磁共振成像（MRI）的發(fā)展提升了診斷能力，接著(zhù)，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(fā)展，但是一段時(shí)間以來(lái)，這種發(fā)展已與基礎技術(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70年代初以來(lái)不斷進(jìn)步，但其首次應用卻始于40年代中期。在這個(gè)時(shí)間前后，有兩個(gè)獨立的研究小組，它們分別屬于哈佛大學(xué)和斯坦福大學(xué)，他們都發(fā)現了后來(lái)眾所周知的核磁共振現象。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)現得到進(jìn)一步發(fā)展，出現了高分辨率的NMR光譜儀，這時(shí)在化學(xué)和生化領(lǐng)域，它被認為是一種潛在有用的工具。通過(guò)努力提高成像分辨率終于打開(kāi)了它在診斷醫學(xué)領(lǐng)域的應用大門(mén)，MRI掃描開(kāi)始平行于NMR獨自發(fā)展。

　　它已經(jīng)脫離了一個(gè)足以躺下一名患者的平臺的傳統形象，而在不知不覺(jué)中演變成一個(gè)更大的、圓形的機器，就像一個(gè)巨大的感應器，這時(shí)看不出MRI掃描是如何開(kāi)展的。

　　NMR/MRI 光譜儀的一個(gè)關(guān)鍵原理是檢測軟組織內細胞運動(dòng)所產(chǎn)生的微弱磁場(chǎng)。這種運動(dòng)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(chǎng)所致。細胞自身的重排速度取決于其結構和狀態(tài)，而檢測出它們產(chǎn)生的非常微弱的磁場(chǎng)所采用的分辨率決定了機器的總體分辨率。

　　磁場(chǎng)產(chǎn)生的細胞激發(fā)水平是決定MRI掃描儀功效的關(guān)鍵要素，所以控制磁場(chǎng)與檢測所產(chǎn)生的細胞重排一樣關(guān)鍵?，F在有許多公司研制MRI掃描儀，其中很多都是家喻戶(hù)曉的知名企業(yè)，不過(guò)有趣的是，它們主要依賴(lài)其他公司的專(zhuān)家團隊開(kāi)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)的電量參數測量解決方案領(lǐng)先提供商。由于MRI掃描儀的應用非常廣泛，越來(lái)越迫切地需要提高它們的分辨率。這只能通過(guò)精細準確的磁場(chǎng)調節來(lái)實(shí)現，而這反過(guò)來(lái)又在極大程度上取決于測量和控制用來(lái)產(chǎn)生磁場(chǎng)的電流的能力。

　　一段時(shí)間以來(lái)，這個(gè)領(lǐng)域采用的技術(shù)基于霍爾效應電流傳感器，但是現在這項技術(shù)在這個(gè)領(lǐng)域內存在明顯不足，尤其是精度方面。LEM受該領(lǐng)域一家客戶(hù)所托研發(fā)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(gè)月時(shí)間改良現有技術(shù)使其符合這家客戶(hù)要求，最終研發(fā)成功的這款電流傳感器是當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(mén)閉環(huán)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(shù)相比，這種可能更有用。

　　霍爾效應于1879年由美國物理學(xué)家Edwin Herbert Hall 發(fā)現，那時(shí)他就讀于位于巴爾的摩的John Hopkins 大學(xué)?；魻栃蓪Υ┻^(guò)磁通密度的運動(dòng)電荷起作用的洛倫茲力產(chǎn)生，F=q.（VXB）。向磁場(chǎng)中非常薄的半導體箔片施加一個(gè)控制電流?？刂齐娏鞯倪\動(dòng)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(gè)電勢差，這就是霍爾電壓。

　　霍爾效應的某些元素與溫度相關(guān)，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(jiǎn)單實(shí)用的應用是開(kāi)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。

開(kāi)環(huán)霍爾效應傳感器工作原理

　　如圖1所示，這種傳感器由一個(gè)用于產(chǎn)生磁場(chǎng)的載流導體組成。磁場(chǎng)用一個(gè)開(kāi)有氣隙的磁芯聚磁。氣隙內的一個(gè)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(chǎn)生磁路的材料的磁滯回線(xiàn)（B-H loop）的線(xiàn)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。

　　開(kāi)環(huán)傳感器可以測量直流、交流和復雜電流波形，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(guò)，開(kāi)環(huán)傳感器有一定局限性，例如磁路中的磁損耗導致的響應時(shí)間長(cháng)及帶寬不足、與溫度相關(guān)的增益漂移相對較大。

閉環(huán)霍爾效應電流傳感器工作原理

　　相比之下，閉環(huán)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(xiàn)圈中產(chǎn)生一個(gè)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(chǎn)生的磁通量與初級電流產(chǎn)生的磁通量完全相同，不過(guò)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(gè)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(zhù)擴大了帶寬并縮短了傳感器的響應時(shí)間。

　　當磁通量等于零時(shí)，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(huán)傳感器的優(yōu)點(diǎn)包括非常高的精度和良好的線(xiàn)性度，快速響應時(shí)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(shù)規格要求更嚴格的特定應用場(chǎng)合，例如超低非線(xiàn)性誤差、低噪或非常低的與溫度相關(guān)的失調漂移等，這時(shí)霍爾效應電流傳感器不再適用。為了滿(mǎn)足這些要求，LEM研發(fā)了雙軸磁通門(mén)閉環(huán)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(shí)消除初級端注入的噪聲。

HPCT傳感器工作原理

　　圖3詳細說(shuō)明了其工作原理。該傳感器包括一個(gè)由三個(gè)磁芯（C1、C2和C3,）以及初級繞組（Wp1）和次級繞組（Ws1 - Ws4）組成的電流測量頭，如圖所示。通過(guò)將次級電流Ic注入次級繞組Ws2中實(shí)現閉環(huán)補償。Ws2后半段線(xiàn)圈與3個(gè)磁芯進(jìn)行磁耦合，并與測量電阻Rm串聯(lián)，從而產(chǎn)生一個(gè)輸出電壓。

　　對于較高頻率范圍，次級電流由兩個(gè)次級線(xiàn)圈（Ws1和Ws2）之間產(chǎn)生的變壓器效應產(chǎn)生。對于較低頻率范圍（包括直流），傳感器起閉環(huán)磁通門(mén)傳感器的作用，此時(shí)繞組Ws3和 Ws4用作磁通門(mén)感應線(xiàn)圈。

　　由于磁通門(mén)技術(shù)已經(jīng)普及了一段時(shí)間，所以L(fǎng)EM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，溫度失調漂移非常低，時(shí)間穩定性非常高。優(yōu)秀的線(xiàn)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(lǐng)域。

　　事實(shí)上，除了用于精確控制醫學(xué)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(chǎng)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(shí)驗室與計量?jì)x器的電流測量。

　　目前，該類(lèi)傳感器的工作溫度范圍相對狹窄（一般為+10?C 至 +50?C）。不過(guò)LEM確信以后會(huì )證明，這項用于發(fā)展HPCT傳感器的技術(shù)對MRI掃描前景的意義與霍爾效應傳感器對它的推出的意義一樣重大，同時(shí)還會(huì )進(jìn)一步拓展到許多至今尚未預料到的應用領(lǐng)域。