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基于霍尔效应的HPCT传感器未来将开拓无限广阔的应用领域-北京莱姆电子有限公司-中国传动网应用案例

信息来源:chuandong.biz  时间:2010-11-25  浏览次数:125

  看来包括医疗市场在内的许多领域都会从长期使用却几乎没有进步的技术的改良中获益。
  嵌入式电子设备与医疗器械之间的关联十分复杂;电子技术的每一步跨越,都会给航空、工业和医疗领域在内的垂直市场带来直接利益。看来只要具备使能技术,这些市场就有无限的潜力。
  医疗领域一个明显的例子就是精密诊断设备的应用加大,例如核磁共振成像系统(MRI),它对癌症检测和治疗具有无法估量的价值。MRI光谱学的基本原理在50年前已经形成,那时就观察到软组织内的细胞运动会产生微弱磁场这种现象。这种细胞运动实际上是细胞在接触更强磁场后的重排。同时发现,它们重排时的运动体现了细胞的结构和状态。通过检测它们产生的微弱磁场来测定这种运动,从而可以诊断某些疾病。但是,开展测量所采用的分辨率最终决定了可能的诊断水平。
  多年以来,MRI扫描仪一直采用一种基于霍尔效应的技术,一项比MRI光谱学更古老的技术。不过,尽管它具有非常高的可信度,却仍然不是一项没有局限性的技术;事实上这些局限性使MRI扫描的发展停滞不前。不过一家创新高品质电气参数测量解决方案领先提供商成功研发的一种传感器已经突破了这些局限性,该传感器可以潜在推动MRI迈入一个新阶段。LEM,瑞士一家专门研发这类传感器的公司,受该领域一家客户所托研发一种可以提供更高磁场测量精度的新型电流传感器。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,现在这款电流传感器是当前市面上性能最高的。
  经验基础
  霍尔效应于1879年由Edwin Herbert Hall发现。他观察到一种作用于穿过磁通密度的运动电荷的力。当一个控制电流穿过该磁场时,载流子由于受到外加磁通密度所产生的洛仑兹力的影响,其轨迹发生偏移。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。
  霍尔效应的某些原理与温度相关,这就意味着,传感器必须包括或提供某种形式的温度补偿,而这会导致传感器体积和成本的增加。霍尔效应最简单实用的应用是开环传感器,它提供了体积最小、质量最轻、成本最低的电流测量解决方案,同时功耗也非常低。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。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。在零磁通量条件下运行霍尔元件消除随温度变化的增益漂移,这种结构还有一种显著的优势,可以扩大传感器带宽、缩短响应时间。不过,其主要不足是次级电源的电流消耗高,因为它必须提供补偿电流和偏置电流。
  正因为它的局限性,导致霍尔效应电流传感器不再适用一些领域,尤其是MRI扫描领域。而LEM推出的解决方案主要针对这个应用领域,与霍尔效应技术相当,但是具备明显优势。它是一种双轴磁通门闭环传感器,也就是知名的HPCT。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。最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。优秀的线性度、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。
  图1显示了其工作原理。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。
  除了用于精确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,如精确电流调节电源内的反馈测量、试验台电源分析校准设备及实验室及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,这项技术会进一步发展,同时也将证明,HPCT传感器对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。正如霍尔效应自身的应用一样,基于霍尔效应的具有领先尖端性能的HPCT在未来可以开拓无限广阔的应用领域。

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