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基于InSb-In薄膜磁阻元件电流传感器的应用

--基于InSb-In薄膜磁阻元件电流传感器的应用

供稿:工控网 2010/2/24 13:24:00

0 人气:602

  • 关键词: 薄膜磁阻元件 电流传感器 马达
  • 摘要:传感器技术、通信技术和计算机技术已成为现代信息技术的三大支柱。传感器是信息采集器件,系统感知、获取和检测信息的窗口。采用InSb-In共晶体薄膜磁阻元件制成电流传感器是通过同时改变两个InSb-In磁阻元件阻值的途径来实现的,通过感应电流的大小来达到对工作中马达的控制。

     1 引言

       传感器技术、通信技术和计算机技术已成为现代信息技术的三大支柱。传感器是信息采集器件,系统感知、获取和检测信息的窗口。采用InSb-In共晶体薄膜磁阻元件制成电流传感器是通过同时改变两个InSb-In磁阻元件阻值的途径来实现的,通过感应电流的大小来达到对工作中马达的控制。

  2 锑化铟电流传感器的结构和工作原理

  用锑化铟-铟共晶体薄膜磁阻元件制成MRCS的感应磁头(图1)主要由导线、绝缘基片、InSb-In磁阻元件MR1和MR2、永磁体、5个引脚等组成,另外加上起屏蔽和保护作用的金属外壳。MR1和MR2是相对放置的一对磁阻元件,其阻值大致相等,导线置于MR1和MR2的对称轴位置。其等效电路如图1(b)。


  InSb-In磁敏电阻器是该传感器的核心,它的工作机理基于磁阻效应。根据磁阻效应,其电阻率变化为


  式中:B是磁感应强度;ρB和ρ0分别为有磁场和无磁场时InSb-In磁敏电阻器的电阻率;μn为载流子的迁移率。这种InSb-In共晶体薄膜磁敏电阻器的磁阻特性仍遵守InSb单晶的规律,为抛物线形状的曲线,可用一元二次三项式表示为

  RB/R0=1+αB+βB2 (2)

  式中:B是磁感应强度;RB和R0分别为有磁场和无磁场时InSb-In磁敏电阻器的电阻值;α,β是与元件有关的系数。当导线有交流电流通过时,就会在它周围产生一个交变的螺旋管磁场,于是就会在其中间连接点产生一个交变电压信号,然后再经过放大和比较,从而达到对交流电流的监测。

  3 信号处理电路

  信号采集电路中的InSb-In薄膜磁阻元件采用三端差分型接法如图1(b)所示,这种信号采集电路具有输出信号较大和较强抑制温漂的能力。信号处理电路采用阻容耦合型差动放大电路,在图2中IC1和IC2为两级差动放大,改变R2,R7,R5,R8的阻值可以调整放大倍数。集成运放的静态电压由R3和R6来调节,考虑到通常磁头内的上、下两个磁阻元件不完全平衡,MR1与MR2的阻值会有10%以内的差别,在+5 V的工作电源下,信号采集的输出端电压在2.4~2.6 V。为了减少信号在磁头与运放之间阻容耦合中的损失,一般把集成运放静态电压设置为低于2.5 V,取2 V比较合适。


  4 电流传感器在工业现场的应用

  本文研制的电流传感器已经在马达监控方面获得了实际应用。众所周知,马达一旦被意外卡死而停转,电路中流过它的电流会远远高于正常工作的电流,而马达长时间停转的话,很容易被烧坏,本电流传感器就是要感知马达停转的电流,从而把整个供电断开,起到保护马达的作用,其基本原理如图3所示。


  图3中,继电器的K1和K3为常闭状态,闭合S1后,马达开始工作,产生一个工作电流,使电流传感器的感应磁头中的MR1和MR2的阻值相应变化,从而产生一个正弦电压信号;此时的信号往往很弱,不足以驱动继电器,于是经过两级放大,变成峰值较大的正弦信号;再经过比较器比较,适当调节比较器的门限电压,令其输出为低电平,通过单片机的编程,使之最后输出为低电平,此时继电器维持常闭状态,即马达正常工作。当马达突然停转,电流远大于正常工作的电流,此时的电流信号被MRCS感应,产生的交变电压信号经过两级放大后,产生一个峰值为1.6~2.4 V的正弦信号,再经过比较器比较,产生一个方波信号,进入单片机,输出高电平,驱动继电器,让K1和K2闭合并使得K1和K3开路便使马达断电,从而达到保护马达的作用。单片机的作用是一旦发现有方波输入就输出高电平,无方波输入时输出低电平,此外,还可以对单片机编程,产生适当延时,就是当马达停转时,延时一小段时间才输出高电平,以防止马达假死。本实验采用的单片机是ATMEL公司的AT89S52,其优点是价格便宜、供货充足、支持ISP并口编程,使用方便。

  5 结 论

  本文实验用InSb-In共晶型薄膜磁阻元件,加上偏磁系统以及放置于中轴线的导线制成磁阻型电流传感器,设计了一个能使输出信号有较大增幅的信号处理电路。实验结果表明,其输出电压随待测交流电流的增加而增大,如果待测电流在50 mA~12 A变化时,输出电压0.3~3.5 V,信噪比满足使用要求,并且有很好的线性关系。该电流传感器已用于马达监控方面,并在食品自动包装机和弹簧机上获得了实际应用。

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