基于InSb-In磁敏电阻器实现锑化铟电流传感器的设计及应用

1导言
传感器技术、通信技术和计算机技术已经成为现代信息技术的三大支柱。传感器是一种信息获取装置，是系统感知、获取和检测信息的窗口。用锑化铟共晶薄膜磁阻元件制作的电流传感器是通过同时改变两个锑化铟磁阻元件的电阻来实现的，工作中的马达可以通过感应电流来控制。
锑化铟电流传感器的结构和工作原理
MRCS锑化铟-铟共晶薄膜磁阻元件感应磁头(图1)主要由导线、绝缘基片、Insb-in  磁阻元件MR1、MR2、永磁体、五针等组成。此外还有一个起屏蔽和保护作用的金属外壳。MR1和MR2是一对相对放置的磁阻元件，具有近似相等的电阻值，并且导线被放置在MR1和MR2的对称轴上。
InSb-in  磁敏电阻是传感器的核心，其工作机理基于磁阻效应。根据磁阻效应，其电阻率变化如下：b为磁感应强度；B和0分别是有磁场和无磁场时InSb-in  磁敏电阻的电阻率；n是载流子的迁移率。这种锑化铟-铟共晶薄膜磁敏电阻的磁阻特性仍然遵循锑化铟单晶的规律，它是一条抛物线，可以表示为一维二次三项式
RB/R0=1 B  B2(2)
其中：b为磁感应强度；RB和R0分别是有磁场和无磁场时Insb-in  磁敏电阻的阻值。、是与分量相关的系数。当交流电流过导线时，导线周围会产生交变的螺旋磁场，然后在其中间连接点产生交变的电压信号，经放大、比较后监测交流电。
3信号处理电路
信号采集电路中的InSb-In薄膜磁阻元件由三端差分连接如图1(b)表示。该信号采集电路输出信号大，抑制温度漂移能力强。信号处理电路采用阻容耦合差动放大电路。在图2中，IC1和IC2是两级差分放大器，可以通过改变R2、R7、R5和R8的电阻值来调整放大系数。集成运算放大器的静态电压由R3和R6调节。考虑到磁头中的上下磁阻元件不是完全平衡的，MR1和MR2的电阻值将小于10%。在5V的工作功率下，信号采集的输出电压在2.4 ~ 2.6V之间.为了减少磁头与运算放大器的阻容耦合中的信号损失，集成运算放大器的静态电压一般设置在2.5V以下，2V更合适。
4电流传感器在工业领域的应用
本文研制的电流传感器已在马达监测中得到应用。众所周知，一旦马达被意外卡住并停止运行，电路中流经它的电流将远远高于正常工作电流，如果马达长时间停止运行，很容易烧坏。该电流传感器用于感应马达，的停止电流，从而断开整个电源。马达保护继电器K1、K3常闭。S1闭合后，马达开始工作，产生工作电流，使电流传感器感应头中的MR1和MR2电阻值相应变化，从而产生正弦电压信号。此时信号往往弱到足以驱动继电器，所以经过两级放大后变成一个大峰值的正弦信号；与比较器比较后，适当调整比较器的mosfet，使其输出为低电平，最后通过单片机编程输出为低电平。此时，继电器保持常闭，即马达正常工作。当马达突然停止运行时，电流比正常工作电流大得多。此时，电流信号是由MRCS感应的。经两级放大后，产生的交流电压信号产生峰值为1.6 ~ 2.4 V的正弦信号，经比较器比较产生方波信号，进入单片机，输出高电平驱动继电器。关闭K1和K2，打开K1和K3将关闭马达，电源，从而保护马达。单片机的功能是一旦发现方波输入，输出高电平，当没有发现方波输入时，输出低电平。此外，单片机可以编程产生适当的延迟，即当马达停止运行时，它会延迟一小段时间输出高电平，以防止马达暂停动画。本次实验使用的单片机为ATMEL公司的AT89S52，具有价格低廉、货源充足、支持ISP并行编程、使用方便等优点。
5结论
本文利用锑化铟-铟共晶薄膜磁阻元件、偏磁系统和置于中心轴上的导线制作了磁阻电流传感器，并设计了能大幅度提高输出信号的信号处理电路。实验结果表明，输出电压随着被测交流电流的增加而增加。如果待测电流从50 mA变为12 A，输出电压为0.3 ~ 3.5 V，信噪比满足使用要求，线性关系良好。该电流传感器已用于马达监测，并已应用于自动食品包装机和弹簧机。