- 基于霍爾效應的HPCT傳感器未來將開拓無限廣闊的應用領域
- 來源：賽斯維傳感器網 發(fā)表于 2011/3/15
看來包括醫(yī)療市場在內的許多領域都會從長期使用卻幾乎沒有進步的技術的改良中獲益。
嵌入式電子設備與醫(yī)療器械之間的關聯十分復雜；電子技術的每一步跨越，都會給航空、工業(yè)和醫(yī)療領域在內的垂直市場帶來直接利益。看來只要具備使能技術，這些市場就有無限的潛力。
醫(yī)療領域一個明顯的例子就是精密診斷設備的應用加大，例如核磁共振成像系統（MRI），它對癌癥檢測和治療具有無法估量的價值。MRI光譜學的基本原理在50年前已經形成，那時就觀察到軟組織內的細胞運動會產生微弱磁場這種現象。這種細胞運動實際上是細胞在接觸更強磁場后的重排。同時發(fā)現，它們重排時的運動體現了細胞的結構和狀態(tài)。通過檢測它們產生的微弱磁場來測定這種運動，從而可以診斷某些疾病。但是，開展測量所采用的分辨率最終決定了可能的診斷水平。
多年以來，MRI掃描儀一直采用一種基于霍爾效應的技術，一項比MRI光譜學更古老的技術。不過，盡管它具有非常高的可信度，卻仍然不是一項沒有局限性的技術；事實上這些局限性使MRI掃描的發(fā)展停滯不前。不過一家創(chuàng)新高品質電氣參數測量解決方案領先提供商成功研發(fā)的一種傳感器已經突破了這些局限性，該傳感器可以潛在推動MRI邁入一個新階段。LEM，瑞士一家專門研發(fā)這類傳感器的公司，受該領域一家客戶所托研發(fā)一種可以提供更高磁場測量精度的新型電流傳感器。LEM花了近7個月時間改良現有技術使其符合這家客戶要求，現在這款電流傳感器是當前市面上性能最高的。
經驗基礎
霍爾效應于1879年由Edwin Herbert Hall發(fā)現。他觀察到一種作用于穿過磁通密度的運動電荷的力。當一個控制電流穿過該磁場時，載流子由于受到外加磁通密度所產生的洛侖茲力的影響，其軌跡發(fā)生偏移。這種偏移導致更多的載流子在導體的一端聚集，從而在導體兩端形成一個電勢差，這就是霍爾電壓。
霍爾效應的某些原理與溫度相關，這就意味著，傳感器必須包括或提供某種形式的溫度補償，而這會導致傳感器體積和成本的增加。霍爾效應最簡單實用的應用是開環(huán)傳感器，它提供了體積最小、質量最輕、成本最低的電流測量解決方案，同時功耗也非常低。開環(huán)傳感器可以測量直流、交流和復雜電流波形，同時還提供電流隔離。不過，開環(huán)傳感器有一定局限性，例如磁路中的磁損耗導致的響應時間長及帶寬不足、與溫度相關的增益漂移相對較大。
相比之下，閉環(huán)傳感器，也叫霍爾效應補償式或“零磁通式”傳感器，它利用霍爾元件電壓在次級線圈中產生一個補償電流，從而使總磁通量等于零。在零磁通量條件下運行霍爾元件消除隨溫度變化的增益漂移，這種結構還有一種顯著的優(yōu)勢，可以擴大傳感器帶寬、縮短響應時間。不過，其主要不足是次級電源的電流消耗高，因為它必須提供補償電流和偏置電流。
正因為它的局限性，導致霍爾效應電流傳感器不再適用一些領域，尤其是MRI掃描領域。而LEM推出的解決方案主要針對這個應用領域，與霍爾效應技術相當，但是具備明顯優(yōu)勢。它是一種雙軸磁通門閉環(huán)傳感器，也就是知名的HPCT。由于磁通門技術已經普及了一段時間，所以LEM可以采用這種技術并加以改良。最終研發(fā)的傳感器精度非常高，溫度失調漂移非常低，時間穩(wěn)定性非常高。優(yōu)秀的線性度、超低的輸出噪聲提高了HPCT的精度和分辨率，而超大測量帶寬（直流到200kHz，-3dB）確保了該傳感器廣泛的應用領域。
圖1顯示了其工作原理。該傳感器包括一個由三個磁芯（C1、C2和C3,）以及初級繞組（Wp1）和次級繞組（Ws1 - Ws4）組成的電流測量頭，如圖所示。通過將次級電流Ic注入次級繞組Ws2中實現閉環(huán)補償。Ws2后半段線圈與3個磁芯進行磁耦合，并與測量電阻Rm串聯，從而產生一個輸出電壓。
對于較高頻率范圍，次級電流由兩個次級線圈（Ws1和Ws2）之間產生的變壓器效應產生。對于較低頻率范圍（包括直流），傳感器起閉環(huán)磁通門傳感器的作用，此時繞組Ws3和 Ws4用作磁通門感應線圈。
除了用于精確控制醫(yī)學成像系統的梯度放大器上電流以外， HPCT同樣適用于其他需要高精度測量的場合，如精確電流調節(jié)電源內的反饋測量、試驗臺電源分析校準設備及實驗室及計量儀器的電流測量。
目前，該類傳感器的工作溫度范圍相對狹窄（一般為+10°c 至 +50°c）。不過LEM確信，這項技術會進一步發(fā)展，同時也將證明，HPCT傳感器對MRI掃描前景的意義與霍爾效應傳感器對它的推出的意義一樣重大。正如霍爾效應自身的應用一樣，基于霍爾效應的具有領先尖端性能的HPCT在未來可以開拓無限廣闊的應用領域。
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