基于InSb-In薄膜磁阻元件電流傳感器的應用

中心議題：

• ?銻化銦電流傳感器的結構和工作原理
• ?InSb-In薄膜磁阻元件在信號處理電路中的接法與作用
• ?電流傳感器在工業現場的應用并得出結論

解決方案：

• ?靜態電壓設置為2 V，減少阻容耦合中的信號損失
• ?采用銻化銦電流傳感器保護馬達
• ?采用單片機AT89S52，產生延時

引言
傳感器技術、通信技術和計算機技術已成為現代信息技術的三大支柱。傳感器是信息采集器件，系統感知、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現的，通過感應電流的大小來達到對工作中馬達的控制。

銻化銦電流傳感器的結構和工作原理
用銻化銦-銦共晶體薄膜磁阻元件制成MRCS的感應磁頭(圖1)主要由導線、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，它的工作機理基于磁阻效應。根據磁阻效應，其電阻率變化為
式中：B是磁感應強度;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是磁感應強度;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是與元件有關的系數。當導線有交流電流通過時，就會在它周圍產生一個交變的螺旋管磁場，于是就會在其中間連接點產生一個交變電壓信號，然后再經過放大和比較，從而達到對交流電流的監測。

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的阻值可以調整放大倍數。集成運放的靜態電壓由R3和R6來調節，考慮到通常磁頭內的上、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放之間阻容耦合中的損失，一般把集成運放靜態電壓設置為低于2.5 V，取2 V比較合適。

電流傳感器在工業現場的應用
本文研制的電流傳感器已經在馬達監控方面獲得了實際應用。眾所周知，馬達一旦被意外卡死而停轉，電路中流過它的電流會遠遠高于正常工作的電流，而馬達長時間停轉的話，很容易被燒壞，本電流傳感器就是要感知馬達停轉的電流，從而把整個供電斷開，起到保護馬達的作用，其基本原理如圖3所示。

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圖3中，繼電器的K1和K3為常閉狀態，閉合S1后，馬達開始工作，產生一個工作電流，使電流傳感器的感應磁頭中的MR1和MR2的阻值相應變化，從而產生一個正弦電壓信號;此時的信號往往很弱，不足以驅動繼電器，于是經過兩級放大，變成峰值較大的正弦信號;再經過比較器比較，適當調節比較器的門限電壓，令其輸出為低電平，通過單片機的編程，使之最后輸出為低電平，此時繼電器維持常閉狀態，即馬達正常工作。當馬達突然停轉，電流遠大于正常工作的電流，此時的電流信號被MRCS感應，產生的交變電壓信號經過兩級放大后，產生一個峰值為1.6～2.4 V的正弦信號，再經過比較器比較，產生一個方波信號，進入單片機，輸出高電平，驅動繼電器，讓K1和K2閉合并使得K1和K3開路便使馬達斷電，從而達到保護馬達的作用。單片機的作用是一旦發現有方波輸入就輸出高電平，無方波輸入時輸出低電平，此外，還可以對單片機編程，產生適當延時，就是當馬達停轉時，延時一小段時間才輸出高電平，以防止馬達假死。本實驗采用的單片機是ATMEL公司的AT89S52，其優點是價格便宜、供貨充足、支持ISP并口編程，使用方便。

結 論
本文實驗用InSb-In共晶型薄膜磁阻元件，加上偏磁系統以及放置于中軸線的導線制成磁阻型電流傳感器，設計了一個能使輸出信號有較大增幅的信號處理電路。實驗結果表明，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系。該電流傳感器已用于馬達監控方面，并在食品自動包裝機和彈簧機上獲得了實際應用。

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