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利用傳感器攀登電流測量
更新時間:2013-12-16   點擊次數(shù):2746次

磁共振成像(MRI)的發(fā)展提升了診斷能力,接著,增加了細(xì)胞水平治療身體疾病數(shù),zui明顯的可能就是癌癥。作為種診斷方法,MRI繼續(xù)發(fā)展,但是段時間以來,這種發(fā)展已與基礎(chǔ)的發(fā)展同步,尤其是圖像采集。

   雖然MRI掃描自20世紀(jì)70年代初以來不斷進步,但其應(yīng)用卻始于40年代中期。在這個時間前后,有兩個立的研究小組,它們分別屬于哈佛大學(xué)和斯坦福大學(xué),他們都發(fā)現(xiàn)了后來*的核磁共振現(xiàn)象。不久以后,畢業(yè)于英國牛津大學(xué)的Bernard Rollin博士,組裝了很可能是zui早的NMR光譜儀實例。到50年代初該發(fā)現(xiàn)得到進步發(fā)展,出現(xiàn)了分辨率的NMR光譜儀,這時在化學(xué)和生化領(lǐng)域,它被認(rèn)為是種潛在有用的工具。通過努力提成像分辨率終于打開了它在診斷領(lǐng)域的應(yīng)用大門,MRI掃描開始平行于NMR自發(fā)展。

  它已經(jīng)脫離了個足以躺下名患者的平臺的傳統(tǒng)形象,而在不知不覺中演變成個大的、圓形的機器,就像個巨大的感應(yīng)器,這時看不出MRI掃描是如何開展的。

  NMR/MRI 光譜儀的個關(guān)鍵原理是軟組織內(nèi)細(xì)胞運動所產(chǎn)生的微弱磁場。這種運動是細(xì)胞在移位后的重排。而移位是由細(xì)胞接觸強磁場所致。細(xì)胞自身的重排速度取決于其結(jié)構(gòu)和狀態(tài),而出它們產(chǎn)生的微弱的磁場所采用的分辨率決定了機器的總體分辨率。

  磁場產(chǎn)生的細(xì)胞激發(fā)水平是決定MRI掃描儀功效的關(guān)鍵要素,所以磁場與所產(chǎn)生的細(xì)胞重排樣關(guān)鍵。現(xiàn)在有許多公司研制MRI掃描儀,其中很多都是*的企業(yè),不過有趣的是,它們主要依賴其他公司的團隊開發(fā)和提供這些儀器上的配套傳感器解決方案。

  LEM就是其中的家,它是的電量參數(shù)測量解決方案提供商。由于MRI掃描儀的應(yīng)用,越來越迫切地需要提它們的分辨率。這只能通過精細(xì)的磁場調(diào)節(jié)來實現(xiàn),而這反過來又在大程度上取決于測量和用來產(chǎn)生磁場的電流的能力。

  段時間以來,這個領(lǐng)域采用的基于霍爾效應(yīng)電流傳感器,但是現(xiàn)在這項在這個領(lǐng)域內(nèi)存在明顯不足,尤其是方面。LEM受該領(lǐng)域家客戶所托研發(fā)所需的種電流傳感器,為其改善現(xiàn)有能,提供。LEM花了近7個月時間改良現(xiàn)有使其這家客戶要求,zui終研發(fā)成功的這款電流傳感器是當(dāng)前市面上能zui的。

  LEM研發(fā)的解決方案是種雙軸磁通門閉環(huán)傳感器,即的HPCT,將其工作原理與應(yīng)用普遍的霍爾效應(yīng)相比,這種可能有用。

 

  霍爾效應(yīng)于1879年由美國物理學(xué)家Edwin Herbert Hall 發(fā)現(xiàn),那時他就讀于位于巴爾的摩的John Hopkins 大學(xué)。霍爾效應(yīng)由對穿過磁通密度的運動電荷起作用的洛倫茲力產(chǎn)生,F(xiàn)=q.(VXB)。向磁場中薄的半導(dǎo)體箔片施加個電流。電流的運動載流子在外磁通密度B產(chǎn)生的洛倫茲力的作用下發(fā)生垂直于電流方向的偏移。這種偏移導(dǎo)致多的載流子在導(dǎo)體的端聚集,從而在導(dǎo)體兩端形成個電勢差,這就是霍爾電壓。

  霍爾效應(yīng)的某些元素與溫度相關(guān),尤其是霍爾元件的霍爾系數(shù)以及失調(diào)電壓。因此,采用霍爾效應(yīng)的電流傳感器都必須提供溫度補償。

  霍爾效應(yīng)zui簡單實用的應(yīng)用是開環(huán)傳感器,它提供了體積zui小、質(zhì)量zui輕、成本zui低的電流測量解決方案,同時功耗也低。

 [開環(huán)霍爾效應(yīng)傳感器工作原理]

  如圖1所示,這種傳感器由個用于產(chǎn)生磁場的載流導(dǎo)體組成。磁場用個開有氣隙的磁芯聚磁。氣隙內(nèi)的個霍爾元件用于感應(yīng)磁通密度。采用電流和差分放大,其組件通常集成在傳感器內(nèi)。在用于產(chǎn)生磁路的材料的磁滯回線(B-H loop)的線區(qū)內(nèi),磁通密度B始終與初電流Ip成正比,霍爾電壓VH與磁通密度B成正比。 因此,霍爾元件的輸出與初電流及失調(diào)霍爾電壓Vo成正比。

[標(biāo)題:閉環(huán)霍爾效應(yīng)電流傳感器工作原理]

  開環(huán)傳感器可以測量直流、交流和復(fù)雜電流波形,同時還提供電流。正如上文提及的,其優(yōu)點是成本低、體積小、功耗低。同時,它們在測量大電流(>300A)方面尤其有優(yōu)勢。不過,開環(huán)傳感器有局限,例如磁路中的磁損耗導(dǎo)致的響應(yīng)時間長及帶寬不足、與溫度相關(guān)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(yīng)補償式或“零磁通式”傳感器,它利用霍爾元件電壓在次線圈中產(chǎn)生個補償電流,從而使總磁通量等于零(圖2 )。換而言之,次電流Is產(chǎn)生的磁通量與初電流產(chǎn)生的磁通量相同,不過方向相反。

  在零磁通條件下運行霍爾元件消除隨溫度變化的增益漂移,此外,這種結(jié)構(gòu)還具備個好處,就是次繞組在較頻率下起電流變壓器的作用,這樣就顯著擴大了帶寬并縮短了傳感器的響應(yīng)時間。

  當(dāng)磁通量等于零時,磁勢(安培匝數(shù))等于零,相應(yīng)的,次電流Is是初電流Ip 的映射。閉環(huán)傳感器的優(yōu)點包括的和良好的線度,響應(yīng)時間,主要不足是次電源電流消耗大,因為它必須提供補償電流和偏置電流。

  在規(guī)格要求嚴(yán)格的特定應(yīng)用場合,例如非線誤差、低噪或低的與溫度相關(guān)的失調(diào)漂移等,這時霍爾效應(yīng)電流傳感器不再適用。為了這些要求,LEM研發(fā)了雙軸磁通門閉環(huán)傳感器(HPCT),它可以提供和穩(wěn)定均的直流和交流電流測量,同時消除初端注入的噪聲。

[標(biāo)題:HPCT傳感器工作原理]

  圖3詳細(xì)說明了其工作原理。該傳感器包括個由三個磁芯(C1、C2和C3,)以及初繞組(Wp1)和次繞組(Ws1 - Ws4)組成的電流測量頭,如圖所示。通過將次電流Ic注入次繞組Ws2中實現(xiàn)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(lián),從而產(chǎn)生個輸出電壓。

  對于較頻率范圍,次電流由兩個次線圈(Ws1和Ws2)之間產(chǎn)生的變壓器效應(yīng)產(chǎn)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(yīng)線圈。

  由于磁通門已經(jīng)普及了段時間,所以LEM可以采用這種并加以改良。zui終研發(fā)的傳感器,溫度失調(diào)漂移低,時間穩(wěn)定。的線度、的輸出噪聲提了HPCT的和分辨率,而大測量帶寬(直流到200kHz,-3dB)了該傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域。

  事實上,除了用于成像系統(tǒng)的梯度放大器上電流以外,HPCT同樣適用于其他需要測量的場合,如電流調(diào)節(jié)電源內(nèi)的反饋測量、試驗臺電源分析校準(zhǔn)設(shè)備以及實驗室與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(般為+10C 至 +50C)。不過LEM確信以后會證明,這項用于發(fā)展HPCT傳感器的對MRI掃描前景的意義與霍爾效應(yīng)傳感器對它的推出的意義樣重大,同時還會進步拓展到許多至今尚未預(yù)料到的應(yīng)用領(lǐng)域。


 

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