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

1導(dǎo)言
傳感器技術(shù)、通信技術(shù)和計算機技術(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同時改變兩個銻化銦磁阻元件的電阻來實現(xiàn)的，工作中的馬達可以通過感應(yīng)電流來控制。
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。此外還有一個起屏蔽和保護作用的金屬外殼。MR1和MR2是一對相對放置的磁阻元件，具有近似相等的電阻值，并且導(dǎo)線被放置在MR1和MR2的對稱軸上。
InSb-in  磁敏電阻是傳感器的核心，其工作機理基于磁阻效應(yīng)。根據(jù)磁阻效應(yīng)，其電阻率變化如下：b為磁感應(yīng)強度；B和0分別是有磁場和無磁場時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式
RB/R0=1 B  B2(2)
其中：b為磁感應(yīng)強度；RB和R0分別是有磁場和無磁場時Insb-in  磁敏電阻的阻值。、是與分量相關(guān)的系數(shù)。當(dāng)交流電流過導(dǎo)線時，導(dǎo)線周圍會產(chǎn)生交變的螺旋磁場，然后在其中間連接點產(chǎn)生交變的電壓信號，經(jīng)放大、比較后監(jiān)測交流電。
3信號處理電路
信號采集電路中的InSb-In薄膜磁阻元件由三端差分連接如圖1(b)表示。該信號采集電路輸出信號大，抑制溫度漂移能力強。信號處理電路采用阻容耦合差動放大電路。在圖2中，IC1和IC2是兩級差分放大器，可以通過改變R2、R7、R5和R8的電阻值來調(diào)整放大系數(shù)。集成運算放大器的靜態(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，信號采集的輸出電壓在2.4 ~ 2.6V之間.為了減少磁頭與運算放大器的阻容耦合中的信號損失，集成運算放大器的靜態(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監(jiān)測中得到應(yīng)用。眾所周知，一旦馬達被意外卡住并停止運行，電路中流經(jīng)它的電流將遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于正常工作電流，如果馬達長時間停止運行，很容易燒壞。該電流傳感器用于感應(yīng)馬達，的停止電流，從而斷開整個電源。馬達保護繼電器K1、K3常閉。S1閉合后，馬達開始工作，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。此時信號往往弱到足以驅(qū)動繼電器，所以經(jīng)過兩級放大后變成一個大峰值的正弦信號；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，最后通過單片機編程輸出為低電平。此時，繼電器保持常閉，即馬達正常工作。當(dāng)馬達突然停止運行時，電流比正常工作電流大得多。此時，電流信號是由MRCS感應(yīng)的。經(jīng)兩級放大后，產(chǎn)生的交流電壓信號產(chǎn)生峰值為1.6 ~ 2.4 V的正弦信號，經(jīng)比較器比較產(chǎn)生方波信號，進入單片機，輸出高電平驅(qū)動繼電器。關(guān)閉K1和K2，打開K1和K3將關(guān)閉馬達，電源，從而保護馬達。單片機的功能是一旦發(fā)現(xiàn)方波輸入，輸出高電平，當(dāng)沒有發(fā)現(xiàn)方波輸入時，輸出低電平。此外，單片機可以編程產(chǎn)生適當(dāng)?shù)难舆t，即當(dāng)馬達停止運行時，它會延遲一小段時間輸出高電平，以防止馬達暫停動畫。本次實驗使用的單片機為ATMEL公司的AT89S52，具有價格低廉、貨源充足、支持ISP并行編程、使用方便等優(yōu)點。
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)計了能大幅度提高輸出信號的信號處理電路。實驗結(jié)果表明，輸出電壓隨著被測交流電流的增加而增加。如果待測電流從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監(jiān)測，并已應(yīng)用于自動食品包裝機和彈簧機。