基于InSb-In磁敏電阻器實(shí)現(xiàn)銻化銦電流傳感器的設(shè)計(jì)及應(yīng)用

1導(dǎo)言
傳感器技術(shù)、通信技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)已經(jīng)成為現(xiàn)代信息技術(shù)的三大支柱。傳感器是一種信息獲取裝置，是系統(tǒng)感知、獲取和檢測(cè)信息的窗口。用銻化銦共晶薄膜磁阻元件制作的電流傳感器是通過(guò)同時(shí)改變兩個(gè)銻化銦磁阻元件的電阻來(lái)實(shí)現(xiàn)的，工作中的馬達(dá)可以通過(guò)感應(yīng)電流來(lái)控制。
銻化銦電流傳感器的結(jié)構(gòu)和工作原理
MRCS銻化銦-銦共晶薄膜磁阻元件感應(yīng)磁頭(圖1)主要由導(dǎo)線、絕緣基片、Insb-in  磁阻元件MR1、MR2、永磁體、五針等組成。此外還有一個(gè)起屏蔽和保護(hù)作用的金屬外殼。MR1和MR2是一對(duì)相對(duì)放置的磁阻元件，具有近似相等的電阻值，并且導(dǎo)線被放置在MR1和MR2的對(duì)稱軸上。
InSb-in  磁敏電阻是傳感器的核心，其工作機(jī)理基于磁阻效應(yīng)。根據(jù)磁阻效應(yīng)，其電阻率變化如下：b為磁感應(yīng)強(qiáng)度；B和0分別是有磁場(chǎng)和無(wú)磁場(chǎng)時(shí)InSb-in  磁敏電阻的電阻率；n是載流子的遷移率。這種銻化銦-銦共晶薄膜磁敏電阻的磁阻特性仍然遵循銻化銦單晶的規(guī)律，它是一條拋物線，可以表示為一維二次三項(xiàng)式
RB/R0=1 B  B2(2)
其中：b為磁感應(yīng)強(qiáng)度；RB和R0分別是有磁場(chǎng)和無(wú)磁場(chǎng)時(shí)Insb-in  磁敏電阻的阻值。、是與分量相關(guān)的系數(shù)。當(dāng)交流電流過(guò)導(dǎo)線時(shí)，導(dǎo)線周?chē)鷷?huì)產(chǎn)生交變的螺旋磁場(chǎng)，然后在其中間連接點(diǎn)產(chǎn)生交變的電壓信號(hào)，經(jīng)放大、比較后監(jiān)測(cè)交流電。
3信號(hào)處理電路
信號(hào)采集電路中的InSb-In薄膜磁阻元件由三端差分連接如圖1(b)表示。該信號(hào)采集電路輸出信號(hào)大，抑制溫度漂移能力強(qiáng)。信號(hào)處理電路采用阻容耦合差動(dòng)放大電路。在圖2中，IC1和IC2是兩級(jí)差分放大器，可以通過(guò)改變R2、R7、R5和R8的電阻值來(lái)調(diào)整放大系數(shù)。集成運(yùn)算放大器的靜態(tài)電壓由R3和R6調(diào)節(jié)?？紤]到磁頭中的上下磁阻元件不是完全平衡的，MR1和MR2的電阻值將小于10%。在5V的工作功率下，信號(hào)采集的輸出電壓在2.4 ~ 2.6V之間.為了減少磁頭與運(yùn)算放大器的阻容耦合中的信號(hào)損失，集成運(yùn)算放大器的靜態(tài)電壓一般設(shè)置在2.5V以下，2V更合適。
4電流傳感器在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用
本文研制的電流傳感器已在馬達(dá)監(jiān)測(cè)中得到應(yīng)用。眾所周知，一旦馬達(dá)被意外卡住并停止運(yùn)行，電路中流經(jīng)它的電流將遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于正常工作電流，如果馬達(dá)長(zhǎng)時(shí)間停止運(yùn)行，很容易燒壞。該電流傳感器用于感應(yīng)馬達(dá)，的停止電流，從而斷開(kāi)整個(gè)電源。馬達(dá)保護(hù)繼電器K1、K3常閉。S1閉合后，馬達(dá)開(kāi)始工作，產(chǎn)生工作電流，使電流傳感器感應(yīng)頭中的MR1和MR2電阻值相應(yīng)變化，從而產(chǎn)生正弦電壓信號(hào)。此時(shí)信號(hào)往往弱到足以驅(qū)動(dòng)繼電器，所以經(jīng)過(guò)兩級(jí)放大后變成一個(gè)大峰值的正弦信號(hào)；與比較器比較后，適當(dāng)調(diào)整比較器的mosfet，使其輸出為低電平，最后通過(guò)單片機(jī)編程輸出為低電平。此時(shí)，繼電器保持常閉，即馬達(dá)正常工作。當(dāng)馬達(dá)突然停止運(yùn)行時(shí)，電流比正常工作電流大得多。此時(shí)，電流信號(hào)是由MRCS感應(yīng)的。經(jīng)兩級(jí)放大后，產(chǎn)生的交流電壓信號(hào)產(chǎn)生峰值為1.6 ~ 2.4 V的正弦信號(hào)，經(jīng)比較器比較產(chǎn)生方波信號(hào)，進(jìn)入單片機(jī)，輸出高電平驅(qū)動(dòng)繼電器。關(guān)閉K1和K2，打開(kāi)K1和K3將關(guān)閉馬達(dá)，電源，從而保護(hù)馬達(dá)。單片機(jī)的功能是一旦發(fā)現(xiàn)方波輸入，輸出高電平，當(dāng)沒(méi)有發(fā)現(xiàn)方波輸入時(shí)，輸出低電平。此外，單片機(jī)可以編程產(chǎn)生適當(dāng)?shù)难舆t，即當(dāng)馬達(dá)停止運(yùn)行時(shí)，它會(huì)延遲一小段時(shí)間輸出高電平，以防止馬達(dá)暫停動(dòng)畫(huà)。本次實(shí)驗(yàn)使用的單片機(jī)為ATMEL公司的AT89S52，具有價(jià)格低廉、貨源充足、支持ISP并行編程、使用方便等優(yōu)點(diǎn)。
5結(jié)論
本文利用銻化銦-銦共晶薄膜磁阻元件、偏磁系統(tǒng)和置于中心軸上的導(dǎo)線制作了磁阻電流傳感器，并設(shè)計(jì)了能大幅度提高輸出信號(hào)的信號(hào)處理電路。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，輸出電壓隨著被測(cè)交流電流的增加而增加。如果待測(cè)電流從50 mA變?yōu)?2 A，輸出電壓為0.3 ~ 3.5 V，信噪比滿足使用要求，線性關(guān)系良好。該電流傳感器已用于馬達(dá)監(jiān)測(cè)，并已應(yīng)用于自動(dòng)食品包裝機(jī)和彈簧機(jī)。