基于巨磁電阻傳感器的電功率測(cè)量

李昊陽(yáng)

【摘 要】研究一種便攜的巨磁電阻傳感器對(duì)電功率的測(cè)量?jī)x器。利用巨磁電阻效應(yīng)，通過(guò)直接測(cè)量傳感器輸出的差分電壓，從而對(duì)線圈中通過(guò)的待測(cè)電流進(jìn)行有效測(cè)量，負(fù)載電壓采用直接測(cè)量法，并利用單片機(jī)和LCD實(shí)現(xiàn)對(duì)外電路電功率的測(cè)量與顯示。為使測(cè)量的靈敏度及線性區(qū)最大，綜合考慮了外加磁場(chǎng)對(duì)傳感器靈敏度的影響及巨磁電阻種類的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明多層膜巨磁電阻傳感器能夠較為準(zhǔn)確地測(cè)量外電路的功率，線性區(qū)大，測(cè)量范圍廣，相比于各向異性巨磁電阻傳感器更適用于功率計(jì)的制作。最后對(duì)巨磁電阻傳感器的應(yīng)用前景進(jìn)行展望并對(duì)實(shí)驗(yàn)中遇到的問(wèn)題進(jìn)行了分析。

【關(guān)鍵詞】巨磁電阻 電功率 傳感器

1 實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)材料和實(shí)驗(yàn)方法

1.1 實(shí)驗(yàn)原理

1.1.1 電流的測(cè)量

開(kāi)環(huán)式GMR電流傳感器通過(guò)直接測(cè)量長(zhǎng)直導(dǎo)線上電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)來(lái)測(cè)量電流。電流方向與傳感器的敏感軸方向正交，電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)方向與敏感軸方向平行。假設(shè)流經(jīng)導(dǎo)線的電流為I，傳感器距離導(dǎo)線的距離為d。當(dāng)電流變化時(shí)，磁場(chǎng)隨之變化，GMR的電阻也發(fā)生變化，利用電橋結(jié)構(gòu)將電阻的變化輸出為一個(gè)電壓信號(hào)。由于GMR電阻和磁場(chǎng)之間具有線性變化規(guī)律，輸出的電壓正比于被測(cè)電流，從而實(shí)現(xiàn)電流信號(hào)的測(cè)量功能。如圖1所示。

巨磁電阻傳感器采用惠斯登電橋結(jié)構(gòu)，由四只相同的巨磁電阻組成，其中和受外磁場(chǎng)作用時(shí)電阻增大，而和電阻減小。圖2為電流傳感器常用的電橋結(jié)構(gòu)。

一般情況下，GMR電橋的輸入電阻可視為恒定，輸出信號(hào)正比于被測(cè)電流與電橋輸入電壓的乘積。輸入電壓恒定時(shí)，GMR傳感器為電流傳感器。

因?yàn)樽兓碾娏髦車(chē)a(chǎn)生變化的磁場(chǎng)，當(dāng)被測(cè)電流為I時(shí)，對(duì)應(yīng)產(chǎn)生的磁場(chǎng)為B，巨磁電阻受到磁場(chǎng)作用電阻發(fā)生變化，平衡電橋結(jié)構(gòu)被破壞，將電阻的變化輸出為差分電壓信號(hào)，若巨磁電阻工作在線性區(qū)，測(cè)得磁場(chǎng)B與電壓信號(hào)呈線性關(guān)系，即B正比于。

GMR功率傳感器的設(shè)計(jì)，如圖3所示。

將GMR傳感器放置在導(dǎo)線上方的某個(gè)位置，使傳感器敏感方向與導(dǎo)線產(chǎn)生的磁場(chǎng)方向一致，調(diào)節(jié)電流大小，以改變磁場(chǎng)大小，進(jìn)而與傳感器輸出建立關(guān)系。

1.1.2 電壓的測(cè)量

負(fù)載電壓為了簡(jiǎn)便測(cè)量使用萬(wàn)用表進(jìn)行測(cè)量，U=U負(fù)載。

1.1.3 電功率的測(cè)量

由上述方法測(cè)得電流和電壓值，利用單片機(jī)處理傳感器輸出電壓，得到待測(cè)電流值，根據(jù)進(jìn)行運(yùn)算，并通過(guò)LCD屏顯示電功率P，則電功率P為

1.2 實(shí)驗(yàn)器材

（1）NVEAA002e多層膜巨磁電阻傳感器，工作電壓0-5V；

（2）HMC1021Z各向異性巨磁電阻傳感器，工作電壓0-5V；

（3）100Ω電阻，作為外電路負(fù)載；

（4）萬(wàn)用表，直接測(cè)量負(fù)載電壓值；

（5）LCD顯示屏；

（6）單片機(jī)；

（7）多孔板，漆包線，導(dǎo)線若干。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 電流強(qiáng)度I的測(cè)量

GMR傳感器通過(guò)負(fù)載兩端電壓供電，在電壓輸出端輸出差分電壓信號(hào)。由磁場(chǎng)大小可計(jì)算得電流為

（1）

1.3.2 電壓U的測(cè)量

為了簡(jiǎn)便測(cè)量方法，電壓的測(cè)量采用直接測(cè)量法，即使用萬(wàn)用表測(cè)量電壓值。

1.3.3 電功率P的測(cè)量

（見(jiàn)圖4）電壓輸入采用電阻分壓，電流輸入中電阻和電位器的選擇類似于電壓輸入電路，模擬乘法器采用的是AD633，帶寬為1MHz，輸入范圍為0-10V，為濾除模擬乘法器輸出中的交流成份，設(shè)計(jì)了濾波電路，以便于數(shù)字式表頭顯示。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 各向異性傳感器對(duì)電功率的測(cè)量

根據(jù)實(shí)驗(yàn)原理，利用各向異性傳感器制作了電功率測(cè)量計(jì)，并對(duì)待測(cè)電流進(jìn)行測(cè)量，實(shí)驗(yàn)測(cè)量圖如附圖1。由表1數(shù)據(jù)擬合可得y = 0.2324x+6.9365，R2=0.9476，待測(cè)電流與輸出電壓基本吻合線性關(guān)系，如圖8所示。

由以上圖5我們可以看出，各向異性傳感器的圖線剛開(kāi)始線性很好，最后一段圖線線性也很好，只是中間有一段區(qū)域線性很差，通過(guò)查閱資料，我們得知各向異性傳感器芯片在磁場(chǎng)較大時(shí)靈敏度會(huì)降低，于是我們就此通過(guò)改變實(shí)驗(yàn)中線圈的匝數(shù)來(lái)減小實(shí)驗(yàn)磁場(chǎng)的大小，重新進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果有表2，由表2數(shù)據(jù)可得擬合圖線：y = 0.6692x+0.5470得到的新圖線如圖9所示。

由新圖6 可知減小磁場(chǎng)后圖線的線性度明顯更好了，所以我們可以得出結(jié)論：之前各向異性傳感器圖線線性度之所以呈“好-差-好”的特點(diǎn)，是因?yàn)闇y(cè)定后面的曲線時(shí)由于電流過(guò)大、線圈過(guò)多導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)中的磁場(chǎng)過(guò)大，使芯片的靈敏度降低，導(dǎo)致后面圖線的線性度與之前測(cè)量圖線的線性度有偏差，所以才出現(xiàn)了中間線性度很差的一段曲線。

2.2 多層膜傳感器對(duì)電功率的測(cè)量

根據(jù)實(shí)驗(yàn)原理，利用多層膜傳感器制作了電功率測(cè)量計(jì)，并對(duì)待測(cè)電流進(jìn)行測(cè)量，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3所示，由表3數(shù)據(jù)擬合可得y= 0.0746x+6.4158，R2=0.969，待測(cè)電流與輸出電壓完全吻合線性關(guān)系，如圖7所示。（線圈繞匝板匝數(shù)與各向異性傳感器第二次實(shí)驗(yàn)的時(shí)候相同）

由上面實(shí)驗(yàn)可知：多層膜傳感器得到的圖線線性程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)強(qiáng)于各向異性傳感器，并且多層膜傳感器的線性區(qū)域更大，在線圈繞匝板相同的情況下，多層膜傳感器測(cè)得的電壓值遠(yuǎn)大于各向異性傳感器，便于單片機(jī)的采集處理，所以我們這個(gè)實(shí)驗(yàn)選擇多層膜傳感器。

由于本實(shí)驗(yàn)是控制變量實(shí)驗(yàn)，前后實(shí)驗(yàn)控制的變量是芯片，實(shí)驗(yàn)測(cè)量圖如附圖2所示。

2.3 多層膜電功率計(jì)的定標(biāo)

由上述測(cè)得待測(cè)電流與輸出電壓的關(guān)系，可知y= 0.0746x + 6.4158，利用單片機(jī)對(duì)輸出電壓進(jìn)行處理。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的實(shí)際效果如圖8所示，圖中紅黑插頭為從儀器中接入的電流。

在以往的實(shí)驗(yàn)中，外接電路一般會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果有影響，在這里我們也要討論一下外接單片機(jī)是否會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果有一定影響。

首先我們將單片機(jī)接入電腦，連接外電路，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，分別記錄有無(wú)單片機(jī)的情況下，功率計(jì)的顯示讀數(shù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果記錄如下表4，表5所示。

為了探究外接單片機(jī)是否對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果有影響，我們分別做出了使用單片機(jī)和不使用單片機(jī)所得電流與輸出電壓的關(guān)系圖，并進(jìn)行了擬合：

由上圖9我們可以看出兩條擬合直線（poly c與poly d）幾乎完全重合，我們先算一下該實(shí)驗(yàn)的誤差：

η=Σ

所得結(jié)果為0.56%，則在誤差允許的范圍內(nèi)可以認(rèn)為外接單片機(jī)對(duì)該實(shí)驗(yàn)結(jié)果無(wú)影響。

3 結(jié)語(yǔ)

巨磁電阻材料本身具有下列特性：其阻值可以隨外界磁場(chǎng)的改變而變化，通過(guò)控制阻值的變化可以間接地控制其它的電學(xué)量并將其應(yīng)用于日常生活中。巨磁電阻的應(yīng)用前景十分地廣泛：在磁場(chǎng)方面，巨磁電阻傳感器具有較寬的磁場(chǎng)測(cè)量范圍，較高的響應(yīng)頻率和靈敏度以及較強(qiáng)的溫度適應(yīng)性，在磁場(chǎng)線性測(cè)量領(lǐng)域具有較為明顯的優(yōu)勢(shì)。巨磁電阻位移傳感器具有高靈敏度和高線性度，在不同環(huán)境溫度下，輸出電壓與位移具有良好的線性關(guān)系，說(shuō)明其溫度穩(wěn)定性好，應(yīng)用前景比一般傳感器也更為廣泛。另外，巨磁電阻傳感器用于轉(zhuǎn)速測(cè)量具有測(cè)量精度高、頻率范圍寬、無(wú)需溫度補(bǔ)償?shù)忍攸c(diǎn)。

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