文 Claude Gudel, LEM SA 瑞士
看來(lái)包括醫(yī)療市場(chǎng)在內(nèi)的許多領(lǐng)域都會(huì)從長(zhǎng)期使用卻幾乎沒(méi)有進(jìn)步的技術(shù)的改良中獲益。
嵌入式電子設(shè)備與醫(yī)療器械之間的關(guān)聯(lián)十分復(fù)雜；電子技術(shù)的每一步跨越，都會(huì)給航空、工業(yè)和醫(yī)療領(lǐng)域在內(nèi)的垂直市場(chǎng)帶來(lái)直接利益�？磥�(lái)只要具備使能技術(shù)，這些市場(chǎng)就有無(wú)限的潛力。
醫(yī)療領(lǐng)域一個(gè)明顯的例子就是精密診斷設(shè)備的應(yīng)用加大，例如核磁共振成像系統(tǒng)（MRI），它對(duì)癌癥檢測(cè)和治療具有無(wú)法估量的價(jià)值。MRI光譜學(xué)的基本原理在50年前已經(jīng)形成，那時(shí)就觀察到軟組織內(nèi)的細(xì)胞運(yùn)動(dòng)會(huì)產(chǎn)生微弱磁場(chǎng)這種現(xiàn)象。這種細(xì)胞運(yùn)動(dòng)實(shí)際上是細(xì)胞在接觸更強(qiáng)磁場(chǎng)后的重排。同時(shí)發(fā)現(xiàn)，它們重排時(shí)的運(yùn)動(dòng)體現(xiàn)了細(xì)胞的結(jié)構(gòu)和狀態(tài)。通過(guò)檢測(cè)它們產(chǎn)生的微弱磁場(chǎng)來(lái)測(cè)定這種運(yùn)動(dòng)，從而可以診斷某些疾病。但是，開展測(cè)量所采用的分辨率最終決定了可能的診斷水平。
多年以來(lái)，MRI掃描儀一直采用一種基于霍爾效應(yīng)的技術(shù)，一項(xiàng)比MRI光譜學(xué)更古老的技術(shù)。不過(guò)，盡管它具有非常高的可信度，卻仍然不是一項(xiàng)沒(méi)有局限性的技術(shù)；事實(shí)上這些局限性使MRI掃描的發(fā)展停滯不前。不過(guò)一家創(chuàng)新A高品質(zhì)電氣參數(shù)測(cè)量解決方案領(lǐng)先提供商成功研發(fā)的一種傳感器已經(jīng)突破了這些局限性，該傳感器可以潛在推動(dòng)MRI邁入一個(gè)新階段。LEM，瑞士一家專門研發(fā)這類傳感器的公司，受該領(lǐng)域一家客戶所托研發(fā)一種可以提供更高磁場(chǎng)測(cè)量精度的新型電流傳感器。LEM花了近7個(gè)月時(shí)間改良現(xiàn)有技術(shù)使其符合這家客戶要求，現(xiàn)在這款電流傳感器是當(dāng)前市面上性能最高的。
經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)
霍爾效應(yīng)于1879年由Edwin Herbert Hall發(fā)現(xiàn)。他觀察到一種作用于穿過(guò)磁通密度的運(yùn)動(dòng)電荷的力。當(dāng)一個(gè)控制電流穿過(guò)該磁場(chǎng)時(shí)，載流子由于受到外加磁通密度所產(chǎn)生的洛侖茲力的影響，其軌跡發(fā)生偏移。這種偏移導(dǎo)致更多的載流子在導(dǎo)體的一端聚集，從而在導(dǎo)體兩端形成一個(gè)電勢(shì)差，這就是霍爾電壓。
霍爾效應(yīng)的某些原理與溫度相關(guān)，這就意味著，傳感器必須包括或提供某種形式的溫度補(bǔ)償，而這會(huì)導(dǎo)致傳感器體積和成本的增加�；魻栃�(yīng)最簡(jiǎn)單實(shí)用的應(yīng)用是開環(huán)傳感器，它提供了體積最小、質(zhì)量最輕、成本最低的電流測(cè)量解決方案，同時(shí)功耗也非常低。開環(huán)傳感器可以測(cè)量直流、交流和復(fù)雜電流波形，同時(shí)還提供電流隔離。不過(guò)，開環(huán)傳感器有一定局限性，例如磁路中的磁損耗導(dǎo)致的響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)及帶寬不足、與溫度相關(guān)的增益漂移相對(duì)較大。
相比之下，閉環(huán)傳感器，也叫霍爾效應(yīng)補(bǔ)償式或“零磁通式”傳感器，它利用霍爾元件電壓在次級(jí)線圈中產(chǎn)生一個(gè)補(bǔ)償電流，從而使總磁通量等于零。在零磁通量條件下運(yùn)行霍爾元件消除隨溫度變化的增益漂移，這種結(jié)構(gòu)還有一種顯著的優(yōu)勢(shì)，可以擴(kuò)大傳感器帶寬、縮短響應(yīng)時(shí)間。不過(guò)，其主要不足是次級(jí)電源的電流消耗高，因?yàn)樗仨毺峁┭a(bǔ)償電流和偏置電流。
正因?yàn)樗木窒扌裕瑢?dǎo)致霍爾效應(yīng)電流傳感器不再適用一些領(lǐng)域，尤其是MRI掃描領(lǐng)域。而LEM推出的解決方案主要針對(duì)這個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域，與霍爾效應(yīng)技術(shù)相當(dāng)，但是具備明顯優(yōu)勢(shì)。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(shù)已經(jīng)普及了一段時(shí)間，所以LEM可以采用這種技術(shù)并加以改良。最終研發(fā)的傳感器精度非常高，溫度失調(diào)漂移非常低，時(shí)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(cè)量帶寬（直流到200kHz，-3dB）確保了該傳感器廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。
圖1顯示了其工作原理。該傳感器包括一個(gè)由三個(gè)磁芯（C1、C2和C3,）以及初級(jí)繞組（Wp1）和次級(jí)繞組（Ws1 - Ws4）組成的電流測(cè)量頭，如圖所示。通過(guò)將次級(jí)電流Ic注入次級(jí)繞組Ws2中實(shí)現(xiàn)閉環(huán)補(bǔ)償。Ws2后半段線圈與3個(gè)磁芯進(jìn)行磁耦合，并與測(cè)量電阻Rm串聯(lián)，從而產(chǎn)生一個(gè)輸出電壓。
對(duì)于較高頻率范圍，次級(jí)電流由兩個(gè)次級(jí)線圈（Ws1和Ws2）之間產(chǎn)生的變壓器效應(yīng)產(chǎn)生。對(duì)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(shí)繞組Ws3和 Ws4用作磁通門感應(yīng)線圈。
除了用于精確控制醫(yī)學(xué)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高精度測(cè)量的場(chǎng)合，如精確電流調(diào)節(jié)電源內(nèi)的反饋測(cè)量、試驗(yàn)臺(tái)電源分析校準(zhǔn)設(shè)備及實(shí)驗(yàn)室及計(jì)量?jī)x器的電流測(cè)量。
目前，該類傳感器的工作溫度范圍相對(duì)狹窄（一般為+10°c 至 +50°c）。不過(guò)LEM確信，這項(xiàng)技術(shù)會(huì)進(jìn)一步發(fā)展，同時(shí)也將證明，HPCT傳感器對(duì)MRI掃描前景的意義與霍爾效應(yīng)傳感器對(duì)它的推出的意義一樣重大。正如霍爾效應(yīng)自身的應(yīng)用一樣，基于霍爾效應(yīng)的具有領(lǐng)先尖端性能的HPCT在未來(lái)可以開拓?zé)o限廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域。
