文  Claude Gudel,  LEM SA  瑞士

    磁共振成像（MRI）的發展提升了診斷能力，接著，增加了細胞水平治療身體疾病數，最明顯的可能就是癌癥。作為一種診斷方法，MRI繼續發展，但是一段時間以來，這種發展已與基礎技術的發展同步，尤其是圖像采集技術。

　　 雖然MRI掃描技術自20世紀70年代初以來不斷進步，但其首次應用卻始于40年代中期。在這個時間前后，有兩個獨立的研究小組，它們分別屬于哈佛大學和斯坦福大學，他們都發現了后來眾所周知的核磁共振現象。不久以后，畢業于英國牛津大學的Bernard Rollin博士，組裝了很可能是最早的NMR光譜儀實例。到50年代初該發現得到進一步發展，出現了高分辨率的NMR光譜儀，這時在化學和生化領域，它被認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學領域的應用大門，MRI掃描開始平行于NMR獨自發展。

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

　　NMR/MRI 光譜儀的一個關鍵原理是檢測軟組織內細胞運動所產生的微弱磁場。這種運動是細胞在移位后的有效重排。而移位是由細胞接觸更強磁場所致。細胞自身的重排速度取決于其結構和狀態，而檢測出它們產生的非常微弱的磁場所采用的分辨率決定了機器的總體分辨率。

　　磁場產生的細胞激發水平是決定MRI掃描儀功效的關鍵要素，所以控制磁場與檢測所產生的細胞重排一樣關鍵。現在有許多公司研制MRI掃描儀，其中很多都是家喻戶曉的知名企業，不過有趣的是，它們主要依賴其他公司的專家團隊開發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，它是創新高品質的電量參數測量解決方案領先提供商。由于MRI掃描儀的應用非常廣泛，越來越迫切地需要提高它們的分辨率。這只能通過精細準確的磁場調節來實現，而這反過來又在極大程度上取決于測量和控制用來產生磁場的電流的能力。

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

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

　　霍爾效應于1879年由美國物理學家Edwin Herbert Hall 發現，那時他就讀于位于巴爾的摩的John Hopkins 大學。霍爾效應由對穿過磁通密度的運動電荷起作用的洛倫茲力產生，F=q.（VXB）。向磁場中非常薄的半導體箔片施加一個控制電流。控制電流的運動載流子在外磁通密度B產生的洛倫茲力的作用下發生垂直于電流方向的偏移。這種偏移導致更多的載流子在導體的一端聚集，從而在導體兩端形成一個電勢差，這就是霍爾電壓。

　　霍爾效應的某些元素與溫度相關，尤其是霍爾元件的霍爾系數以及失調電壓。因此，任何采用霍爾效應的電流傳感器都必須提供溫度補償。

　　霍爾效應最簡單實用的應用是開環傳感器，它提供了體積最小、質量最輕、成本最低的電流測量解決方案，同時功耗也非常低。

 [開環霍爾效應傳感器工作原理]

　　如圖1所示，這種傳感器由一個用于產生磁場的載流導體組成。磁場用一個開有氣隙的磁芯聚磁。氣隙內的一個霍爾元件用于感應磁通密度。采用控制電流和差分放大，其組件通常集成在傳感器內。在用于產生磁路的材料的磁滯回線（B-H loop）的線性區內，磁通密度B始終與初級電流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級電流及失調霍爾電壓Vo成正比。

[標題：閉環霍爾效應電流傳感器工作原理]

　　開環傳感器可以測量直流、交流和復雜電流波形，同時還提供電流隔離。正如上文提及的，其優點是成本低、體積小、功耗低。同時，它們在測量大電流（>300A）方面尤其有優勢。不過，開環傳感器有一定局限性，例如磁路中的磁損耗導致的響應時間長及帶寬不足、與溫度相關的增益漂移相對較大。

　　相比之下，閉環傳感器，也叫霍爾效應補償式或“零磁通式”傳感器，它利用霍爾元件電壓在次級線圈中產生一個補償電流，從而使總磁通量等于零（圖2 ）。換而言之，次級電流Is產生的磁通量與初級電流產生的磁通量完全相同，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，這種結構還具備一個好處，就是次級繞組在較高頻率下起電流變壓器的作用，這樣就顯著擴大了帶寬并縮短了傳感器的響應時間。

　　當磁通量等于零時，磁勢（安培匝數）等于零，相應的，次級電流Is是初級電流Ip 的精確映射。閉環傳感器的優點包括非常高的精度和良好的線性度，快速響應時間，主要不足是次級電源電流消耗大，因為它必須提供補償電流和偏置電流。

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

[標題：HPCT傳感器工作原理]

　　圖3詳細說明了其工作原理。該傳感器包括一個由三個磁芯（C1、C2和C3,）以及初級繞組（Wp1）和次級繞組（Ws1 - Ws4）組成的電流測量頭，如圖所示。通過將次級電流Ic注入次級繞組Ws2中實現閉環補償。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，從而產生一個輸出電壓。

　　對于較高頻率范圍，次級電流由兩個次級線圈（Ws1和Ws2）之間產生的變壓器效應產生。對于較低頻率范圍（包括直流），傳感器起閉環磁通門傳感器的作用，此時繞組Ws3和 Ws4用作磁通門感應線圈。

　　由于磁通門技術已經普及了一段時間，所以LEM可以采用這種技術并加以改良。最終研發的傳感器精度非常高，溫度失調漂移非常低，時間穩定性非常高。優秀的線性度、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用領域。

　　事實上，除了用于精確控制醫學成像系統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，如精確電流調節電源內的反饋測量、試驗臺電源分析校準設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（一般為+10C 至 +50C）。不過LEM確信以后會證明，這項用于發展HPCT傳感器的技術對MRI掃描前景的意義與霍爾效應傳感器對它的推出的意義一樣重大，同時還會進一步拓展到許多至今尚未預料到的應用領域。