文  Claude Gudel,  LEM SA  瑞士

    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)，最明顯的可能就是癌癥。作為一種診斷方法，MRI繼續(xù)發(fā)展，但是一段時(shí)間以來，這種發(fā)展已與基礎(chǔ)技術(shù)的發(fā)展同步，尤其是圖像采集技術(shù)。

    雖然MRI掃描技術(shù)自20世紀(jì)70年代初以來不斷進(jìn)步，但其首次應(yīng)用卻始于40年代中期。在這個時(shí)間前后，有兩個獨(dú)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)了后來眾所周知的核磁共振現(xiàn)象。不久以后，畢業(yè)于英國牛津大學(xué)的Bernard Rollin博士，組裝了很可能是最早的NMR光譜儀實(shí)例。到50年代初該發(fā)現(xiàn)得到進(jìn)一步發(fā)展，出現(xiàn)了高分辨率的NMR光譜儀，這時(shí)在化學(xué)和生化領(lǐng)域，它被認(rèn)為是一種潛在有用的工具。通過努力提高成像分辨率終于打開了它在診斷醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用大門，MRI掃描開始平行于NMR獨(dú)自發(fā)展。

    它已經(jīng)脫離了一個足以躺下一名患者的平臺的傳統(tǒng)形象，而在不知不覺中演變成一個更大的、圓形的機(jī)器，就像一個巨大的感應(yīng)器，這時(shí)看不出MRI掃描是如何開展的。

    NMR/MRI 光譜儀的一個關(guān)鍵原理是檢測軟組織內(nèi)細(xì)胞運(yùn)動所產(chǎn)生的微弱磁場。這種運(yùn)動是細(xì)胞在移位后的有效重排。而移位是由細(xì)胞接觸更強(qiáng)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)，而檢測出它們產(chǎn)生的非常微弱的磁場所采用的分辨率決定了機(jī)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，所以控制磁場與檢測所產(chǎn)生的細(xì)胞重排一樣關(guān)鍵。現(xiàn)在有許多公司研制MRI掃描儀，其中很多都是家喻戶曉的知名企業(yè)，不過有趣的是，它們主要依賴其他公司的專家團(tuán)隊(duì)開發(fā)和提供這些儀器上的配套傳感器解決方案。

    LEM就是其中的一家，它是創(chuàng)新高品質(zhì)的電量參數(shù)測量解決方案領(lǐng)先提供商。由于MRI掃描儀的應(yīng)用非常廣泛，越來越迫切地需要提高它們的分辨率。這只能通過精細(xì)準(zhǔn)確的磁場調(diào)節(jié)來實(shí)現(xiàn)，而這反過來又在極大程度上取決于測量和控制用來產(chǎn)生磁場的電流的能力。

    一段時(shí)間以來，這個領(lǐng)域采用的技術(shù)基于霍爾效應(yīng)電流傳感器，但是現(xiàn)在這項(xiàng)技術(shù)在這個領(lǐng)域內(nèi)存在明顯不足，尤其是精度方面。LEM受該領(lǐng)域一家客戶所托研發(fā)所需的一種新型電流傳感器，為其改善現(xiàn)有性能，提供更高精度。LEM花了近7個月時(shí)間改良現(xiàn)有技術(shù)使其符合這家客戶要求，最終研發(fā)成功的這款電流傳感器是當(dāng)前市面上性能最高的。

    LEM研發(fā)的解決方案是一種雙軸磁通門閉環(huán)傳感器，即知名的HPCT，將其工作原理與應(yīng)用更普遍的霍爾效應(yīng)技術(shù)相比，這種可能更有用。

    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(shí)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(yùn)動電荷起作用的洛倫茲力產(chǎn)生，F(xiàn)=q.（VXB）。向磁場中非常薄的半導(dǎo)體箔片施加一個控制電流。控制電流的運(yùn)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，任何采用霍爾效應(yīng)的電流傳感器都必須提供溫度補(bǔ)償。

    霍爾效應(yīng)最簡單實(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、成本最低的電流測量解決方案，同時(shí)功耗也非常低。

    如圖1 [標(biāo)題：開環(huán)霍爾效應(yīng)傳感器工作原理] 所示，這種傳感器由一個用于產(chǎn)生磁場的載流導(dǎo)體組成。磁場用一個開有氣隙的磁芯聚磁。氣隙內(nèi)的一個霍爾元件用于感應(yīng)磁通密度。采用控制電流和差分放大，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）的線性區(qū)內(nèi)，磁通密度B始終與初級電流I_p成正比，霍爾電壓V_H與磁通密度B成正比。 因此，霍爾元件的輸出與初級電流及失調(diào)霍爾電壓V_o成正比。

圖1

    開環(huán)傳感器可以測量直流、交流和復(fù)雜電流波形，同時(shí)還提供電流隔離。正如上文提及的，其優(yōu)點(diǎn)是成本低、體積小、功耗低。同時(shí)，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(bǔ)償式或“零磁通式”傳感器，它利用霍爾元件電壓在次級線圈中產(chǎn)生一個補(bǔ)償電流，從而使總磁通量等于零（圖2 [標(biāo)題：閉環(huán)霍爾效應(yīng)電流傳感器工作原理]）。換而言之，次級電流I_s產(chǎn)生的磁通量與初級電流產(chǎn)生的磁通量完全相同，不過方向相反。

 圖2  

    在零磁通條件下運(yùn)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)還具備一個好處，就是次級繞組在較高頻率下起電流變壓器的作用，這樣就顯著擴(kuò)大了帶寬并縮短了傳感器的響應(yīng)時(shí)間。

    當(dāng)磁通量等于零時(shí)，磁勢（安培匝數(shù)）等于零，相應(yīng)的，次級電流Is是初級電流I_p 的精確映射。閉環(huán)傳感器的優(yōu)點(diǎn)包括非常高的精度和良好的線性度，快速響應(yīng)時(shí)間，主要不足是次級電源電流消耗大，因?yàn)樗�必須提供補(bǔ)償電流和偏置電流。

    在技術(shù)規(guī)格要求更嚴(yán)格的特定應(yīng)用場合，例如超低非線性誤差、低噪或非常低的與溫度相關(guān)的失調(diào)漂移等，這時(shí)霍爾效應(yīng)電流傳感器不再適用。為了滿足這些要求，LEM研發(fā)了雙軸磁通門閉環(huán)傳感器（HPCT），它可以提供精度和穩(wěn)定性均非常高的直流和交流電流測量，同時(shí)消除初級端注入的噪聲。

    圖3[標(biāo)題：HPCT傳感器工作原理]詳細(xì)說明了其工作原理。該傳感器包括一個由三個磁芯（C₁、C₂和C₃,）以及初級繞組（W_p1）和次級繞組（W_s1 - W_s4）組成的電流測量頭，如圖所示。通過將次級電流I_c注入次級繞組W_s2中實(shí)現(xiàn)閉環(huán)補(bǔ)償。W_s2后半段線圈與3個磁芯進(jìn)行磁耦合，并與測量電阻R_m串聯(lián)，從而產(chǎn)生一個輸出電壓。

對于較高頻率范圍，次級電流由兩個次級線圈（W_s1和W_s2）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(shí)繞組W_s3和 W_s4用作磁通門感應(yīng)線圈。

圖3

    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，而超大測量帶寬（直流到200kHz，-3dB）確保了該傳感器廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。

    事實(shí)上，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量的場合，如精確電流調(diào)節(jié)電源內(nèi)的反饋測量、試驗(yàn)臺電源分析校準(zhǔn)設(shè)備以及實(shí)驗(yàn)室與計(jì)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（一般為+10°C 至 +50°C）。不過LEM確信以后會證明，這項(xiàng)用于發(fā)展HPCT傳感器的技術(shù)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一樣重大，同時(shí)還會進(jìn)一步拓展到許多至今尚未預(yù)料到的應(yīng)用領(lǐng)域。