基于InSb-In薄膜磁阻元件电流传感器的应用

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。