求Uout—I的關(guān)系直線。在測(cè)量的過程中，要注意導(dǎo)線與巨磁電阻器件距離近一些并且固定導(dǎo)線位置，巨磁電阻器件的感應(yīng)面與磁感應(yīng)強(qiáng)度方向要保持一致。本方案是利用高靈敏度的巨磁電阻傳感器測(cè)量長(zhǎng)直導(dǎo)線通過電流時(shí)，在其固定位置產(chǎn)生的磁場(chǎng)。測(cè)量磁場(chǎng)的大小，可以精確測(cè)量通過導(dǎo)線的電流。其特點(diǎn)在于可以測(cè)量大電流。如10A——200A電流，在工業(yè)設(shè)備，電力設(shè)備，包括電焊機(jī)等的通電電流。因而如果要達(dá)到準(zhǔn)確測(cè)量電流的目的，因而在實(shí)驗(yàn)中需要注意以下幾點(diǎn)：1、 電流大一些，宜用0到5A可變電流。2、 在沒有中斷或干擾電流值的情況下對(duì)電流進(jìn)行測(cè)量。導(dǎo)線可以放在巨磁電阻器件的上方或下方，但是為了達(dá)到最好的測(cè)量效果，本實(shí)驗(yàn)控制導(dǎo)線與敏感軸垂直（如圖2所示）。 敏感軸方向敏感軸方向?qū)Ь€方向圖2：巨磁電阻器件及導(dǎo)線的正確擺放位置關(guān)系2、實(shí)驗(yàn)設(shè)備圖圖3：實(shí)驗(yàn)設(shè)備連接直流直流/交流電源滑動(dòng)變阻器（5歐）電流表可測(cè)直流/交流）電壓表（200mV檔）電源6V代測(cè)長(zhǎng)直導(dǎo)線AA002-02巨磁電阻器件圖4：實(shí)驗(yàn)設(shè)備連接關(guān)系圖5：巨磁電阻器件的焊接（三）數(shù)據(jù)記錄和分析：被測(cè)電流I(A)實(shí)際輸出電壓U(mV)0-3.220.070-2.800.158-2.210.246-1.560.335-0.760.4240.140.5121.030.6001.920.6872.820.7763.640.8654.480.9525.431.0506.341.1457.131.2408.121.3449.221.43510.451.52711.481.62012.571.71213.541.80614.41表3：直流電實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)電壓U(mV)電流I(A)電壓U(mV)電流I(A)圖6：通過EXCEL擬合的直流電圖像如表3、圖6所示在導(dǎo)線與巨磁電阻器件的距離固定時(shí)（本實(shí)驗(yàn)中導(dǎo)線到傳感器的距離為0.10mm），測(cè)量的長(zhǎng)直導(dǎo)線中的直流電流I與同巨磁電阻器件相連接的萬有表讀出的電壓V經(jīng)過計(jì)算滿足線性關(guān)系：U=9.96I-3.91被測(cè)電流I(A)實(shí)際輸出電壓U(mV)0-4.720.175-3.500.365-0.700.5311.620.7524.570.9257.531.10810.431.27612.881.43915.271.60817.781.78020.571.94323.012.15326.50擬合電壓U(mV)表4擬合電壓U(mV)電壓U(mV)電流I(A)圖7：通過EXCEL擬合的交流電電壓U(mV)電流I(A)如表4、圖7所示，在導(dǎo)線與巨磁電阻器件的距離固定時(shí)（本實(shí)驗(yàn)中導(dǎo)線到傳感器的距離為0.10mm），測(cè)量的長(zhǎng)直導(dǎo)線中的交流電流I與同巨磁電阻器件相連接的萬有表讀出的電壓V經(jīng)過計(jì)算滿足線性關(guān)系：U=12.23I-3.34從擬合后實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和圖像來看，無論是用巨磁電阻器件測(cè)量直流電或交流電，在磁場(chǎng)線性工作范圍內(nèi)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)均基本滿足線性關(guān)系，可見本設(shè)計(jì)已成功達(dá)到通過巨磁電阻器件測(cè)量磁場(chǎng)達(dá)到測(cè)量精確電流的目的。在工業(yè)的大電流測(cè)量應(yīng)用中，由于電流大，就可以增大通電導(dǎo)線與巨磁電阻器件之間的距離，不僅可以使巨磁電阻器件測(cè)量更大的電流，也真正使非接觸式測(cè)量的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)得以充分顯現(xiàn)。以上實(shí)驗(yàn)和分析證明這種新型的非接觸式的測(cè)量直流（或交流）的實(shí)驗(yàn)裝置具有可行性和實(shí)用價(jià)值。（四）理論模型的制作圖8測(cè)量采集實(shí)物外觀圖圖9實(shí)物測(cè)量采集區(qū)圖為了加強(qiáng)本方案的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，在設(shè)計(jì)出這整套實(shí)驗(yàn)方案并證明了它的可行性之后，還具體設(shè)計(jì)了將巨磁電阻傳感器、電壓表以及電源進(jìn)行合理的組裝，使之趨于一體化并制作成測(cè)量采集實(shí)物(見圖8和圖9)。為了凸顯非接觸式的設(shè)計(jì)特點(diǎn)并要保證導(dǎo)線和巨磁電阻器件距離不便的客觀需要，本模型選用了圓形環(huán)狀模具作為連接中心。與此同時(shí)，考慮到應(yīng)用這種測(cè)量方案尤其需要注意到應(yīng)用巨磁電阻器件的感應(yīng)面應(yīng)與磁感應(yīng)強(qiáng)度方向保持一致，同時(shí)，本模型對(duì)于巨磁電阻器件的焊接使測(cè)量時(shí)導(dǎo)線與巨磁電阻器件的敏感軸始終垂直，保證測(cè)量精確有效。在制作出實(shí)物模型后，為了驗(yàn)證模型具有實(shí)用價(jià)值，又利用模型進(jìn)行了多次測(cè)量交流和直流電的實(shí)驗(yàn)。如表5、圖10，表6、圖11：被測(cè)電流I(A)實(shí)際輸出電壓U(mV)016.20.06717.20.14518.40.22419.90.30821.50.39323.40.47825.10.56526.80.65928.80.73430.60.83832.60.90434.11.01536.31.09337.81.19940.21.27641.91.39144.51.46246.11.57548.51.63249.81.72951.9表5：直流電實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)電壓U(mV)電流電壓U(mV)電流I(A)圖10：通過EXCEL擬合的直流電圖像（線性關(guān)系U=20.90I-15.31）被測(cè)電流I(A)實(shí)際輸出電壓U(mV)0.17710.50.35911.10.53512.60.74915.90.92019.01.09221.91.26624.51.42527.21.58530.01.75733.2表6：交流電實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)電壓U(mV)電流電壓U(mV)電流I(A)圖11：通過EXCEL擬合的交流電圖像（線性關(guān)系U=15.09I-5.71）從擬合后的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和圖像來看，利用本模型測(cè)量直流電或交流電，在磁場(chǎng)線性工作范圍內(nèi)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)也都基本滿足線性關(guān)系，可見本模型在使測(cè)量方式簡(jiǎn)單化的同時(shí)，切實(shí)保有其精度高的優(yōu)點(diǎn)。又由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，降低成本的同時(shí)，體現(xiàn)其應(yīng)用于工業(yè)大電流的巨大優(yōu)勢(shì)。三、結(jié)果的分析與討論：（一）應(yīng)用前景采用巨磁電阻器件的這套非接觸式的測(cè)量方法可以非接觸的測(cè)量電焊機(jī)放電電流，大容量電器，工業(yè)上各種設(shè)備用電電流以及電網(wǎng)上的電流。此方案如得以應(yīng)用到工業(yè)上的大電流測(cè)量，將使工業(yè)測(cè)量趨于精確化，減少現(xiàn)有測(cè)量造成的誤差；工業(yè)用的測(cè)量機(jī)械也將趨于小型化，減少制作材料的浪費(fèi)；與現(xiàn)在工業(yè)應(yīng)用最多的霍爾元件測(cè)量相比，應(yīng)用了巨磁電阻材料的此項(xiàng)方案還特別強(qiáng)調(diào)它的非接觸式設(shè)計(jì)。在加大測(cè)量間距的同時(shí)，改進(jìn)了霍爾元件測(cè)量方法將導(dǎo)線套在鐵芯開口中測(cè)量的不便，使工業(yè)測(cè)量大電流更為簡(jiǎn)單方便并降低價(jià)格?？傮w上，這套設(shè)計(jì)方案還減少人力資源的浪費(fèi)，提高了生產(chǎn)效率，并符合中國(guó)當(dāng)前新型工業(yè)的發(fā)展模式。（二）進(jìn)一步完善的方向：在不斷摸索學(xué)習(xí)，完成課題的過程中，我學(xué)習(xí)到如果僅是使用單個(gè)巨磁電阻器件進(jìn)行非接觸式的大電流測(cè)量，很容易受到干擾磁場(chǎng)的影響。這是在我進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)并沒有怎么顯現(xiàn)的問題。然而，我覺得不能就這樣忽視了這個(gè)客觀存在的問題。因?yàn)閼?yīng)用于工業(yè)時(shí)，有時(shí)難以避免周圍其他大電流設(shè)備通電后產(chǎn)生的磁場(chǎng)。因而我又查閱了各種資料，找到一種理想的解決方案，完善這方面存在的問題。即可以應(yīng)用多個(gè)巨磁電阻傳感器并將它們排成陣列，解決非接觸式電流測(cè)量同大多數(shù)電流測(cè)量方案都必須面對(duì)的環(huán)境客觀影響問題。基于巨磁電阻傳感