磁敏電阻傳感器應(yīng)用電路設(shè)計

1、 東 北 石 油 大 學課 程 設(shè) 計課 程 傳感器課程設(shè)計 題 目 磁敏電阻傳感器應(yīng)用電路設(shè)計 院 系 電氣信息工程學院 專業(yè)班級 學生姓名 學生學號 指導(dǎo)教師 2011年 7 月 22 日任務(wù)書課程 傳感器課程設(shè)計題目 磁敏電阻傳感器應(yīng)用電路設(shè)計 專業(yè) 姓名 學號 主要內(nèi)容：傳統(tǒng)的制作溫度測量和控制元件的材料各有其缺點，本文設(shè)計一種以新型材料一Insb-In為磁敏電阻器感溫材料制作的雙限溫度開關(guān)。InSb-In雙限溫度開關(guān)是利用InSb-In磁敏電阻器在溫度變化時本身電阻也隨之發(fā)生變化的特性來控制溫度的。因為InSb-In磁敏電阻器同其他熱敏元件一樣，具有很好的溫度特性，用它制作的溫度開關(guān)

2、無論靈敏度、穩(wěn)定性、可靠性都是很好的?；疽螅?、查閱資料，確定設(shè)計方案2、計算相關(guān)設(shè)計參數(shù)、繪制系統(tǒng)控制原理圖。主要參考資料：1 王文生. InSb磁阻元件與傳感器的進展. 傳感器技術(shù)J，1994,(2): 1-4.2 李科杰. 新編傳感器技術(shù)手冊M. 北京:國防工業(yè)出版社，2002.3 肖景和. 集成運算放大器應(yīng)用精粹M. 北京：人民郵電出版社，2006: 99-120.完成期限 指導(dǎo)教師 專業(yè)負責人 2011年 7 月 12 日摘 要溫度控制技術(shù)廣泛用于社會生活和生產(chǎn)的各個領(lǐng)域，如，化工、醫(yī)療、航空航天、農(nóng)業(yè)、家電、汽車、電力、電子等領(lǐng)域。目前，對于溫度控制的研究和與其相關(guān)的報道大多是

3、以傳統(tǒng)的熱敏元件為主要感溫材料而展開的。本文研究一種以新型材料一Insb-In為磁敏電阻器感溫材料制作的雙限溫度開關(guān)。研究表明：由InSb-In磁敏電阻器和信號處理電路兩部分組成的溫度開關(guān)，具有靈敏度高、控溫范圍寬的優(yōu)點，在低溫區(qū)，其靈敏度可以高達30mV 以上，常溫下也可達到23 mV左右；其上下限溫度調(diào)整范圍為- 40120 ，測溫精度可達到±0.1 。關(guān)鍵詞：InSb-In共晶體薄膜；磁敏電阻器；雙限溫度開關(guān)目 錄一、設(shè)計要求1二、方案設(shè)計11、方案說明12、方案論證1三、傳感器工作原理2四、電路的工作原理3五、單元電路設(shè)計、參數(shù)計算和器件選擇51、單元電路設(shè)計52、參數(shù)計算6

4、3、系統(tǒng)需要的元器件清單7表2 元器件清單7六、總結(jié)7磁敏電阻傳感器應(yīng)用電路設(shè)計一、設(shè)計要求溫度控制元件是通過物體隨溫度變化而改變某種特性來間接控制溫度的。InSb-In磁敏電阻器同其他熱敏元件一樣，具有很好的溫度特性，用它制作的溫度開關(guān)無論靈敏度、穩(wěn)定性、可靠性都是很好的，而且，受環(huán)境因素影響小，結(jié)構(gòu)簡單緊湊。InSb-In磁敏電阻器的電阻值會隨溫度變化而發(fā)生很大的改變。隨機抽取10只InSb-In磁敏電阻器對其溫度特性進行測量，觀察到其電阻值隨溫度呈指數(shù)變化的特點。用InSb-In共晶體薄膜磁敏電阻器(MR)制成的雙限溫度開關(guān)的溫控機理和特性。二、方案設(shè)計1、方案說明隨機抽取10只InSb

5、-In磁敏電阻器放進恒溫箱中，恒溫箱的溫度設(shè)置為- 40120 ，每隔5讓恒溫箱內(nèi)溫度恒定10min，并分別測量10只電阻器的阻值，得到InSb-In磁敏電阻器的阻值隨溫度變化的數(shù)據(jù)。2、方案論證溫度控制器件是通過物體隨溫度變化而改變某種特性來間接控制溫度的。InSb-In 磁敏電阻是通過真空鍍膜工藝獲得的InSb-In 共晶體磁阻薄膜材料電阻。工藝使用三溫區(qū)法控制成膜Sb的分子濃度較低、In的濃度較高的狀態(tài)。在熱處理過程的后半部分, 共晶點退化, 會析出In固相, 因此得到InSb 和In 混合的共晶體, 即InSb-In 共晶體,而且這種InSb-In 共晶體磁阻薄膜的磁阻特性曲線仍遵循單

6、晶型InSb 的規(guī)律。從InSb 能帶角度看, 其禁帶寬度很窄, 在t=0時, 導(dǎo)帶和價帶間的禁帶寬度只有0. 23 eV。因此, 可以依靠熱激發(fā), 把滿帶中的電子激發(fā)到導(dǎo)帶上去, 在導(dǎo)帶中的電子就有導(dǎo)電作用。當溫度增加時, 電子被激發(fā), 載流子數(shù)目增加很快, 電導(dǎo)率可以增加幾個數(shù)量級, 所以InSb 材料具有很大的負電阻溫度系數(shù)。當InSb 中加入一定量雜質(zhì), 由于雜質(zhì)附加能級的作用, 特別是在低溫范圍內(nèi), 當熱激發(fā)還不足以使半導(dǎo)體引起本征激發(fā)時, 雜質(zhì)激發(fā)可以使載流子大量增加, 使電導(dǎo)率增加幾個數(shù)量級。三、傳感器工作原理圖1是其中MR1，MR2，MR3的測量數(shù)據(jù)，采用Origin60繪制而

7、成的溫度特性曲線圖。由圖1可以看出：InSb-In磁敏電阻隨溫度的升高逐漸下降，同時，實驗中發(fā)現(xiàn)InSb-In磁敏電阻隨溫度變化特性與熱敏電阻(NRT)隨溫度變化溫度特性 走勢一樣，由圖1曲線擬合得到其電阻溫度特性的數(shù)學表達式為 (1)式中尺 為溫度為 時InSb-In磁敏電阻器的阻值( 為絕對溫度)；A為InSb-In磁敏電阻器的標稱阻值，其大小由該電阻器的材料和幾何尺寸決定；B為InSb-In磁敏電阻器的材料常數(shù)，其大小取決于該電阻器材料的激活能。圖1 InSb-In磁敏電阻器的電阻溫度特性本文將InSb-In磁敏電阻器在其溫度變化1時，電阻值的相對變化量稱為InSb-In磁敏電阻器的溫度

8、系數(shù)，即 (2)將式(1)代入式(2)中，得到InSb-In磁敏電阻器的溫度系數(shù)為 (3)從式(1)和式(3)可知，InSb-In磁敏電阻器的溫度系數(shù)a 變化規(guī)律與溫度呈負指數(shù)關(guān)系。隨溫度升高，其電阻阻值在低溫區(qū)迅速下降，靈敏度非常高，在高溫區(qū)電阻則變化較平緩，靈敏度有所下降。InSb-In磁敏電阻器的溫度系數(shù)為負值，在低溫段，溫度系數(shù)的絕對值較大，而在高溫段，溫度系數(shù)的絕對值較小，所以，InSb-In磁敏電阻器更適用于低溫區(qū)間的測量。四、電路的工作原理InSb-In雙限溫度開關(guān)是利用InSb-In磁敏電阻器在溫度變化時本身電阻也隨之發(fā)生變化的特性來控制溫度的，其電路原理圖如圖2所示。圖2 基

9、于InSb-In 薄膜電阻器的溫度開關(guān)電路原理圖該雙限溫度開關(guān)可用于在一定的溫度范圍內(nèi)作監(jiān)控用，如，室內(nèi)溫度監(jiān)視、恒溫箱、家禽孵化、農(nóng)作物育苗等。選取5V穩(wěn)壓電源作為工作電源、InSb-In共晶體薄膜磁敏電阻器MR1為感溫探頭。全電路由測溫電橋、放大電路、雙限電壓比較器和控制執(zhí)行電路組成。InSb-In磁敏電阻器MR1，RV1，R1R3組成測溫電橋，由MR1采集到的溫度信號通過電橋轉(zhuǎn)換為電壓信號，經(jīng)放大器A1放大后Va加至雙限比較器的參考點，當溫度發(fā)生變化時，該參考點的電壓Va在變化，實驗測得其變化特性如圖3中的Va曲線。由圖3中Va曲線可見，溫度越高，放大器輸出電壓越大；反之，溫度越低，輸出

10、電壓越小。由運放A2，A3組成2個比較器，分別通過調(diào)節(jié)RV2，RV3設(shè)置上、下限溫度。圖3 放大器輸出電壓Va和雙限比較器輸出電壓Vb與溫度關(guān)系曲線當溫度低于下限溫度時，放大器輸出電壓值Va低于RV3分壓值，A2輸出低電平，Vb被發(fā)光二極管LED1鉗制于低電平，LED1發(fā)光；而此時A3輸出高電平，二極管LED2截止，不發(fā)光。當溫度升高進入溫控范圍內(nèi)(即上下限溫度范圍之間)時，Va位于上下限電壓之間，A2，A3均輸出高電平，LED1，LED2均截止，不發(fā)光，此時，Vb位于高電平，此時，LEDI，LED2均熄滅；同理可得，當溫度高于上限溫度時，LED2將Vb鉗制在低電平，此時，LED2發(fā)光，LED

11、1熄滅。結(jié)果得到圖3中的Vb曲線。圖2中，NPN型晶體管T、繼電器RL和二極管D1構(gòu)成電路的控制執(zhí)行部分。該電路部分繼電器繞組與晶體管串接，為了防止晶體管由導(dǎo)通變?yōu)榻刂箷r，繞組產(chǎn)生的反向自感電動勢擊穿損壞晶體管，要在繞組兩端反向并接1只二極管D1，讓反向自感電動勢通過其泄放，從而起到保護晶體管T的作用。將上下限溫度分別設(shè)定為20和80，得到雙限比較器輸出電壓Vb與溫度t的關(guān)系，見圖3中曲線Vb。當溫度低于20時，雙限比較器輸出低電平(Vb=0.46V)，晶體管T截止，常閉繼電器RL處于K1狀態(tài)，此時，由LED1發(fā)光，判斷出應(yīng)當將繼電器開關(guān)連接到“加熱擋”，通過接通加熱設(shè)備進行加熱。當溫度升高到

12、設(shè)定范圍內(nèi)(20<t<80)時，雙限比較器輸出高電平(Vb=362V)，晶體管T導(dǎo)通，常閉繼電器RL由Kl轉(zhuǎn)到K2狀態(tài)，此時，LED1，LED2均不亮，繼電器外接電路不工作。而當溫度高于80 后，雙限比較器又輸出低電平(Vb =0.38 V)，晶體管T再次截止，使得繼電器再次由1<2又轉(zhuǎn)到K1，此時，LED2發(fā)光，表示應(yīng)該將繼電器開關(guān)撥至“冷卻檔”，即接通制冷設(shè)備進行冷卻。這樣的過程周而復(fù)始，溫度就被控制在上下限溫度之間了。發(fā)光二極管LED1，LED2不僅可以起到鉗制Vb的作用，同時，可以指示電路是需要加熱還是制冷。表1中列出了上述溫度控制的情況。表1 上下限分別為20和80

13、時的電路情況表溫度（）Vb(V)LED1LED2晶體管T繼電器狀態(tài)<200.46亮晴截止K120-803.62晴晴導(dǎo)通K2>800.46亮亮截止K1其實，控制溫度的范圍是可以人為任意設(shè)定的。可以通過調(diào)節(jié)RV2，RV3設(shè)定所需要的溫度范圍。五、單元電路設(shè)計、參數(shù)計算和器件選擇1、單元電路設(shè)計信號采集電路中的InSb-In薄膜磁阻元件采用三端差分型接法，這種信號采集電路具有輸出信號較大和較強抑制溫度的能力。信號處理電路采用阻容耦合型差動放大電路，在圖4中IC1和IC2為兩級差動放大，改變R2，R7，R5，R8的阻值可以調(diào)整放大倍數(shù)。集成運放的靜態(tài)電壓由R3和R6來調(diào)節(jié)，考慮到通常磁頭內(nèi)

14、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(nèi)的差別，在+5 V的工作電源下，信號采集的輸出端電壓在2.42.6 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(tài)電壓設(shè)置為低于2.5 V，取2 V比較合適。圖4 信號處理電路AD620型放大器，它通過改變電阻而改變放大倍數(shù)。AD620的1、8引腳之間通過跨接1只1千歐的電位器和1只75歐姆的電阻來調(diào)整放大倍數(shù)。若要改變放大倍數(shù)，可調(diào)節(jié)電位器AD620的引腳7、4分別接+5V和-5V的工作電壓，并且分別接0.01F的旁路電容至地，用來濾除交流成分，使輸出的直流更平滑；而其引腳3、2分別接元件引腳2、4其引腳

15、6輸出放大后的電壓值，接反饋線圈；引腳5參考基準，接REF3012的引腳3。作為整個系統(tǒng)的地接。放大器的電路圖如圖： 圖5 放大器AD620電路2、參數(shù)計算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(yīng)。根據(jù)磁阻效應(yīng)，其電阻率變化為 （4）式中：B是磁感應(yīng)強度;B和0分別為有磁場和無磁場時InSb-In磁敏電阻器的電阻率;n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(guī)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+B+B2 （5）式中：B是磁感應(yīng)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

16、值;，是與元件有關(guān)的系數(shù)。當導(dǎo)線有交流電流通過時，就會在它周圍產(chǎn)生一個交變的螺旋管磁場，于是就會在其中間連接點產(chǎn)生一個交變電壓信號，然后再經(jīng)過放大和比較，從而達到對交流電流的監(jiān)測。3、系統(tǒng)需要的元器件清單表2 元器件清單編號元器件名稱元器件型號數(shù)量R1磁敏電阻器100K1R2磁敏電阻器100K1R3磁敏電阻器75K1RL繼電器1TNPN型晶體管1A1放大器LM2902/11A2放大器LM2902/21A3放大器LM2902/31D1二極管1LED1發(fā)光二極管2CU1LED2發(fā)光二極管2CU1六、總結(jié)采用InSb-In磁敏電阻器制成的雙限溫度開關(guān)，是一種具有良好溫控性能的溫度開關(guān)。根據(jù)實驗結(jié)果，

17、發(fā)現(xiàn)此種開關(guān)的靈敏度很高，特別是在低溫區(qū)(40以下)，其靈敏度可達20mV以上，且溫度越低，靈敏度越高；電路要求簡單，對放大器的放大倍數(shù)要求不高；測溫范圍寬。另外，使用InSb-In磁敏電阻器使得開關(guān)具有體積小、易安裝、靈敏度高、分辨力高、穩(wěn)定性好、壽命長等諸多優(yōu)點，是一種很適合推廣應(yīng)用的溫度控制器件。通過這次課設(shè)，我進一步體會到了工具的重要性，這包括軟件操作工具書等方面。同時，具備較好的計算機水平也會給我們帶來巨大的益處，比如數(shù)學公式的編輯，圖形的繪制等等。我想這將對我們以后在工作和生活中有比較好的視野和思維有巨大幫扶作用。參考文獻1 王化祥，張淑英傳感器原理與應(yīng)用M天津：天津大學出版社，2005:26-302 Dichl WPlatinum thin film resist or as auurate and stable ternperature sensorsMPegussa Messtechink，2003:89-983 王文生. InSb磁阻元件與傳感器的進展J. 傳感器技術(shù)，1994(2):1-44 肖景和集成運算放大器應(yīng)用精粹M北京：人民郵電出版社，2006. 99-1206 栗荷生等. 磁敏角位移傳感器J. 儀表技術(shù)與傳感器，1991(2). 17-186 李科杰. 新編傳感器技術(shù)手冊M. 北京:國防