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利用传感器技术攀登电流测量精度顶峰
发布时间:2013-12-16   点击次数:1112次

磁共振成像(MRI)的发展提升了诊断能力,接着,增加了细胞水平治疗身体疾病数,zui明显的可能就是癌症。作为一种诊断方法,MRI继续发展,但是一段时间以来,这种发展已与基础技术的发展同步,尤其是图像采集技术。

   虽然MRI扫描技术自20世纪70年代初以来不断进步,但其应用却始于40年代中期。在这个时间前后,有两个独立的研究小组,它们分别属于哈佛大学和斯坦福大学,他们都发现了后来众所周知的核磁共振现象。不久以后,毕业于英国牛津大学的Bernard Rollin博士,组装了很可能是zui早的NMR光谱仪实例。到50年代初该发现得到进一步发展,出现了高分辨率的NMR光谱仪,这时在化学和生化领域,它被认为是一种潜在有用的工具。通过努力提高成像分辨率终于打开了它在诊断医学领域的应用大门,MRI扫描开始平行于NMR独自发展。

  它已经脱离了一个足以躺下一名患者的平台的传统形象,而在不知不觉中演变成一个更大的、圆形的机器,就像一个巨大的感应器,这时看不出MRI扫描是如何开展的。

  NMR/MRI 光谱仪的一个关键原理是检测软组织内细胞运动所产生的微弱磁场。这种运动是细胞在移位后的有效重排。而移位是由细胞接触更强磁场所致。细胞自身的重排速度取决于其结构和状态,而检测出它们产生的非常微弱的磁场所采用的分辨率决定了机器的总体分辨率。

  磁场产生的细胞激发水平是决定MRI扫描仪功效的关键要素,所以控制磁场与检测所产生的细胞重排一样关键。现在有许多公司研制MRI扫描仪,其中很多都是家喻户晓的知名企业,不过有趣的是,它们主要依赖其他公司的专家团队开发和提供这些仪器上的配套传感器解决方案。

  LEM就是其中的一家,它是创新高品质的电量参数测量解决方案ling先提供商。由于MRI扫描仪的应用非常广泛,越来越迫切地需要提高它们的分辨率。这只能通过精细准确的磁场调节来实现,而这反过来又在极大程度上取决于测量和控制用来产生磁场的电流的能力。

  一段时间以来,这个领域采用的技术基于霍尔效应电流传感器,但是现在这项技术在这个领域内存在明显不足,尤其是精度方面。LEM受该领域一家客户所托研发所需的一种新型电流传感器,为其改善现有性能,提供更高精度。LEM花了近7个月时间改良现有技术使其符合这家客户要求,zui终研发成功的这款电流传感器是当前市面上性能zui高的。

  LEM研发的解决方案是一种双轴磁通门闭环传感器,即知名的HPCT,将其工作原理与应用更普遍的霍尔效应技术相比,这种可能更有用。

 

  霍尔效应于1879年由美国物理学家Edwin Herbert Hall 发现,那时他就读于位于巴尔的摩的John Hopkins 大学。霍尔效应由对穿过磁通密度的运动电荷起作用的洛伦兹力产生,F=q.(VXB)。向磁场中非常薄的半导体箔片施加一个控制电流。控制电流的运动载流子在外磁通密度B产生的洛伦兹力的作用下发生垂直于电流方向的偏移。这种偏移导致更多的载流子在导体的一端聚集,从而在导体两端形成一个电势差,这就是霍尔电压。

  霍尔效应的某些元素与温度相关,尤其是霍尔元件的霍尔系数以及失调电压。因此,任何采用霍尔效应的电流传感器都必须提供温度补偿。

  霍尔效应zui简单实用的应用是开环传感器,它提供了体积zui小、质量zui轻、成本zui低的电流测量解决方案,同时功耗也非常低。

 [开环霍尔效应传感器工作原理]

  如图1所示,这种传感器由一个用于产生磁场的载流导体组成。磁场用一个开有气隙的磁芯聚磁。气隙内的一个霍尔元件用于感应磁通密度。采用控制电流和差分放大,其组件通常集成在传感器内。在用于产生磁路的材料的磁滞回线(B-H loop)的线性区内,磁通密度B始终与初级电流Ip成正比,霍尔电压VH与磁通密度B成正比。 因此,霍尔元件的输出与初级电流及失调霍尔电压Vo成正比。

[标题:闭环霍尔效应电流传感器工作原理]

  开环传感器可以测量直流、交流和复杂电流波形,同时还提供电流隔离。正如上文提及的,其优点是成本低、体积小、功耗低。同时,它们在测量大电流(>300A)方面尤其有优势。不过,开环传感器有一定局限性,例如磁路中的磁损耗导致的响应时间长及带宽不足、与温度相关的增益漂移相对较大。

  相比之下,闭环传感器,也叫霍尔效应补偿式或“零磁通式”传感器,它利用霍尔元件电压在次级线圈中产生一个补偿电流,从而使总磁通量等于零(图2 )。换而言之,次级电流Is产生的磁通量与初级电流产生的磁通量完全相同,不过方向相反。

  在零磁通条件下运行霍尔元件消除随温度变化的增益漂移,此外,这种结构还具备一个好处,就是次级绕组在较高频率下起电流变压器的作用,这样就显著扩大了带宽并缩短了传感器的响应时间。

  当磁通量等于零时,磁势(安培匝数)等于零,相应的,次级电流Is是初级电流Ip 的映射。闭环传感器的优点包括非常高的精度和良好的线性度,快速响应时间,主要不足是次级电源电流消耗大,因为它必须提供补偿电流和偏置电流。

  在技术规格要求更严格的特定应用场合,例如超低非线性误差、低噪或非常低的与温度相关的失调漂移等,这时霍尔效应电流传感器不再适用。为了满足这些要求,LEM研发了双轴磁通门闭环传感器(HPCT),它可以提供精度和稳定性均非常高的直流和交流电流测量,同时消除初级端注入的噪声。

[标题:HPCT传感器工作原理]

  图3详细说明了其工作原理。该传感器包括一个由三个磁芯(C1、C2和C3,)以及初级绕组(Wp1)和次级绕组(Ws1 - Ws4)组成的电流测量头,如图所示。通过将次级电流Ic注入次级绕组Ws2中实现闭环补偿。Ws2后半段线圈与3个磁芯进行磁耦合,并与测量电阻Rm串联,从而产生一个输出电压。

  对于较高频率范围,次级电流由两个次级线圈(Ws1和Ws2)之间产生的变压器效应产生。对于较低频率范围(包括直流),传感器起闭环磁通门传感器的作用,此时绕组Ws3和 Ws4用作磁通门感应线圈。

  由于磁通门技术已经普及了一段时间,所以LEM可以采用这种技术并加以改良。zui终研发的传感器精度非常高,温度失调漂移非常低,时间稳定性非常高。的线性度、超低的输出噪声提高了HPCT的精度和分辨率,而超大测量带宽(直流到200kHz,-3dB)确保了该传感器广泛的应用领域。

  事实上,除了用于控制医学成像系统的梯度放大器上电流以外,HPCT同样适用于其他需要高精度测量的场合,如电流调节电源内的反馈测量、试验台电源分析校准设备以及实验室与计量仪器的电流测量。

  目前,该类传感器的工作温度范围相对狭窄(一般为+10C 至 +50C)。不过LEM确信以后会证明,这项用于发展HPCT传感器的技术对MRI扫描前景的意义与霍尔效应传感器对它的推出的意义一样重大,同时还会进一步拓展到许多至今尚未预料到的应用领域。


 

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