基于InSb-In薄膜磁阻元件電流傳感器的應(yīng)用

1 引言

傳感器技術(shù)、通信技術(shù)和計算機(jī)技術(shù)已成為現(xiàn)代信息技術(shù)的三大支柱。傳感器是信息采集器件，系統(tǒng)感知、獲取和檢測信息的窗口。采用InSb-In共晶體薄膜磁阻元件制成電流傳感器是通過同時改變兩個InSb-In磁阻元件阻值的途徑來實(shí)現(xiàn)的，通過感應(yīng)電流的大小來達(dá)到對工作中馬達(dá)的控制。

2 銻化銦電流傳感器的結(jié)構(gòu)和工作原理

用銻化銦-銦共晶體薄膜磁阻元件制成MRCS的感應(yīng)磁頭(圖1)主要由導(dǎo)線、絕緣基片、InSb-In磁阻元件MR1和MR2、永磁體、5個引腳等組成，另外加上起屏蔽和保護(hù)作用的金屬外殼。MR1和MR2是相對放置的一對磁阻元件，其阻值大致相等，導(dǎo)線置于MR1和MR2的對稱軸位置。其等效電路如圖1(b)。

InSb-In磁敏電阻器是該傳感器的核心，它的工作機(jī)理基于磁阻效應(yīng)。根據(jù)磁阻效應(yīng)，其電阻率變化為

式中：B是磁感應(yīng)強(qiáng)度；ρB和ρ0分別為有磁場和無磁場時InSb-In磁敏電阻器的電阻率；μn為載流子的遷移率。這種InSb-In共晶體薄膜磁敏電阻器的磁阻特性仍遵守InSb單晶的規(guī)律，為拋物線形狀的曲線，可用一元二次三項式表示為

RB／R0=1+αB+βB2 (2)

式中：B是磁感應(yīng)強(qiáng)度；RB和R0分別為有磁場和無磁場時InSb-In磁敏電阻器的電阻值；α，β是與元件有關(guān)的系數(shù)。當(dāng)導(dǎo)線有交流電流通過時，就會在它周圍產(chǎn)生一個交變的螺旋管磁場，于是就會在其中間連接點(diǎn)產(chǎn)生一個交變電壓信號，然后再經(jīng)過放大和比較，從而達(dá)到對交流電流的監(jiān)測。

3 信號處理電路

信號采集電路中的InSb-In薄膜磁阻元件采用三端差分型接法如圖1(b)所示，這種信號采集電路具有輸出信號較大和較強(qiáng)抑制溫漂的能力。信號處理電路采用阻容耦合型差動放大電路，在圖2中IC1和IC2為兩級差動放大，改變R2，R7，R5，R8的阻值可以調(diào)整放大倍數(shù)。集成運(yùn)放的靜態(tài)電壓由R3和R6來調(diào)節(jié)，考慮到通常磁頭內(nèi)的上、下兩個磁阻元件不完全平衡，MR1與MR2的阻值會有10％以內(nèi)的差別，在+5 V的工作電源下，信號采集的輸出端電壓在2.4～2.6 V。為了減少信號在磁頭與運(yùn)放之間阻容耦合中的損失，一般把集成運(yùn)放靜態(tài)電壓設(shè)置為低于2.5 V，取2 V比較合適。

4 電流傳感器在工業(yè)現(xiàn)場的應(yīng)用

本文研制的電流傳感器已經(jīng)在馬達(dá)監(jiān)控方面獲得了實(shí)際應(yīng)用。眾所周知，馬達(dá)一旦被意外卡死而停轉(zhuǎn)，電路中流過它的電流會遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于正常工作的電流，而馬達(dá)長時間停轉(zhuǎn)的話，很容易被燒壞，本電流傳感器就是要感知馬達(dá)停轉(zhuǎn)的電流，從而把整個供電斷開，起到保護(hù)馬達(dá)的作用，其基本原理如圖3所示。

圖3中，繼電器的K1和K3為常閉狀態(tài)，閉合S1后，馬達(dá)開始工作，產(chǎn)生一個工作電流，使電流傳感器的感應(yīng)磁頭中的MR1和MR2的阻值相應(yīng)變化，從而產(chǎn)生一個正弦電壓信號；此時的信號往往很弱，不足以驅(qū)動繼電器，于是經(jīng)過兩級放大，變成峰值較大的正弦信號；再經(jīng)過比較器比較，適當(dāng)調(diào)節(jié)比較器的門限電壓，令其輸出為低電平，通過單片機(jī)的編程，使之最后輸出為低電平，此時繼電器維持常閉狀態(tài)，即馬達(dá)正常工作。當(dāng)馬達(dá)突然停轉(zhuǎn)，電流遠(yuǎn)大于正常工作的電流，此時的電流信號被MRCS感應(yīng)，產(chǎn)生的交變電壓信號經(jīng)過兩級放大后，產(chǎn)生一個峰值為1.6～2.4 V的正弦信號，再經(jīng)過比較器比較，產(chǎn)生一個方波信號，進(jìn)入單片機(jī)，輸出高電平，驅(qū)動繼電器，讓K1和K2閉合并使得K1和K3開路便使馬達(dá)斷電，從而達(dá)到保護(hù)馬達(dá)的作用。單片機(jī)的作用是一旦發(fā)現(xiàn)有方波輸入就輸出高電平，無方波輸入時輸出低電平，此外，還可以對單片機(jī)編程，產(chǎn)生適當(dāng)延時，就是當(dāng)馬達(dá)停轉(zhuǎn)時，延時一小段時間才輸出高電平，以防止馬達(dá)假死。本實(shí)驗采用的單片機(jī)是ATMEL公司的AT89S52，其優(yōu)點(diǎn)是價格便宜、供貨充足、支持ISP并口編程，使用方便。

5 結(jié) 論

本文實(shí)驗用InSb-In共晶型薄膜磁阻元件，加上偏磁系統(tǒng)以及放置于中軸線的導(dǎo)線制成磁阻型電流傳感器，設(shè)計了一個能使輸出信號有較大增幅的信號處理電路。實(shí)驗結(jié)果表明，其輸出電壓隨待測交流電流的增加而增大，如果待測電流在50 mA～12 A變化時，輸出電壓0.3～3.5 V，信噪比滿足使用要求，并且有很好的線性關(guān)系。該電流傳感器已用于馬達(dá)監(jiān)控方面，并在食品自動包裝機(jī)和彈簧機(jī)上獲得了實(shí)際應(yīng)用。