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基于InSb-In薄膜磁阻元件電流傳感器的應(yīng)用

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作者: 時(shí)間:2008-01-23 來源: 收藏

  1 引言

  技術(shù)、通信技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)已成為現(xiàn)代信息技術(shù)的三大支柱。是信息采集器件,系統(tǒng)感知、獲取和檢測(cè)信息的窗口。采用共晶體薄膜磁阻元件制成電流是通過同時(shí)改變兩個(gè)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(duì)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、磁阻元件MR1和MR2、永磁體、5個(gè)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(duì)放置的一對(duì)磁阻元件,其阻值大致相等,導(dǎo)線置于MR1和MR2的對(duì)稱軸位置。其等效電路如圖1(b)。

  

  InSb-In磁敏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),其率變化為

  

  式中:B是磁感應(yīng)強(qiáng)度;ρB和ρ0分別為有磁場(chǎng)和無磁場(chǎng)時(shí)InSb-In磁敏器的電阻率;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(xiàng)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(chǎng)和無磁場(chǎng)時(shí)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(shí),就會(huì)在它周圍產(chǎn)生一個(gè)交變的螺旋管磁場(chǎng),于是就會(huì)在其中間連接點(diǎn)產(chǎn)生一個(gè)交變電壓信號(hào),然后再經(jīng)過放大和比較,從而達(dá)到對(duì)交流電流的監(jiān)測(cè)。

  3 信號(hào)處理電路

  信號(hào)采集電路中的InSb-In薄膜磁阻元件采用三端差分型接法如圖1(b)所示,這種信號(hào)采集電路具有輸出信號(hào)較大和較強(qiáng)抑制溫漂的能力。信號(hào)處理電路采用阻容耦合型差動(dòng)放大電路,在圖2中IC1和IC2為兩級(jí)差動(dòng)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(gè)磁阻元件不完全平衡,MR1與MR2的阻值會(huì)有10%以內(nèi)的差別,在+5 V的工作電源下,信號(hào)采集的輸出端電壓在2.4~2.6 V。為了減少信號(hào)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。

  

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  4 電流傳感器在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)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(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于正常工作的電流,而馬達(dá)長時(shí)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(gè)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,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(gè)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(gè)正弦電壓信號(hào);此時(shí)的信號(hào)往往很弱,不足以驅(qū)動(dòng),于是經(jīng)過兩級(jí)放大,變成峰值較大的正弦信號(hào);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(shí)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(shí)的電流信號(hào)被MRCS感應(yīng),產(chǎn)生的交變電壓信號(hào)經(jīng)過兩級(jí)放大后,產(chǎn)生一個(gè)峰值為1.6~2.4 V的正弦信號(hào),再經(jīng)過比較器比較,產(chǎn)生一個(gè)方波信號(hào),進(jìn)入單片機(jī),輸出高電平,驅(qū)動(dòng)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(shí)輸出低電平,此外,還可以對(duì)單片機(jī)編程,產(chǎn)生適當(dāng)延時(shí),就是當(dāng)馬達(dá)停轉(zhuǎn)時(shí),延時(shí)一小段時(shí)間才輸出高電平,以防止馬達(dá)假死。本實(shí)驗(yàn)采用的單片機(jī)是ATMEL公司的AT89S52,其優(yōu)點(diǎn)是價(jià)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(yàn)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(jì)了一個(gè)能使輸出信號(hào)有較大增幅的信號(hào)處理電路。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,其輸出電壓隨待測(cè)交流電流的增加而增大,如果待測(cè)電流在50 mA~12 A變化時(shí),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(dòng)包裝機(jī)和彈簧機(jī)上獲得了實(shí)際應(yīng)用。

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