磁敏电阻传感器应用电路设计Word格式.docx
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[1]王文生.InSb磁阻元件与传感器的进展.传感器技术[J]，1994,
（2）:
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[2]李科杰.新编传感器技术手册[M].北京:
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[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
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23mV／℃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
目录
一、设计要求1
二、方案设计1
1、方案说明1
2、方案论证1
三、传感器工作原理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2元器件清单7
六、总结7
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0.23eV。
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）
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1InSb-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）
将式
（1）代入式
（2）中，得到InSb-In磁敏电阻器的温度系数为
（3）
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。
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=0.38V），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。
表1上下限分别为20℃和80℃时的电路情况表
温度（℃）
Vb（V）
LED1
LED2
晶体管T
继电器状态
<
20
0.46
亮
晴
截止
K1
20-80
3.62
导通
K2
>
80
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+5V的工作电源下，信号采集的输出端电压在2.4～2.6V。
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2.5V，取2V比较合适。
图4信号处理电路
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0.01μF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
（4）
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（5）
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、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
100KΩ
1
R2
R3
75KΩ
RL
继电器
T
NPN型晶体管
A1
放大器
LM2902/1
A2
LM2902/2
A3
LM2902/3
D1
二极管
发光二极管
2CU
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。
参考文献
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天津大学出版社，2005:
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人民邮电出版社，2006.99-120
[6]栗荷生等.磁敏角位移传感器[J].仪表技术与传感器，1991
（2）.17-18
[6]李科杰.新编传感器技术手册[M].北京:
东北石油大学课程设计成绩评价表
课程名称
传感器课程设计
题目名称
学生姓名
学号
指导教
师姓名
职称
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评价项目
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