隧道磁电阻技术在电力系统传感测量中的应用

隧道磁电阻技术在电力系统传感测量中的应用
摘要本文概述了隧道磁电阻（TMR）效应的技术原理，着重介绍了基于TMR 效应的传感器的工作原理和性能特性，分析了其存在的优势和不足，展望了TMR 技术在电力系统中的应用前景。

关键词隧道磁电阻效应；传感器；电力系统
0引言
传感测量技术贯穿了电力系统发电、输电、变电、配电、用电和调度等主要环节，是实现电力系统智能化的必要条件[1]。

传感器技术的进步与材料学中新发现密切相关。

隧道磁电阻效应是近年新发现的物理现象，本文主要讨论隧道磁电阻技术在电力系统传感测量中的应用。

1磁电阻效应
1.1巨磁电阻效应
图1 Fe/Cr多层膜电阻与磁场的关系
磁电阻效应是指由磁场引起的材料电阻率发生变化的现象，其变化大小的比率称为磁电阻变化率，记为MR=Δρ/ρ(H)=[ρ(0)-ρ(H)]/ρ(H)。

大多数磁性金属都存在磁电阻效应效应，但MR值很小，一般低于3%，因此实用性较低。

1988年，科学家在Fe/Cr多层膜中发现了巨磁电阻效应(Giant MagnetoResistance Effect，GMR效应)（图1）。

GMR效应的MR值接近50%，因此很快实现工业应用并成为大容量硬盘制造的关键技术。

2007年发现GMR效应的两位科学家获得了诺贝尔物理奖[2]。

GMR技术已应用于多种磁敏传感器中，但由于层间交换耦合导致饱和磁场较高，影响了基于GMR技术的传感器的敏感度。

1.2 隧道磁电阻效应
随着GMR效应研究的深入，在铁磁层/非磁绝缘层/铁磁层类型磁性隧道结（Magnetic Tunnel Junction，MTJ）（图2）中发现了隧道磁电阻效应（Tunnel MagnetoResistance Effect，TMR效应），其MR值可以达到400%。

ＴＭＲ效应来源于电子自旋相关的隧穿效应，即当两铁磁层平行时，一个磁性层中的多数自旋子带的电子将进入另一磁性层中多数自旋子带的空态，少数自旋子带的电子也将进入另一磁性层中少数自旋子带的空态，总的隧穿电流较大，磁性隧道结为低阻态；若两磁性层反平行时，一个磁性层中的多数自旋子带的电子将进入另一磁性层中少数自旋子带的空态，而少数自旋子带的电子将进入另一磁性层中多数自旋子带的空态，这种状态的隧穿电流比较小，是高阻态。

由于两铁磁层的矫顽力不
同，当饱和磁化时，两铁磁层的磁化方向互相平行，反向磁化时，矫顽力小的铁磁层磁化矢量首先翻转，两铁磁层的磁化方向变成反平行。

因此，可以通过施加外磁场的方式改变两铁磁层的磁化方向为相互平行或反平行，从而使得隧穿电阻发生变化，即产生TMR效应[2]。

由于ＴＭＲ磁性隧道结的两铁磁层间基本不存在层间耦合，所以只需要一个很小的外磁场即可实现铁磁层磁化方向的改变，引起隧道磁电阻的巨大变化，因此TMR元件具有很高的磁敏感度。

而且，ＴＭＲ元件还具有电阻率高、能耗小、性能稳定的特点，所以ＴＭＲ元件作为磁敏感元件，在各种电流、位置、角度传感器中具有很好的应用前景。

图2 隧道磁阻效应（TMR）原理图
2 隧道磁电阻传感器
2.1 TMR电流传感器
（a）（b）
图3 TMR电流传感器结构
TMR电流传感器通常采用如图3（a）所示的惠斯通电桥结构，这种结构中包含有4个TMR元件，所有TMR元件均未屏蔽，但R1、R2和R3、R4的磁敏感方向相反。

当磁场变化时，R1、R2电阻变大，而R3、R4电阻变小，这样可以输出较大的电压。

TMR磁传感器也可以采用如图3(b)所示的半桥结构，这种结构只包含2个磁敏感方向相反的TMR元件，虽然输出电压和灵敏度减小，但功耗低，尺寸小，成本低，使用更加灵活。

如表2所示，与现有的电流互感器、感应式磁力计、霍尔传感器和OFCT 电流传感器等电流测量方式相比，TMR电流传感器具有能够测量从直流到高频（MHz）信号、测量范围宽、灵敏度高、温度稳定性好、体积小等优点。

而且，对于电力系统分布式测量和数据采集而言，TMR电流传感器具有结构简单、成本低廉、便于大规模推广使用的优势。

附表2 TMR与常见电路传感器
种类CT电流互感器霍尔电流传感器光纤电流传感器TMR电流传感器
原理电磁感应Hall效应磁光效应隧道磁电阻效应
体积大小大小
直流测量否是是是
灵敏度低低高高
有源/无源无源有源无源有源
成本高低高低
2.2 TMR角度传感器
图4 TMR角度传感器
TMR角度传感器如图5(a)所示，TMR传感器平行贴近安装在转轴附近，并使转轴轴线垂直穿过传感器检测平面中心，转轴上放置磁铁，TMR传感器与磁铁间隙不变，磁铁随着转轴旋转，传感器磁敏感方向上的磁场分量呈正(余)弦变化，使用敏感轴正交的两个TMR传感器就可以检测360度角度变化。

另一种角度测量方式见图5(c)，当齿轮转动时，靠近齿轮的永磁体磁场分布会发生变化，放置的TMR传感器将有周期性信号输出，通过对信号的分析处理即可得到转动角度变化。

3 TMR传感器的不足
TMR传感器是一种新型高灵敏度磁敏传感器，适用于电力系统中各种交直流、电压、频率、位移、角度等的传感测量，但在实际推广使用中，还存在一些问题需要考虑。

1）TMR传感器的本质是磁场测量，因此必须考虑电磁兼容性，需采用屏蔽、滤波等多种手段减小干扰；
2）TMR传感器存在一定的磁滞误差，需通过数据预处理方式消除误差；
3）TMR传感器属于有源测量方式，因此在分布式测量时要额外考虑供电电源；
4）TMR传感器具有方向性，安装时要注意传感器敏感轴的位置和方向。

4 结论
TMR传感器对于磁场具有很高的敏感性，可测量从直流到高频的电力信号，
具有很宽的频率范围，可用于电流传感器、电压传感器、功率传感器、位移传感器、角度传感器、开关传感器等，与现有的传感器相比，TMR传感器具有灵敏度高、可靠性好、测量范围宽、抗恶劣环境、温度稳定性好、体积小、成本低等优点，对于智能电网分布式测量而言，具有广阔的应用前景。

参考文献
[1]陈树勇，宋书芳，李兰欣.智能电网技术综述[J].电网技术，2009，33(8)：1-7.
[2]戴道生.磁性薄膜研究的现状和未来[J].物理，2000，29(5)：262-269.。