如何让电流测量更智能？TMR传感器来袭

以下文章来源于量感局，作者量感局

在现代电力系统中，电流测量技术是保障电网安全运行和高效管理的关键环节。随着新能源技术的飞速发展和电力电子设备的广泛应用，传统电流测量技术面临着前所未有的挑战。传统电流传感器在测量精度、响应速度和抗干扰能力等方面逐渐难以满足现代电力系统的需求。而隧道磁电阻（Tunnel Magneto Resistance, TMR）电流传感器凭借其高线性度、高灵敏度、低成本和结构简单等显著优势，正逐渐成为电流测量领域的新宠。本文将深入探讨TMR电流传感器的工作原理、结构特点、性能优势以及在实际应用中的表现和发展前景。

引言

（一）传统电流测量技术的局限性

在电力系统中，电流的实时监测至关重要。它不仅能够直观反映电网的运行状态，还能帮助合理配置资源、及时发现故障区域并防止事故扩大。传统的电流测量方法主要依赖于电流互感器、分流器、罗氏线圈等设备。然而，随着新能源的大规模接入，电力系统中的电流测量信号时变性增强，传统方法已难以满足高精度、快速响应的测量需求。

电流互感器：电流互感器是传统的电流测量设备，广泛应用于高压和大电流测量。然而，电流互感器存在磁饱和现象，且在高频信号下性能下降，难以满足现代电力系统对快速响应和高精度的要求。

分流器：分流器通过测量电流通过电阻时产生的电压降来间接测量电流。虽然分流器具有高精度和快速响应的优点，但在大电流测量时，分流器的功耗较大，且需要额外的散热措施。

罗氏线圈：罗氏线圈通过测量电流产生的磁场变化来测量电流。虽然罗氏线圈具有高灵敏度和宽频带的优点，但在低频信号下性能较差，且容易受到外部磁场的干扰。

图：（a）电流互感器原理图。（b）分流器原理图。（c）罗氏线圈电路图

（二）TMR电流传感器的优势

近年来，基于磁电阻效应的电流测量技术逐渐兴起。磁电阻效应是指某些材料在磁场作用下电阻值发生变化的现象。根据磁电阻感应单元结构的不同，磁电阻主要分为各向异性磁阻（AMR）、巨磁电阻（GMR）和隧道磁阻（TMR）三类。其中，TMR效应因其高磁电阻比、宽测量范围和快速响应速度等特性，逐渐受到科研人员和工程师的广泛关注。

高线性度：TMR电流传感器具有高线性度，能够精确测量从直流到高频的电流信号。

高灵敏度：TMR传感器对磁场变化非常敏感，能够检测到微弱的电流变化。

低成本：TMR传感器的制造工艺相对简单，成本较低，适合大规模应用。

结构简单：TMR传感器结构紧凑，体积小，易于集成到各种设备中。

表：三种感应单元的性能对比

TMR效应原理与材料发展

（一）TMR效应原理

TMR效应是一种由电子自旋引起的量子效应，其基本原理是基于多层薄膜结构的电子隧穿现象。典型的TMR结构由自由层、绝缘层和铁磁层组成。当两铁磁层的磁化方向平行时，电子隧穿电流较大；而当磁化方向反平行时，隧穿电流较小。这种磁化方向的变化导致电阻值的变化，从而实现了磁场信号到电阻信号的转换。

图：TMR效应原理图。TMR传感器的核心结构为磁隧道结（MTJ），硬磁层与软磁层之间的磁矩排列（平行或反平行）直接影响电子的隧穿概率，从而导致电阻的变化。这种电阻变化构成了TMR传感器中磁场检测的基础。

Julliere模型：Julliere在1975年提出了一种TMR效应分析模型，指的是自由层/绝缘层/铁磁层/抗铁磁层的多层薄膜结构。当两铁磁层的磁化方向平行时，电阻值较小；当磁化方向反平行时，电阻值较大。

Slonczewski模型：Slonczewski在1989年提出了另一种TMR模型，采用量子力学的隧穿方法来计算TMR。该模型通过自旋极化的自由电子模拟铁磁金属层，并用一种方形的势垒描述绝缘层，保持隧穿前后电子的能量和平行动量守恒。实验表明，量子力学隧穿方法计算出的TMR值通常比隧道哈密顿方法大得多。

（二）TMR材料发展历程

TMR材料的研究始于1975年，当时Julliere在Fe/Ge/Co薄膜中首次发现了14%的TMR效应。然而，这一发现并未立即引起广泛关注。直到1995年，科学家在Fe/AlO/Fe结构中观察到室温下10%的TMR效应，基于磁性隧道结的低饱和度和高灵敏度等优势才逐渐被更多人关注。近年来，随着材料科学和纳米技术的快速发展，TMR材料的性能得到了显著提升。例如，基于单晶体MgO材料的TMR元件磁阻率在实验中能达到604%。此外，研究人员还通过优化电极和势垒层的材料及结构，进一步提高了TMR效应的性能。

Fe/AlO/Fe结构：1995年，科学家在Fe/AlO/Fe结构中观察到室温下10%的TMR效应，这一发现引起了广泛关注。

MgO材料：2001年，研究发现基于单晶体MgO材料的TMR元件磁阻率在实验中能达到604%。

Mo/CoFe/MgO结构：2017年，Koyama等人提出了基于FePt薄膜磁体的TMR传感器，该薄膜具有1μm的厚度，晶粒尺寸约为50nm~200nm，能获得超过20%的各向异性磁场的大偏置磁场。

带磁环TMR电流传感器

（一）开环TMR电流传感器

开环TMR电流传感器是最常见的结构形式。它将TMR芯片固定在聚磁环的气隙处，当导体中的电流变化时，电流产生的磁场随之变化，芯片的磁电阻和输出电压也随之改变，从而实现对电流的间接测量。这种传感器具有结构简单、体积小、成本低、带宽大等优点，能够测量直流、交流以及其他复杂波形的电流。然而，开环TMR电流传感器也存在一些问题，如电流的集肤效应降低了测量精度，温度漂移和外界磁场干扰影响测量准确性。

结构特点：TMR芯片固定在聚磁环的气隙处，当导体中的电流变化时，电流产生的磁场变化被TMR芯片检测到，从而实现对电流的测量。

性能优势：结构简单，无需复杂的反馈电路，成本低；体积小，适合安装在空间受限的设备中；带宽大，能够测量高频电流信号；测量范围广，能够测量直流、交流以及其他复杂波形的电流。

存在问题：集肤效应，电流的集肤效应会改变传感器位置的磁场，降低测量精度；温度漂移，温度变化会影响TMR芯片的性能，导致测量误差；外部磁场干扰，外部磁场会干扰TMR芯片的输出，影响测量准确性。

图：开环TMR电流传感器结构示意图

（二）闭环TMR电流传感器

闭环TMR电流传感器在开环传感器的基础上增加了反馈环节，通过反馈电流抵消被测电流产生的磁场，从而实现高精度测量。闭环TMR电流传感器具有更高的精度和线性度，响应速度快，抗干扰能力强。然而，闭环传感器需要电源提供补偿电流，功耗较大，制作成本也较高。

结构特点：在开环TMR电流传感器的基础上增加了由功率放大电路、反馈线圈及电阻组成的负反馈环节，通过反馈电流抵消被测电流产生的磁场，从而实现高精度测量。

性能优势：高精度，反馈环节能够有效抵消温度变化和外部磁场干扰的影响，提高测量精度；高线性度，闭环结构能够保持输出信号的线性度，适用于高精度测量；抗干扰能力强，反馈机制能够有效抑制外部磁场的干扰，提高测量的稳定性。

存在问题：功耗较大，需要电源提供补偿电流，增加了功耗；制作成本高，反馈电路增加了传感器的复杂性和成本。

图：闭环TMR电流传感器结构示意图

（三）聚磁环的结构及改进措施

聚磁环的作用是将磁场聚集起来，通常由软磁材料构成。聚磁环的气隙结构对磁场分布均匀度有重要影响。研究表明，气隙的截面形状和离心率决定了磁场分布的均匀程度。为了提高电流传感器的测量精度，研究人员设计了不同形状的聚磁环，如磁流体密封式聚磁环。这种聚磁环的聚磁能力是传统聚磁环的764倍，能够显著提高传感器的测量精度。

传统聚磁环：传统聚磁环的气隙对磁场的削弱效果严重，影响测量精度。

磁流体密封式聚磁环：磁流体密封式聚磁环通过磁流体填充气隙，显著提高了聚磁能力。实验表明，磁流体密封式聚磁环的聚磁能力是传统聚磁环的764倍，能够显著提高传感器的测量精度。

无磁环TMR电流传感器

通常情况下，电流传感器会配备磁环以增强磁场的聚集效果，从而提高测量精度。然而，在电力系统的输电和变电领域，大部分电流传感器是不带磁环的。这种无磁环设计的优势在于，它能够摆脱磁环尺寸的限制，使得传感器的体积更加小巧，便于安装和集成，因此其应用范围更为广泛。

以TMR开环电流传感器为例，其最简单的结构是将贴片封装的TMR磁传感器置于印制电路板（PCB）上载流铜箔的正上方。这种设计使得磁传感器能够直接测量载流导体周围的磁场。由于载流铜箔中的电流大小与磁传感器所感受到的磁场强度成正比关系，因此，通过测量磁场的变化，该结构同样能够实现对电流的精确测量。

图：简单开环TMR电流传感器结构图

（一）TMR电流传感器的抗干扰技术

1、硬件抗干扰技术

硬件抗干扰技术主要通过补偿电路和电磁屏蔽来降低温度变化和外界磁场干扰的影响。例如，基于纵向扼流圈传输信号的抗地环路干扰技术能够有效抑制地线干扰。此外，采用磁芯为锰锌高磁导率铁氧体材料的扼流圈，对地线干扰的抑制效果较为明显。

抗地环路干扰技术

通过在TMR电流传感器和信号接收电路之间串联扼流圈，能够有效抑制地线干扰。实验表明，采用磁芯为锰锌高磁导率铁氧体材料的扼流圈，对地线干扰的抑制效果较为明显。

电磁屏蔽技术

通过电磁屏蔽技术，能够有效抑制外部磁场的干扰。例如，采用磁屏蔽笼结构，能够有效抑制外部磁场对TMR电流传感器的影响。

图：（a）TMR电流传感器屏蔽结构；（b）非侵入式表面贴装式电流传感器结构示意图

2、软件抗干扰技术

软件抗干扰技术主要依靠数值分析法、人工智能法、神经网络算法等对传感器的输出数据进行补偿优化。例如，基于最小均方根（LMS）的自适应滤波算法能够有效抑制外磁场干扰。改进后的箕舌线变步长自适应滤波算法具有更高的收敛速度和跟踪速度，能够显著提高TMR传感器的测量精度和可靠性。

最小均方根（LMS）算法

LMS算法通过自适应滤波器，能够有效抑制外部磁场的干扰。实验表明，LMS算法能够将测量误差从25%减少到2%左右。

箕舌线变步长算法

改进后的箕舌线变步长算法具有更高的收敛速度和跟踪速度，能够显著提高TMR传感器的测量精度和可靠性。实验表明，通过算法补偿后的测量误差从4.62%下降到0.21%。

图：原理图与流程图

TMR电流传感器的应用实例

（一）开环TMR电流传感器的应用

开环TMR电流传感器因其结构简单、成本低等优点，在开关电源、不间断电源、光伏逆变器等领域得到了广泛应用。例如，上海大学设计的钢轨双端TMR梯度电流传感器，能够实现轨道电流的高精度在线监测。实验验证表明，该传感器的线性误差在1.5%范围内，能够满足轨道电流测量要求。

钢轨双端TMR梯度电流传感器

上海大学设计的钢轨双端TMR梯度电流传感器，通过优化传感器在轨道上的位置，实现了轨道电流的高精度在线监测。实验表明，该传感器的线性误差在1.5%范围内，能够满足轨道电流测量要求。

（二）闭环TMR电流传感器的应用

闭环TMR电流传感器因其高精度和抗干扰能力强的特点，在电动汽车电流检测、伺服电机驱动等领域得到了广泛应用。例如，文献中提到的闭环TMR电流传感器能够实现对电动汽车电池电流的高精度实时监测，为电动汽车的安全运行提供了有力保障。

电动汽车电流检测

闭环TMR电流传感器能够实现对电动汽车电池电流的高精度实时监测，为电动汽车的安全运行提供了有力保障。实验表明，闭环TMR电流传感器的测量精度高，抗干扰能力强，适用于电动汽车电流检测。

TMR电流传感器阵列的研究现状与展望

（一）传感器阵列的分类与特点

TMR电流传感器阵列可以根据传感轴的数量分为一维、二维和三维传感器。一维传感器只能测量特定方向的磁场，二维传感器能测量一个平面上的磁场，而三维传感器可以测量空间中任意方向上的磁场。常见的传感器阵列结构包括单轴型、环形和矩形。

（二）单轴TMR芯片阵列

单轴TMR芯片阵列具有体积小、超微功耗和自供电能力等优点。例如，文献中提到的非接触式全集成电流传感器，其测量范围为1500A，测量误差小于0.6%，尺寸约为4.5cm×2.5cm×1.5cm，适用于开关柜和变压器出口等场景。

非接触式全集成电流传感器

文献中提到的非接触式全集成电流传感器，其测量范围为1500A，测量误差小于0.6%，尺寸约为4.5cm×2.5cm×1.5cm，适用于开关柜和变压器出口等场景。

图：单轴TMR电流传感器应用原理图

（三）环形TMR芯片阵列

环形TMR芯片阵列具有优秀的测量精度和抗干扰能力。随着环形阵列中TMR传感器数量的增加，载流导体的测量误差急剧减小。例如，文献中提到的环形TMR传感器阵列模型，通过神经网络设计相应的校正算法，能够将测量误差从25%减少到2%左右。

环形TMR传感器阵列

文献中提到的环形TMR传感器阵列模型，通过神经网络设计相应的校正算法，能够将测量误差从25%减少到2%左右。实验表明，环形TMR传感器阵列具有优秀的测量精度和抗干扰能力。

图：环形TMR阵列试验样机

（四）矩形TMR芯片阵列

矩形TMR芯片阵列克服了环形阵列中假定导线无限长和导线规格不同所引起的测量误差。它具有测量更精确、测量范围广且可调、安装方便的优点。例如，文献中提到的矩形传感器阵列在高压直流输电领域中，非常适合直流接地母线的电流检测。

矩形TMR传感器阵列

文献中提到的矩形TMR传感器阵列在高压直流输电领域中，非常适合直流接地母线的电流检测。实验表明，矩形TMR传感器阵列具有测量更精确、测量范围广且可调、安装方便的优点。

图：TMR矩形阵列原理图

（五）矩阵TMR芯片阵列

矩阵TMR芯片阵列在电动汽车无线充电领域具有广阔的应用前景。例如，文献中提到的多功能TMR矩阵传感器能够监测充电性能，同时检测线圈错位和异物。通过TMR传感器矩阵测量线圈之间的磁场分布，解决了电动汽车无线充电中的关键技术问题。

多功能TMR矩阵传感器

文献中提到的多功能TMR矩阵传感器能够监测充电性能，同时检测线圈错位和异物。实验表明，通过TMR传感器矩阵测量线圈之间的磁场分布，能够有效解决电动汽车无线充电中的关键技术问题。

图：矩阵TMR阵列侧视图与俯视图

结论

TMR电流传感器凭借其高线性度、高灵敏度、低成本和结构简单等优势，正在逐渐成为电流测量领域的新一代主流技术。尽管TMR电流传感器在温度漂移和外部磁场干扰方面仍存在一些挑战，但随着材料科学、纳米技术和信号处理技术的不断发展，这些问题有望得到进一步解决。未来，TMR电流传感器将朝着实时远程在线监测、噪声优化和温度漂移补偿等方向发展，为智能电网、电动汽车、工业自动化等领域提供更加精准、可靠的电流测量解决方案。

随着智能电网、互联网+和万物互联技术的不断推进，TMR电流传感器将在数字化工业领域中发挥越来越重要的作用。它不仅能够满足电力系统对高精度电流测量的需求，还将推动电流测量技术向智能化、集成化方向发展。我们有理由相信，TMR电流传感器将在未来的电力系统中扮演不可或缺的角色，为实现高效、安全、可靠的电力传输和分配提供有力的技术支持。

参考链接

http://www.emijournal.net/dcyyb/ch/reader/view_abstract.aspx?file_no=20231015001&flag=1