基于巨磁電阻傳感器的電功率測量

李昊陽

【摘 要】研究一種便攜的巨磁電阻傳感器對電功率的測量儀器。利用巨磁電阻效應，通過直接測量傳感器輸出的差分電壓，從而對線圈中通過的待測電流進行有效測量，負載電壓采用直接測量法，并利用單片機和LCD實現對外電路電功率的測量與顯示。為使測量的靈敏度及線性區最大，綜合考慮了外加磁場對傳感器靈敏度的影響及巨磁電阻種類的影響。實驗結果表明多層膜巨磁電阻傳感器能夠較為準確地測量外電路的功率，線性區大，測量范圍廣，相比于各向異性巨磁電阻傳感器更適用于功率計的制作。最后對巨磁電阻傳感器的應用前景進行展望并對實驗中遇到的問題進行了分析。

【關鍵詞】巨磁電阻 電功率 傳感器

1 實驗原理、實驗材料和實驗方法

1.1 實驗原理

1.1.1 電流的測量

開環式GMR電流傳感器通過直接測量長直導線上電流產生的磁場來測量電流。電流方向與傳感器的敏感軸方向正交，電流產生的磁場方向與敏感軸方向平行。假設流經導線的電流為I，傳感器距離導線的距離為d。當電流變化時，磁場隨之變化，GMR的電阻也發生變化，利用電橋結構將電阻的變化輸出為一個電壓信號。由于GMR電阻和磁場之間具有線性變化規律，輸出的電壓正比于被測電流，從而實現電流信號的測量功能。如圖1所示。

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

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

因為變化的電流周圍產生變化的磁場，當被測電流為I時，對應產生的磁場為B，巨磁電阻受到磁場作用電阻發生變化，平衡電橋結構被破壞，將電阻的變化輸出為差分電壓信號，若巨磁電阻工作在線性區，測得磁場B與電壓信號呈線性關系，即B正比于。

GMR功率傳感器的設計，如圖3所示。

將GMR傳感器放置在導線上方的某個位置，使傳感器敏感方向與導線產生的磁場方向一致，調節電流大小，以改變磁場大小，進而與傳感器輸出建立關系。

1.1.2 電壓的測量

負載電壓為了簡便測量使用萬用表進行測量，U=U負載。

1.1.3 電功率的測量

由上述方法測得電流和電壓值，利用單片機處理傳感器輸出電壓，得到待測電流值，根據進行運算，并通過LCD屏顯示電功率P，則電功率P為

1.2 實驗器材

（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，作為外電路負載；

（4）萬用表，直接測量負載電壓值；

（5）LCD顯示屏；

（6）單片機；

（7）多孔板，漆包線，導線若干。

1.3 實驗方法

1.3.1 電流強度I的測量

GMR傳感器通過負載兩端電壓供電，在電壓輸出端輸出差分電壓信號。由磁場大小可計算得電流為

（1）

1.3.2 電壓U的測量

為了簡便測量方法，電壓的測量采用直接測量法，即使用萬用表測量電壓值。

1.3.3 電功率P的測量

（見圖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，設計了濾波電路，以便于數字式表頭顯示。

2 實驗結果與分析

2.1 各向異性傳感器對電功率的測量

根據實驗原理，利用各向異性傳感器制作了電功率測量計，并對待測電流進行測量，實驗測量圖如附圖1。由表1數據擬合可得y = 0.2324x+6.9365，R2=0.9476，待測電流與輸出電壓基本吻合線性關系，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始線性很好，最后一段圖線線性也很好，只是中間有一段區域線性很差，通過查閱資料，我們得知各向異性傳感器芯片在磁場較大時靈敏度會降低，于是我們就此通過改變實驗中線圈的匝數來減小實驗磁場的大小，重新進行實驗，實驗結果有表2，由表2數據可得擬合圖線：y = 0.6692x+0.5470得到的新圖線如圖9所示。

由新圖6 可知減小磁場后圖線的線性度明顯更好了，所以我們可以得出結論：之前各向異性傳感器圖線線性度之所以呈“好-差-好”的特點，是因為測定后面的曲線時由于電流過大、線圈過多導致實驗中的磁場過大，使芯片的靈敏度降低，導致后面圖線的線性度與之前測量圖線的線性度有偏差，所以才出現了中間線性度很差的一段曲線。

2.2 多層膜傳感器對電功率的測量

根據實驗原理，利用多層膜傳感器制作了電功率測量計，并對待測電流進行測量，實驗結果如表3所示，由表3數據擬合可得y= 0.0746x+6.4158，R2=0.969，待測電流與輸出電壓完全吻合線性關系，如圖7所示。（線圈繞匝板匝數與各向異性傳感器第二次實驗的時候相同）

由上面實驗可知：多層膜傳感器得到的圖線線性程度遠遠強于各向異性傳感器，并且多層膜傳感器的線性區域更大，在線圈繞匝板相同的情況下，多層膜傳感器測得的電壓值遠大于各向異性傳感器，便于單片機的采集處理，所以我們這個實驗選擇多層膜傳感器。

由于本實驗是控制變量實驗，前后實驗控制的變量是芯片，實驗測量圖如附圖2所示。

2.3 多層膜電功率計的定標

由上述測得待測電流與輸出電壓的關系，可知y= 0.0746x + 6.4158，利用單片機對輸出電壓進行處理。

實驗過程中的實際效果如圖8所示，圖中紅黑插頭為從儀器中接入的電流。

在以往的實驗中，外接電路一般會對實驗結果有影響，在這里我們也要討論一下外接單片機是否會對實驗結果有一定影響。

首先我們將單片機接入電腦，連接外電路，進行實驗，分別記錄有無單片機的情況下，功率計的顯示讀數。實驗結果記錄如下表4，表5所示。

為了探究外接單片機是否對實驗結果有影響，我們分別做出了使用單片機和不使用單片機所得電流與輸出電壓的關系圖，并進行了擬合：

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，我們先算一下該實驗的誤差：

η=Σ

所得結果為0.56%，則在誤差允許的范圍內可以認為外接單片機對該實驗結果無影響。

3 結語

巨磁電阻材料本身具有下列特性：其阻值可以隨外界磁場的改變而變化，通過控制阻值的變化可以間接地控制其它的電學量并將其應用于日常生活中。巨磁電阻的應用前景十分地廣泛：在磁場方面，巨磁電阻傳感器具有較寬的磁場測量范圍，較高的響應頻率和靈敏度以及較強的溫度適應性，在磁場線性測量領域具有較為明顯的優勢。巨磁電阻位移傳感器具有高靈敏度和高線性度，在不同環境溫度下，輸出電壓與位移具有良好的線性關系，說明其溫度穩定性好，應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速測量具有測量精度高、頻率范圍寬、無需溫度補償等特點。

參考文獻：

[1]何金良，嵇士杰，劉俊等.基于巨磁電阻效應的電流傳感器技術及在智能電網中的應用前景[J].電網技術，2011，35（5）：8-14.

[2]石海平，馮潔，陳翔等.巨磁電阻傳感器對鐵磁流體的動態檢測[J].儀器儀表學報，2011，32（5）：1033-1037.

[3]錢政. 巨磁電阻效應的研究與應用[J].傳感技術學報，2003，12（4）：516-520.

[4]李端明，劉海順，王懷軍等.巨磁電阻效應及其應用[J].物理教學，2008.30（3）：5-7.

[5]錢政，張翔，陳從強等.巨磁電阻電流傳感器的特性測試與分析[J].儀器儀表學報，2007.31（2）：5-6.