磁敏电阻传感器应用电路设计.doc

东 北 石 油 大 学 课 程 设 计 2011 年 7 月 22 日 课 程 传感器课程设计 题 目 磁敏电阻传感器应用电路设计 院 系 电气信息工程学院 专业班级 学生姓名 学生学号 指导教师 任务书 课程 传感器课程设计 题目 磁敏电阻传感器应用电路设计 专业 姓名 学号 主要内容 传统的制作温度测量和控制元件的材料各有其缺点 本文设计一种以新型材 料一 Insb In 为磁敏电阻器感温材料制作的双限温度开关 InSb In 双限温度开关 是利用 InSb In 磁敏电阻器在温度变化时本身电阻也随之发生变化的特性来控制 温度的 因为 InSb In 磁敏电阻器同其他热敏元件一样 具有很好的温度特性 用它制作的温度开关无论灵敏度 稳定性 可靠性都是很好的 基本要求 1 查阅资料 确定设计方案 2 计算相关设计参数 绘制系统控制原理图 主要参考资料 1 王文生 InSb 磁阻元件与传感器的进展 传感器技术 J 1994 2 1 4 2 李科杰 新编传感器技术手册 M 北京 国防工业出版社 2002 3 肖景和 集成运算放大器应用精粹 M 北京 人民邮电出版社 2006 99 120 完成期限 指导教师 专业负责人 2011 年 7 月 12 日 传感器课程设计 摘 要 温度控制技术广泛用于社会生活和生产的各个领域 如 化工 医疗 航空 航天 农业 家电 汽车 电力 电子等领域 目前 对于温度控制的研究和与 其相关的报道大多是以传统的热敏元件为主要感温材料而展开的 本文研究一种 以新型材料一 Insb In 为磁敏电阻器感温材料制作的双限温度开关 研究表明 由 InSb In 磁敏电阻器和信号处理电路两部分组成的温度开关 具有灵敏度高 控温 范围宽的优点 在低温区 其灵敏度可以高达 30mV 以上 常温下也可达到 23 mV 左右 其上下限温度调整范围为 40 120 测温精度可达到 0 1 关键词 InSb In 共晶体薄膜 磁敏电阻器 双限温度开关 传感器课程设计 目 录 一 设计要求一 设计要求 1 1 二 方案设计二 方案设计 1 1 1 方案说明 1 2 方案论证 1 三 传感器工作原理三 传感器工作原理 2 2 四 电路的工作原理3 五 单元电路设计 参数计算和器件选择五 单元电路设计 参数计算和器件选择 5 5 1 单元电路设计 5 2 参数计算 6 3 系统需要的元器件清单 7 表表 2 2 元器件清单元器件清单 7 7 六 总结六 总结 7 7 传感器课程设计 1 磁敏电阻传感器应用电路设计磁敏电阻传感器应用电路设计 一 设计要求 温度控制元件是通过物体随温度变化而改变某种特性来间接控制温度的 InSb In 磁敏电阻器同其他热敏元件一样 具有很好的温度特性 用它制作的温度 开关无论灵敏度 稳定性 可靠性都是很好的 而且 受环境因素影响小 结构 简单紧凑 InSb In 磁敏电阻器的电阻值会随温度变化而发生很大的改变 随机抽 取 10 只 InSb In 磁敏电阻器对其温度特性进行测量 观察到其电阻值随温度呈指 数变化的特点 用 InSb In 共晶体薄膜磁敏电阻器 MR 制成的双限温度开关的温 控机理和特性 二 方案设计 1 方案说明 随机抽取 10 只 InSb In 磁敏电阻器放进恒温箱中 恒温箱的温度设置为 40 120 每隔 5 让恒温箱内温度恒定 10min 并分别测量 10 只电阻器的阻 值 得到 InSb In 磁敏电阻器的阻值随温度变化的数据 2 方案论证 温度控制器件是通过物体随温度变化而改变某种特性来间接控制温度的 InSb In 磁敏电阻是通过真空镀膜工艺获得的 InSb In 共晶体磁阻薄膜材料电阻 工艺使用三温区法控制成膜 Sb 的分子浓度较低 In 的浓度较高的状态 在热处 理过程的后半部分 共晶点退化 会析出 In 固相 因此得到 InSb 和 In 混合的共 晶体 即 InSb In 共晶体 而且这种 InSb In 共晶体磁阻薄膜的磁阻特性曲线仍遵 循单晶型 InSb 的规律 从 InSb 能带角度看 其禁带宽度很窄 在 t 0 时 导带和价带间的禁带宽 度只有 0 23 eV 因此 可以依靠热激发 把满带中的电子激发到导带上去 在导 带中的电子就有导电作用 当温度增加时 电子被激发 载流子数目增加很快 电 导率可以增加几个数量级 所以 InSb 材料具有很大的负电阻温度系数 当 InSb 中加入一定量杂质 由于杂质附加能级的作用 特别是在低温范围内 当热激发还 传感器课程设计 2 不足以使半导体引起本征激发时 杂质激发可以使载流子大量增加 使电导率增 加几个数量级 三 传感器工作原理 图 1 是其中 MR1 MR2 MR3 的测量数据 采用 Origin6 0 绘制而成的温 度特性曲线图 由图 1 可以看出 InSb In 磁敏电阻随温度的升高逐渐下降 同时 实验中发现 InSb In 磁敏电阻随温度变化特性与热敏电阻 NRT 随温度变化温度特 性 走势一样 由图 1 曲线拟合得到其电阻温度特性的数学表达式为 1 T B ARtexp 式中尺 为温度为 时 InSb In 磁敏电阻器的阻值 为绝对温度 A 为 InSb In 磁敏电阻器的标称阻值 其大小由该电阻器的材料和几何尺寸决定 B 为 InSb In 磁敏电阻器的材料常数 其大小取决于该电阻器材料的激活能 图 1 InSb In 磁敏电阻器的电阻温度特性 本文将 InSb In 磁敏电阻器在其温度变化 1 时 电阻值的相对变化量称为 InSb In 磁敏电阻器的温度系数 即 2 t t t d dR R a 1 将式 1 代入式 2 中 得到 InSb In 磁敏电阻器的温度系数为 3 2 T B at 从式 1 和式 3 可知 InSb In 磁敏电阻器的温度系数 a 变化规律与温度呈负 传感器课程设计 3 指数关系 随温度升高 其电阻阻值在低温区迅速下降 灵敏度非常高 在高温 区电阻则变化较平缓 灵敏度有所下降 InSb In 磁敏电阻器的温度系数为负值 在低温段 温度系数的绝对值较大 而在高温段 温度系数的绝对值较小 所以 InSb In 磁敏电阻器更适用于低温区间的测量 四 电路的工作原理 InSb In 双限温度开关是利用 InSb In 磁敏电阻器在温度变化时本身电阻也随 之发生变化的特性来控制温度的 其电路原理图如图 2 所示 图 2 基于 InSb In 薄膜电阻器的温度开关电路原理图 该双限温度开关可用于在一定的温度范围内作监控用 如 室内温度监视 恒温箱 家禽孵化 农作物育苗等 选取 5V 稳压电源作为工作电源 InSb In 共 晶体薄膜磁敏电阻器 MR1 为感温探头 全电路由测温电桥 放大电路 双限电 压比较器和控制执行电路组成 InSb In 磁敏电阻器 MR1 RV1 R1 R3 组成测 温电桥 由 MR1 采集到的温度信号通过电桥转换为电压信号 经放大器 A1 放大 后 Va 加至双限比较器的参考点 当温度发生变化时 该参考点的电压 Va 在变化 实验测得其变化特性如图 3 中的 Va 曲线 由图 3 中 Va 曲线可见 温度越高 放 大器输出电压越大 反之 温度越低 输出电压越小 由运放 A2 A3 组成 2 个 比较器 分别通过调节 RV2 RV3 设置上 下限温度 传感器课程设计 4 图 3 放大器输出电压 Va和双限比较器输出电压 Vb与温度关系曲线 当温度低于下限温度时 放大器输出电压值 Va 低于 RV3 分压值 A2 输出 低电平 Vb 被发光二极管 LED1 钳制于低电平 LED1 发光 而此时 A3 输出高 电平 二极管 LED2 截止 不发光 当温度升高进入温控范围内 即上下限温度范 围之间 时 Va 位于上下限电压之间 A2 A3 均输出高电平 LED1 LED2 均 截止 不发光 此时 Vb 位于高电平 此时 LEDI LED2 均熄灭 同理可得 当温度高于上限温度时 LED2 将 Vb 钳制在低电平 此时 LED2 发光 LED1 熄灭 结果得到图 3 中的 Vb 曲线 图 2 中 NPN 型晶体管 T 继电器 RL 和二极管 D1 构成电路的控制执行部 分 该电路部分继电器绕组与晶体管串接 为了防止晶体管由导通变为截止时 绕组产生的反向自感电动势击穿损坏晶体管 要在绕组两端反向并接 1 只二极管 D1 让反向自感电动势通过其泄放 从而起到保护晶体管 T 的作用 将上下限温度分别设定为 20 和 80 得到双限比较器输出电压 Vb 与温度 t 的关系 见图 3 中曲线 Vb 当温度低于 20 时 双限比较器输出低电平 Vb 0 46V 晶体管 T 截止 常闭继电器 RL 处于 K1 状态 此时 由 LED1 发 光 判断出应当将继电器开关连接到 加热挡 通过接通加热设备进行加热 当温度升高到设定范围内 20 t 80 时 双限比较器输出高电平 Vb 3 62V 晶体管 T 导通 常闭继电器 RL 由 Kl 转到 K2 状态 此时 LED1 LED2 均不亮 继电器外接电路不工作 而当温度高于 80 后 双限比较器又输出低电平 Vb 0 38 V 晶体管 T 再次截止 使得继电器再次由 1 2 又转到 K1 此时 LED2 发光 表示应该将继电器开关拨至 冷却档 即接通制冷设备进行冷却 这样 的过程周而复始 温度就被控制在上下限温度之间了 发光二极管 LED1 LED2 不仅可以起到钳制 Vb 的作用 同时 可以指示电路是需要加热还是制冷 表 1 中列出了上述温度控制的情况 传感器课程设计 5 表 1 上下限分别为 20 和 80 时的电路情况表 温度 Vb V LED1LED2晶体管 T继电器状态 800 46亮亮截止K1 其实 控制温度的范围是可以人为任意设定的 可以通过调节 RV2 RV3 设 定所需要的温度范围 五 单元电路设计 参数计算和器件选择 1 单元电路设计 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 这种信号采 集电路具有输出信号较大和较强抑制温度的能力 信号处理电路采用阻容耦合型 差动放大电路 在图 4 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 图 4 信号处理电路 传感器课程设计 6 AD620 型放大器 它通过改变电阻而改变放大倍数 AD620 的 1 8 引脚之 间通过跨接 1 只 1 千欧的电位器和 1 只 75 欧姆的电阻来调整放大倍数 若要改 变放大倍数 可调节电位器 AD620 的引脚 7 4 分别接 5V 和 5V 的工作电压 并且分别接 0 01 F 的旁路电容至地 用来滤除交流成分 使输出的直流更平滑 而其引脚 3 2 分别接元件引脚 2 4 其引脚 6 输出放大后的电压值 接反馈线圈 引脚 5 参考基准 接 REF3012 的引脚 3 作为整个系统的地接 放大器的电路图 如图 图 5 放大器 AD620 电路 2 参数计算 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 000 22 0 275 n 4 式中 B 是磁感应强度 B 和 0 分别为有磁场和无磁场时 InSb In 磁敏电阻 器的电阻率 n 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 B B2 5 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 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 传感器课程设计 7 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 系统需要的元器件清单 表 2 元器件清单 编号元器件名称元器件型号数量 R1磁敏电阻器100K 1 R2磁敏电阻器100K 1 R3磁敏电阻器75K 1 RL继电器1 TNPN 型晶体管1 A1放大器LM2902 11 A2放大器LM2902 21 A3放大器LM2902 31 D1二极管1 LED1发光二极管2CU1 LED2发光二极管2CU1 六 总结 采用 InSb In 磁敏电阻器制成的双限温度开关 是一种具有良好温控性能的 温度开关 根据实验结果 发现此种开关的灵敏度很高 特别是在低温区 40 以 下 其灵敏度可达 20mV 以上 且温度越低 灵敏度越高 电路要求简单 对放大器的放大倍数要求不高 测温范围宽 另外 使用 InSb In 磁敏电阻器使 得开关具有体积小 易安装 灵敏度高 分辨力高 稳定性好 寿命长等诸多优 点 是一种很适合推广应用的温度控制器件 通过这次课设 我进一步体会到了工具的重要性 这包括软件操作工具书等 方面 同时 具备较好的计算机水平也会给我们带来巨大的益处 比如数学公式 的编辑 图形的绘制等等 我想这将对我们以后在工作和生活中有比较好的视野 和思维有巨大帮扶作用