基于巨磁电阻传感器的电功率测量

李昊阳

【摘 要】研究一种便携的巨磁电阻传感器对电功率的测量仪器。利用巨磁电阻效应，通过直接测量传感器输出的差分电压，从而对线圈中通过的待测电流进行有效测量，负载电压采用直接测量法，并利用单片机和LCD实现对外电路电功率的测量与显示。为使测量的灵敏度及线性区最大，综合考虑了外加磁场对传感器灵敏度的影响及巨磁电阻种类的影响。实验结果表明多层膜巨磁电阻传感器能够较为准确地测量外电路的功率，线性区大，测量范围广，相比于各向异性巨磁电阻传感器更适用于功率计的制作。最后对巨磁电阻传感器的应用前景进行展望并对实验中遇到的问题进行了分析。

【关键词】巨磁电阻 电功率 传感器

1 实验原理、实验材料和实验方法

1.1 实验原理

1.1.1 电流的测量

开环式GMR电流传感器通过直接测量长直导线上电流产生的磁场来测量电流。电流方向与传感器的敏感轴方向正交，电流产生的磁场方向与敏感轴方向平行。假设流经导线的电流为I，传感器距离导线的距离为d。当电流变化时，磁场随之变化，GMR的电阻也发生变化，利用电桥结构将电阻的变化输出为一个电压信号。由于GMR电阻和磁场之间具有线性变化规律，输出的电压正比于被测电流，从而实现电流信号的测量功能。如图1所示。

巨磁电阻传感器采用惠斯登电桥结构，由四只相同的巨磁电阻组成，其中和受外磁场作用时电阻增大，而和电阻减小。图2为电流传感器常用的电桥结构。

一般情况下，GMR电桥的输入电阻可视为恒定，输出信号正比于被测电流与电桥输入电压的乘积。输入电压恒定时，GMR传感器为电流传感器。

因为变化的电流周围产生变化的磁场，当被测电流为I时，对应产生的磁场为B，巨磁电阻受到磁场作用电阻发生变化，平衡电桥结构被破坏，将电阻的变化输出为差分电压信号，若巨磁电阻工作在线性区，测得磁场B与电压信号呈线性关系，即B正比于。

GMR功率传感器的设计，如图3所示。

将GMR传感器放置在导线上方的某个位置，使传感器敏感方向与导线产生的磁场方向一致，调节电流大小，以改变磁场大小，进而与传感器输出建立关系。

1.1.2 电压的测量

负载电压为了简便测量使用万用表进行测量，U=U负载。

1.1.3 电功率的测量

由上述方法测得电流和电压值，利用单片机处理传感器输出电压，得到待测电流值，根据进行运算，并通过LCD屏显示电功率P，则电功率P为

1.2 实验器材

（1）NVEAA002e多层膜巨磁电阻传感器，工作电压0-5V；

（2）HMC1021Z各向异性巨磁电阻传感器，工作电压0-5V；

（3）100Ω电阻，作为外电路负载；

（4）万用表，直接测量负载电压值；

（5）LCD显示屏；

（6）单片机；

（7）多孔板，漆包線，导线若干。

1.3 实验方法

1.3.1 电流强度I的测量

GMR传感器通过负载两端电压供电，在电压输出端输出差分电压信号。由磁场大小可计算得电流为

（1）

1.3.2 电压U的测量

为了简便测量方法，电压的测量采用直接测量法，即使用万用表测量电压值。

1.3.3 电功率P的测量

（见图4）电压输入采用电阻分压，电流输入中电阻和电位器的选择类似于电压输入电路，模拟乘法器采用的是AD633，带宽为1MHz，输入范围为0-10V，为滤除模拟乘法器输出中的交流成份，设计了滤波电路，以便于数字式表头显示。

2 实验结果与分析

2.1 各向异性传感器对电功率的测量

根据实验原理，利用各向异性传感器制作了电功率测量计，并对待测电流进行测量，实验测量图如附图1。由表1数据拟合可得y = 0.2324x+6.9365，R2=0.9476，待测电流与输出电压基本吻合线性关系，如图8所示。

由以上图5我们可以看出，各向异性传感器的图线刚开始线性很好，最后一段图线线性也很好，只是中间有一段区域线性很差，通过查阅资料，我们得知各向异性传感器芯片在磁场较大时灵敏度会降低，于是我们就此通过改变实验中线圈的匝数来减小实验磁场的大小，重新进行实验，实验结果有表2，由表2数据可得拟合图线：y = 0.6692x+0.5470得到的新图线如图9所示。

由新图6 可知减小磁场后图线的线性度明显更好了，所以我们可以得出结论：之前各向异性传感器图线线性度之所以呈“好-差-好”的特点，是因为测定后面的曲线时由于电流过大、线圈过多导致实验中的磁场过大，使芯片的灵敏度降低，导致后面图线的线性度与之前测量图线的线性度有偏差，所以才出现了中间线性度很差的一段曲线。

2.2 多层膜传感器对电功率的测量

根据实验原理，利用多层膜传感器制作了电功率测量计，并对待测电流进行测量，实验结果如表3所示，由表3数据拟合可得y= 0.0746x+6.4158，R2=0.969，待测电流与输出电压完全吻合线性关系，如图7所示。（线圈绕匝板匝数与各向异性传感器第二次实验的时候相同）

由上面实验可知：多层膜传感器得到的图线线性程度远远强于各向异性传感器，并且多层膜传感器的线性区域更大，在线圈绕匝板相同的情况下，多层膜传感器测得的电压值远大于各向异性传感器，便于单片机的采集处理，所以我们这个实验选择多层膜传感器。

由于本实验是控制变量实验，前后实验控制的变量是芯片，实验测量图如附图2所示。

2.3 多层膜电功率计的定标

由上述测得待测电流与输出电压的关系，可知y= 0.0746x + 6.4158，利用单片机对输出电压进行处理。

实验过程中的实际效果如图8所示，图中红黑插头为从仪器中接入的电流。

在以往的实验中，外接电路一般会对实验结果有影响，在这里我们也要讨论一下外接单片机是否会对实验结果有一定影响。

首先我们将单片机接入电脑，连接外电路，进行实验，分别记录有无单片机的情况下，功率计的显示读数。实验结果记录如下表4，表5所示。

为了探究外接单片机是否对实验结果有影响，我们分别做出了使用单片机和不使用单片机所得电流与输出电压的关系图，并进行了拟合：

由上图9我们可以看出两条拟合直线（poly c与poly d）几乎完全重合，我们先算一下该实验的误差：

η=Σ

所得结果为0.56%，则在误差允许的范围内可以认为外接单片机对该实验结果无影响。

3 结语

巨磁电阻材料本身具有下列特性：其阻值可以随外界磁场的改变而变化，通过控制阻值的变化可以间接地控制其它的电学量并将其应用于日常生活中。巨磁电阻的应用前景十分地广泛：在磁场方面，巨磁电阻传感器具有较宽的磁场测量范围，较高的响应频率和灵敏度以及较强的温度适应性，在磁场线性测量领域具有较为明显的优势。巨磁电阻位移传感器具有高灵敏度和高线性度，在不同环境温度下，输出电压与位移具有良好的线性关系，说明其温度稳定性好，应用前景比一般传感器也更为广泛。另外，巨磁电阻传感器用于转速测量具有测量精度高、频率范围宽、无需温度补偿等特点。

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