傳感器原理與檢測技術(課件

1、傳感器原理與檢測技術(課件第六章第六章 壓電磁敏傳感技術壓電磁敏傳感技術 通過本章的學習，應了解通過本章的學習，應了解壓電壓電傳感傳感技術和技術和磁敏磁敏傳感技術的基本原理，傳感技術的基本原理，掌握掌握壓電式傳感器壓電式傳感器、磁敏電阻磁敏電阻、磁磁敏二極管敏二極管、磁敏三極管磁敏三極管和和霍耳傳感霍耳傳感器器的的結構結構、特性特性及及使用方法使用方法。 傳感器原理與檢測技術(課件第一節(jié)第一節(jié) 壓電式傳感器壓電式傳感器 壓電式傳感器是一種能量轉(zhuǎn)換型傳感器。它既可以壓電式傳感器是一種能量轉(zhuǎn)換型傳感器。它既可以將機械能轉(zhuǎn)換為電能，又可以將電能轉(zhuǎn)化為機械能。將機械能轉(zhuǎn)換為電能，又可以將電能轉(zhuǎn)化為機械

2、能。它的工作原理是基于某些晶體受力后，在其表面產(chǎn)它的工作原理是基于某些晶體受力后，在其表面產(chǎn)生電荷的效應。這類傳感器的剛度大、固有頻率高，生電荷的效應。這類傳感器的剛度大、固有頻率高，一般都在一般都在幾十千赫幾十千赫以上，配上適當?shù)囊陨?，配上適當?shù)碾姾煞糯笃麟姾煞糯笃鳎茉诘椭两咏茉诘椭两咏?Hz，高達，高達10kHz的范圍內(nèi)工作，尤其的范圍內(nèi)工作，尤其適合于測量迅速變化的參數(shù)；其測量值最大可到上適合于測量迅速變化的參數(shù)；其測量值最大可到上百噸力，最小可分辨出幾克力。該傳感器主要是用百噸力，最小可分辨出幾克力。該傳感器主要是用于動態(tài)作用力、壓力和加速度的測量，近年來得到于動態(tài)作用力、壓力和加

3、速度的測量，近年來得到了迅速的發(fā)展。了迅速的發(fā)展。 傳感器原理與檢測技術(課件一一壓電效應壓電效應 某些晶體某些晶體(如石英等如石英等)在一定方向的外力作在一定方向的外力作用下，不僅幾何尺寸會發(fā)生變化，而且晶體內(nèi)用下，不僅幾何尺寸會發(fā)生變化，而且晶體內(nèi)部將產(chǎn)生極化現(xiàn)象，使晶體表面出現(xiàn)電荷形成部將產(chǎn)生極化現(xiàn)象，使晶體表面出現(xiàn)電荷形成電場，當這一外力去除后，表面又恢復到不帶電場，當這一外力去除后，表面又恢復到不帶電狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為電狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為壓電效應壓電效應。具有這種性。具有這種性質(zhì)的材料，稱為質(zhì)的材料，稱為壓電材料壓電材料。若將壓電材料置于。若將壓電材料置于電場之中，其幾何尺寸也會發(fā)生

4、變化，這種在電場之中，其幾何尺寸也會發(fā)生變化，這種在外電場作用下導致壓電材料產(chǎn)生機械變形的現(xiàn)外電場作用下導致壓電材料產(chǎn)生機械變形的現(xiàn)象，稱為象，稱為電致伸縮效應電致伸縮效應（或（或逆壓電效應逆壓電效應）。）。傳感器原理與檢測技術(課件二、二、壓電元件對壓電材料的要求壓電元件對壓電材料的要求 1具有較大的壓電常數(shù)具有較大的壓電常數(shù) 2壓電元件的機械強度高、剛度大并具有較高壓電元件的機械強度高、剛度大并具有較高 的固有振動頻率。的固有振動頻率。 3具有高的電阻率和較大的介電常數(shù)，以減少具有高的電阻率和較大的介電常數(shù)，以減少 電荷的泄漏以及外部分布電容的影響，獲電荷的泄漏以及外部分布電容的影響，獲

5、得良好的低頻特性。得良好的低頻特性。 4具有較高的居里點（指在壓電性能失效時的具有較高的居里點（指在壓電性能失效時的 溫度轉(zhuǎn)變點）。居里點高可以得到較寬的溫度轉(zhuǎn)變點）。居里點高可以得到較寬的 工作溫度范圍。工作溫度范圍。 5壓電材料的壓電特性不隨時間蛻變，有較好壓電材料的壓電特性不隨時間蛻變，有較好 的時間穩(wěn)定性。的時間穩(wěn)定性。傳感器原理與檢測技術(課件三、三、常見的壓電材料常見的壓電材料 1石英晶體石英晶體2水溶性壓電晶體水溶性壓電晶體3鈮酸鋰晶體鈮酸鋰晶體 4壓電陶瓷壓電陶瓷5壓電半導體壓電半導體6高分子壓電材料高分子壓電材料傳感器原理與檢測技術(課件1 1石英晶體石英晶體 石英晶體有石英

6、晶體有天然天然和和人工人工制造兩種。人造石制造兩種。人造石英晶體的物理、化學性質(zhì)幾乎與天然石英晶體英晶體的物理、化學性質(zhì)幾乎與天然石英晶體無多大區(qū)別，因此目前廣泛應用成本較低的人無多大區(qū)別，因此目前廣泛應用成本較低的人造石英晶體。它在幾百攝氏度的溫度范圍內(nèi)，造石英晶體。它在幾百攝氏度的溫度范圍內(nèi)，壓電系數(shù)不隨溫度變化。壓電系數(shù)不隨溫度變化。石英晶體石英晶體的的居里點居里點為為573，即到，即到573時，它將時，它將完全喪失壓電特性完全喪失壓電特性。石英晶體有很大的機械強度和穩(wěn)定的機械性能，石英晶體有很大的機械強度和穩(wěn)定的機械性能，沒有熱釋電效應；但靈敏度很低，介電常數(shù)小，沒有熱釋電效應；但靈敏

7、度很低，介電常數(shù)小，因此逐漸被其他壓電材料所代替。因此逐漸被其他壓電材料所代替。 傳感器原理與檢測技術(課件2 2水溶性壓電晶體水溶性壓電晶體 這 類 晶 體 有這 類 晶 體 有 酒 石 酸 鉀 鈉酒 石 酸 鉀 鈉(NaKC4H4O64H2O)、硫酸鋰硫酸鋰(Li2SO4H2O)、磷酸二氫鉀磷酸二氫鉀(KH2PO4)等。水溶性壓電晶體具等。水溶性壓電晶體具有較高的壓電靈敏度和介電常數(shù)；有較高的壓電靈敏度和介電常數(shù)；但易于受潮，機械強度較低，只但易于受潮，機械強度較低，只適用在室溫和濕度低的環(huán)境下工適用在室溫和濕度低的環(huán)境下工作。作。傳感器原理與檢測技術(課件3 3鈮酸鋰晶體鈮酸鋰晶體 鈮酸

8、鋰是一種透明單晶，鈮酸鋰是一種透明單晶，熔點熔點為為1250，居里點居里點為為1210。它具有良。它具有良好的壓電性能和時間穩(wěn)定性，在耐高好的壓電性能和時間穩(wěn)定性，在耐高溫傳感器上有廣泛的用途，但成本較溫傳感器上有廣泛的用途，但成本較高。高。 傳感器原理與檢測技術(課件4 4壓電陶瓷壓電陶瓷 它具有它具有燒制方便燒制方便、耐濕耐濕、耐高溫耐高溫、易于成型易于成型等特等特點，應用最普遍。這類材料可細分以下幾種：點，應用最普遍。這類材料可細分以下幾種：(1)鈦酸鋇鈦酸鋇(BaTiO3)壓電陶瓷壓電陶瓷：BaCO3和和TiO2在高溫在高溫下合成，具有較高壓電系數(shù)和介電常數(shù)。居里點較低，下合成，具有較

9、高壓電系數(shù)和介電常數(shù)。居里點較低，為為120，此外機械強度不如石英晶體。，此外機械強度不如石英晶體。(2)鋯鈦酸鉛系壓電陶瓷鋯鈦酸鉛系壓電陶瓷(PZT)：由：由PbTiO3和和PbZrO3組成的固溶體組成的固溶體Pb(ZrTi)O3。具有較高壓電系數(shù)，居里。具有較高壓電系數(shù)，居里點為點為300以上。以上。(3)鈮酸鹽系壓電陶瓷：鈮酸鹽系壓電陶瓷：如鈮酸鉛具有很高的居里點和如鈮酸鉛具有很高的居里點和較低的介電常數(shù)。鈮酸鉀的居里點為較低的介電常數(shù)。鈮酸鉀的居里點為435，常用于，常用于水聲傳感器中。水聲傳感器中。(4)鈮鎂酸鉛壓電陶瓷鈮鎂酸鉛壓電陶瓷(PMN)：它是一種新型陶瓷，具：它是一種新型陶

10、瓷，具有較高的壓電系數(shù)和居里點，能夠在較高的壓力下工有較高的壓電系數(shù)和居里點，能夠在較高的壓力下工作，適合作高溫下的力傳感器。作，適合作高溫下的力傳感器。 傳感器原理與檢測技術(課件5 5壓電半導體壓電半導體 有些晶體既具有半導體特性又同時有些晶體既具有半導體特性又同時具有壓電性能，如具有壓電性能，如ZnS，CaS，GaAs等。等。因此既可利用它的壓電特性研制傳感器，因此既可利用它的壓電特性研制傳感器，又可利用半導體特性以微電子技術制成電又可利用半導體特性以微電子技術制成電子器件。兩者結合起來，就出現(xiàn)了集轉(zhuǎn)換子器件。兩者結合起來，就出現(xiàn)了集轉(zhuǎn)換元件和電子線路為一體的新型傳感器，它元件和電子線路

11、為一體的新型傳感器，它的應用前途非常遠大的應用前途非常遠大。 傳感器原理與檢測技術(課件6 6高分子壓電材料高分子壓電材料 某些合成高分子聚合物薄膜經(jīng)延展拉伸和某些合成高分子聚合物薄膜經(jīng)延展拉伸和電場極化后，具有一定的壓電性能。目前電場極化后，具有一定的壓電性能。目前這類壓電薄膜有聚二氟乙烯這類壓電薄膜有聚二氟乙烯(PVF2)、聚氟、聚氟乙烯乙烯(PVF)、聚氯乙烯、聚氯乙烯(PVC)，聚，聚甲基甲基L谷氨酸酯谷氨酸酯(PMG)等。是一種柔軟的壓等。是一種柔軟的壓電材料，不易破碎，可大批量生產(chǎn)。電材料，不易破碎，可大批量生產(chǎn)。若將壓電陶瓷粉末加入高分子化合物中，若將壓電陶瓷粉末加入高分子化合物

12、中，可制成高分子壓電陶瓷薄膜，它既保持了可制成高分子壓電陶瓷薄膜，它既保持了高分子壓電薄膜的柔軟性，又具有較高的高分子壓電薄膜的柔軟性，又具有較高的壓電系數(shù)，是一種很有希望的壓電材料。壓電系數(shù)，是一種很有希望的壓電材料。 傳感器原理與檢測技術(課件四、四、壓電元件的常用結構形式壓電元件的常用結構形式 壓電式傳感器常用兩片或多片組合在一起使用。壓電式傳感器常用兩片或多片組合在一起使用。由于壓電材料有極性，因此，接法有由于壓電材料有極性，因此，接法有并連并連和和串連串連兩種。兩種。前者的總電容前者的總電容C=nC(單片電容單片電容)，輸出電壓，輸出電壓U=U（單片（單片電壓），極板的總電荷量電壓）

13、，極板的總電荷量Q=nQ(單片電荷量）；后者單片電荷量）；后者Q=Q，U=nU，C=C/n。 傳感器原理與檢測技術(課件 在這兩種連接方式中，在這兩種連接方式中，并連接法并連接法輸出輸出電荷大，本身電容大，因此時間常數(shù)也大，電荷大，本身電容大，因此時間常數(shù)也大，適用于測量緩變信號適用于測量緩變信號，并以電荷量作為輸，并以電荷量作為輸出的場合。出的場合。串連接法串連接法輸出電壓高，本身電輸出電壓高，本身電容小，容小，適用適用于以電壓作為輸出量以及測量于以電壓作為輸出量以及測量電路電路輸入阻抗很高輸入阻抗很高的場合。的場合。 壓電元件在壓電傳感器中，必須有一壓電元件在壓電傳感器中，必須有一定的預應

14、力，這樣可以保證在作用力變化定的預應力，這樣可以保證在作用力變化時，壓電片始終受到壓力，同時也保證了時，壓電片始終受到壓力，同時也保證了壓電片的輸出與作用力的線性關系。壓電片的輸出與作用力的線性關系。 傳感器原理與檢測技術(課件五、壓電式傳感器的測量電路壓電式傳感器的測量電路 壓電式傳感器的輸出阻抗很高，而輸壓電式傳感器的輸出阻抗很高，而輸出信號微弱，因此一般不能直接顯示和記出信號微弱，因此一般不能直接顯示和記錄。這種傳感器要求測量電路的前級輸入錄。這種傳感器要求測量電路的前級輸入端必須有足夠高的阻抗，這樣才能防止電端必須有足夠高的阻抗，這樣才能防止電荷迅速泄漏，使測量精度提高。荷迅速泄漏，使

15、測量精度提高。壓電式傳壓電式傳感器的前置放大器有兩個作用：感器的前置放大器有兩個作用：一是把傳一是把傳感器的感器的高阻抗輸出變換為低阻抗輸出高阻抗輸出變換為低阻抗輸出；二；二是把是把傳感器的微弱信號進行放大傳感器的微弱信號進行放大。傳感器原理與檢測技術(課件1 1電壓放大器電壓放大器 壓電式傳感器接電壓放大器的等效電路如下圖所示。壓電式傳感器接電壓放大器的等效電路如下圖所示。ui為為放大器輸入電壓；放大器輸入電壓；C=Cc+Ci；R=RaRi/(Ra+Rt); ua=Q/Ca。如果。如果壓電傳感器受力為壓電傳感器受力為 F=Fmsint，其中，其中Fm為壓電傳感器受力的為壓電傳感器受力的最大值

16、，則該力在壓電元件上產(chǎn)生的電壓為：最大值，則該力在壓電元件上產(chǎn)生的電壓為： tCdFuamasin傳感器原理與檢測技術(課件當當 1)(aciCCCR時，放大器的輸入電壓為時，放大器的輸入電壓為 FCCCddFCCRjRjuCjRCjRCjCjRCjRuaciaaai)(111111從上式看，放大器輸入電壓近似與被測頻率無關。當從上式看，放大器輸入電壓近似與被測頻率無關。當改變傳感器與前置放大器的電纜長度時，改變傳感器與前置放大器的電纜長度時，Cc將改變，將改變，從而引起放大器的輸出電壓發(fā)生變化。故設計時把電從而引起放大器的輸出電壓發(fā)生變化。故設計時把電纜長度定為常數(shù)，若改變，需重新校正電壓靈

17、敏度。纜長度定為常數(shù)，若改變，需重新校正電壓靈敏度。 傳感器原理與檢測技術(課件2 2電荷放大器電荷放大器 它是一種輸出電壓與輸入電荷量成正比的前置放大器。其它是一種輸出電壓與輸入電荷量成正比的前置放大器。其等效電路如下圖，等效電路如下圖，Cf為放大器的反饋電容。若忽略電阻為放大器的反饋電容。若忽略電阻Ra，Ri及及Rf的影響，則輸入到放大器的電荷量為：的影響，則輸入到放大器的電荷量為：Qi=Q-Qf 傳感器原理與檢測技術(課件fffifCAUACUAUCUUQ0000)1 ()()()()(0aciaciiiCCCAUCCCUQ式中式中A為開環(huán)放大倍數(shù)。故放大器的輸出電壓為：為開環(huán)放大倍數(shù)。

18、故放大器的輸出電壓為： faciCACCCAQU)1 (0 當當A1，而，而(1+A)CfCi+Cc+Ca時，放大器輸時，放大器輸出電壓可以表示為：出電壓可以表示為： fCQU0 電荷放大器的輸出電壓僅與傳感器產(chǎn)生的電荷量電荷放大器的輸出電壓僅與傳感器產(chǎn)生的電荷量和反饋電容和反饋電容Cf有關，而電纜電容等的影響可忽略不計。有關，而電纜電容等的影響可忽略不計。 傳感器原理與檢測技術(課件六、六、壓電式傳感器的應用壓電式傳感器的應用 1測量汽缸中燃燒的爆發(fā)力測量汽缸中燃燒的爆發(fā)力 2測量沖床壓力測量沖床壓力 壓電式傳感器常用來測量力、壓電式傳感器常用來測量力、壓力、振動的加速度，也用于聲學壓力、振

19、動的加速度，也用于聲學和聲發(fā)射等領域的相關測量。如：和聲發(fā)射等領域的相關測量。如： 傳感器原理與檢測技術(課件1 1測量汽缸中燃燒的爆發(fā)力測量汽缸中燃燒的爆發(fā)力 圖中將石英力傳感器緊固在汽缸蓋的緊固螺栓中，圖中將石英力傳感器緊固在汽缸蓋的緊固螺栓中，相當于墊圈的作用。連接電荷放大器和記錄儀式峰值相當于墊圈的作用。連接電荷放大器和記錄儀式峰值電壓表即可實現(xiàn)汽缸的爆發(fā)力測量。電壓表即可實現(xiàn)汽缸的爆發(fā)力測量。 傳感器原理與檢測技術(課件2 2測量沖床壓力測量沖床壓力 當測量大力時，可用兩個傳感器支承，或?qū)讉€傳當測量大力時，可用兩個傳感器支承，或?qū)讉€傳感器沿圓周均布支承，再將求力總和感器沿圓周均布

20、支承，再將求力總和F(屬平行力時屬平行力時)。 因有時力的分布不均勻，各傳感器測得力的大小不因有時力的分布不均勻，各傳感器測得力的大小不同，故分別測力可以測得更準確。同，故分別測力可以測得更準確。 傳感器原理與檢測技術(課件第二節(jié)第二節(jié) 磁敏電阻磁敏電阻 磁敏電阻是基于磁阻效應的磁敏元磁敏電阻是基于磁阻效應的磁敏元件。它的應用范圍比較廣，可以用它件。它的應用范圍比較廣，可以用它制成磁場探測儀、位移和角度檢測器、制成磁場探測儀、位移和角度檢測器、安培計以及磁敏交流放大器等。安培計以及磁敏交流放大器等。傳感器原理與檢測技術(課件一、一、磁阻效應磁阻效應 置于磁場中的載流導體的電阻隨磁場發(fā)生變化的現(xiàn)

21、置于磁場中的載流導體的電阻隨磁場發(fā)生變化的現(xiàn)象稱為磁阻效應。象稱為磁阻效應。 在磁場中當溫度恒定時，磁阻與磁感應強度在磁場中當溫度恒定時，磁阻與磁感應強度B的平的平方成正比。如果器件只是電子參與導電的簡單情況，理方成正比。如果器件只是電子參與導電的簡單情況，理論推導出來的磁阻效應方程為：論推導出來的磁阻效應方程為： )273. 01 (220BB 式中式中B為磁感應強度為為磁感應強度為B時的電阻率；時的電阻率；0為零磁場為零磁場下的電阻率；下的電阻率；為電子遷移率；為電子遷移率；B為磁感應強度。為磁感應強度。 當電阻率變化為當電阻率變化為 0H時，則電阻率的相對時，則電阻率的相對變化為變化為2

22、2220273. 0BKB 可見，磁場一定，遷移率越高的材料，如：可見，磁場一定，遷移率越高的材料，如：lnSb（銻化銦）（銻化銦）、InAs（砷化銦）（砷化銦）和和NiSb（銻化鎳）（銻化鎳）等半等半導體材料，其磁阻效應越明顯導體材料，其磁阻效應越明顯 。傳感器原理與檢測技術(課件二、磁敏電阻的結構二、磁敏電阻的結構 磁敏電阻的制作方法：一是在較長元件片上用真磁敏電阻的制作方法：一是在較長元件片上用真空鍍膜方法制成圖空鍍膜方法制成圖(a)所示的許多短路電極所示的許多短路電極(光柵狀光柵狀)的的元件；二是在結晶制作過程中有方向性地析出金屬制元件；二是在結晶制作過程中有方向性地析出金屬制成圖成圖

23、(b)所示磁敏電阻。但多數(shù)磁敏電阻是圖所示磁敏電阻。但多數(shù)磁敏電阻是圖(c)所示的所示的圓盤形結構，在中心和邊緣處各有一電極。圓盤形結構，在中心和邊緣處各有一電極。傳感器原理與檢測技術(課件三、磁敏電阻與形狀的關系三、磁敏電阻與形狀的關系 在恒定磁感應強度下，其在恒定磁感應強度下，其長度長度L比比寬度寬度b越小，其越小，其電阻率的相對變化越大。從磁阻與磁感應強度的關系電阻率的相對變化越大。從磁阻與磁感應強度的關系圖中看出，圓盤形樣品的磁阻最大。圖中看出，圓盤形樣品的磁阻最大。 傳感器原理與檢測技術(課件四、磁敏電阻的特性四、磁敏電阻的特性 磁敏電阻的輸入與輸出的關系是磁敏電阻的輸入與輸出的關系

24、是非線性非線性的的 ，即它，即它的的靈敏度一般不是常數(shù)，且的的靈敏度一般不是常數(shù)，且受溫度影響大受溫度影響大。故使用。故使用磁敏電阻時，必須進行溫度補償。磁敏電阻時，必須進行溫度補償。 傳感器原理與檢測技術(課件五、五、磁敏電阻的應用磁敏電阻的應用 1非接觸式交流電流監(jiān)視器非接觸式交流電流監(jiān)視器 2電機轉(zhuǎn)速測量電路電機轉(zhuǎn)速測量電路傳感器原理與檢測技術(課件1 1非接觸式交流電流監(jiān)視器非接觸式交流電流監(jiān)視器 圖中用磁敏電阻圖中用磁敏電阻MSF06檢測交流電流，放大器檢測交流電流，放大器A1的增益可在的增益可在1001000倍之間調(diào)整。只要把感器靠近倍之間調(diào)整。只要把感器靠近被測交流電源線，其輸出

25、電壓將與電流大小成比例。被測交流電源線，其輸出電壓將與電流大小成比例。 傳感器原理與檢測技術(課件2 2電機轉(zhuǎn)速測量電路電機轉(zhuǎn)速測量電路 圖中圖中a點電壓隨轉(zhuǎn)速改變，它由運放進行放大。點電壓隨轉(zhuǎn)速改變，它由運放進行放大。然后接示波器或計數(shù)器，就可測量電機的轉(zhuǎn)速。然后接示波器或計數(shù)器，就可測量電機的轉(zhuǎn)速。 傳感器原理與檢測技術(課件第三節(jié)第三節(jié) 磁敏二極管磁敏二極管 磁敏二極管是磁敏二極管是PN結型的磁電結型的磁電轉(zhuǎn)換元件，它具有輸出轉(zhuǎn)換元件，它具有輸出信號大信號大、靈靈敏度高敏度高、工作電流小工作電流小和和體積小體積小等特等特點，因此，比較點，因此，比較適合磁場適合磁場、轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)速、探傷探傷等方

26、面的等方面的檢測檢測和和控制控制。 傳感器原理與檢測技術(課件 一、一、磁敏二極管的結構磁敏二極管的結構 磁敏二極管磁敏二極管(SMD)的結構如下圖所示。它的的結構如下圖所示。它的P型型和和N型電極由高阻材料制成，在型電極由高阻材料制成，在P、N間有一較長的本間有一較長的本征區(qū)征區(qū)，它的一面磨成光滑的復合表面，它的一面磨成光滑的復合表面(區(qū)區(qū))，另一，另一面打毛設置成高復合區(qū)面打毛設置成高復合區(qū)(r區(qū)區(qū))，當通以正向電流后就會，當通以正向電流后就會在在P，N結之間形成電流。結之間形成電流。傳感器原理與檢測技術(課件二、二、磁敏二極管的工作原理磁敏二極管的工作原理 未受外界磁場作用的磁敏二極管外

27、加正偏壓時未受外界磁場作用的磁敏二極管外加正偏壓時(圖圖a)所示所示) ，有大量空穴從有大量空穴從P區(qū)通過區(qū)通過區(qū)進人區(qū)進人N區(qū)，同時有大量電子流入?yún)^(qū)，同時有大量電子流入P區(qū)，區(qū)，形成電流。只有少量電子和空穴在形成電流。只有少量電子和空穴在區(qū)復合掉。區(qū)復合掉。 當磁敏二極管受正向磁場作用時當磁敏二極管受正向磁場作用時(圖圖(b)所示所示)，電子和空穴，電子和空穴受洛侖茲力作用向受洛侖茲力作用向r區(qū)偏轉(zhuǎn)，加快電子和空穴的復合速度，導致區(qū)偏轉(zhuǎn)，加快電子和空穴的復合速度，導致通電回路的載流子較少而使電流減小。通電回路的載流子較少而使電流減小。 當磁敏二極管受反向磁場作用時當磁敏二極管受反向磁場作用時

28、(圖圖(c)所示所示)，電子、空穴，電子、空穴受洛侖茲力作用而向受洛侖茲力作用而向區(qū)偏移，由于電子、空穴復合率明顯變小，區(qū)偏移，由于電子、空穴復合率明顯變小，通電回路中的載流子明顯增加而導致電流變大。通電回路中的載流子明顯增加而導致電流變大。 傳感器原理與檢測技術(課件三、磁敏二極管的主要特性三、磁敏二極管的主要特性 1磁電特性磁電特性 2伏安特性伏安特性3溫度特性溫度特性傳感器原理與檢測技術(課件1 1磁電特性磁電特性 在定條件下磁敏二極管輸出電壓與外加磁場變化的關系在定條件下磁敏二極管輸出電壓與外加磁場變化的關系稱為稱為磁敏二極管的磁電特性磁敏二極管的磁電特性。磁敏二極管有。磁敏二極管有單

29、只單只和和互補互補使用兩使用兩種方式。種方式。單只使用的正向磁靈敏度大于反向；互補使用的正、單只使用的正向磁靈敏度大于反向；互補使用的正、反向磁靈敏度曲線對稱，且在弱磁場下有較好的線性度。反向磁靈敏度曲線對稱，且在弱磁場下有較好的線性度。 傳感器原理與檢測技術(課件2 2、伏安特性、伏安特性 磁敏二極管的正向偏壓和電流的關系稱為磁敏二極磁敏二極管的正向偏壓和電流的關系稱為磁敏二極管的伏安特性。它在不同磁場作用下的伏安特性曲線管的伏安特性。它在不同磁場作用下的伏安特性曲線不同。不同。傳感器原理與檢測技術(課件3 3、溫度特性、溫度特性 磁敏二極管的輸出電壓和電流受溫度影響較大，磁敏二極管的輸出電

30、壓和電流受溫度影響較大，實際使用時必須對它進行溫度補償。常用的溫度補償實際使用時必須對它進行溫度補償。常用的溫度補償電路有電路有互補式互補式、差分式差分式、全橋式全橋式和和熱敏電阻熱敏電阻四種。四種。 傳感器原理與檢測技術(課件四、四、磁敏二極管的應用磁敏二極管的應用 1磁場測量磁場測量2無觸點開關無觸點開關 3無觸點電位器無觸點電位器傳感器原理與檢測技術(課件 1 1磁場測量磁場測量2ACM2ACM索尼二極管的應用索尼二極管的應用 下圖是一種小量程高斯計的電路。由四個磁敏二極管組成下圖是一種小量程高斯計的電路。由四個磁敏二極管組成橋式磁敏探頭，其輸出信號采用差分放大并由微安表指示測試橋式磁敏

31、探頭，其輸出信號采用差分放大并由微安表指示測試值。值。B=0時，磁橋輸出為時，磁橋輸出為0，調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)RW2使微安表讀數(shù)為使微安表讀數(shù)為0。當。當B0時，時，1，4管截止，磁橋有輸出管截止，磁橋有輸出VAB0，由表頭指示磁場，由表頭指示磁場強度。當強度。當B0時，表頭指針反轉(zhuǎn)。時，表頭指針反轉(zhuǎn)。 傳感器原理與檢測技術(課件2 2無觸點開關無觸點開關 由四只磁敏二極管組成橋式檢測電路。無磁場時，由四只磁敏二極管組成橋式檢測電路。無磁場時，磁敏電橋平衡無信號輸出；當磁鐵經(jīng)過磁敏二極管時，磁敏電橋平衡無信號輸出；當磁鐵經(jīng)過磁敏二極管時，電橋有信號輸出使電橋有信號輸出使VT1導通，再觸發(fā)晶閘管導通，再

32、觸發(fā)晶閘管VT2導通使導通使繼電器繼電器K吸合，指示燈點亮，控制電路接通。吸合，指示燈點亮，控制電路接通。 傳感器原理與檢測技術(課件 3 3無觸點電位器無觸點電位器將磁敏元件放置在單個磁鐵的下方或兩個磁鐵之間，當旋動電將磁敏元件放置在單個磁鐵的下方或兩個磁鐵之間，當旋動電位器手柄時，磁鐵跟著轉(zhuǎn)動，從而使磁敏元件表面的磁感強度位器手柄時，磁鐵跟著轉(zhuǎn)動，從而使磁敏元件表面的磁感強度也發(fā)生變化，這樣，磁敏元件的輸出電壓將隨著手柄的轉(zhuǎn)動而也發(fā)生變化，這樣，磁敏元件的輸出電壓將隨著手柄的轉(zhuǎn)動而變化，起到電位調(diào)節(jié)的作用。變化，起到電位調(diào)節(jié)的作用。傳感器原理與檢測技術(課件 第四節(jié)第四節(jié) 磁敏三極管磁敏三

33、極管 磁敏三極管是磁敏三極管是PN結型的磁電轉(zhuǎn)換結型的磁電轉(zhuǎn)換元件，它具有靈敏度高、輸出信號大，元件，它具有靈敏度高、輸出信號大，工作電流小、體積小等特點，適合于工作電流小、體積小等特點，適合于磁場、轉(zhuǎn)速、探傷等方面的檢測和控磁場、轉(zhuǎn)速、探傷等方面的檢測和控制。制。傳感器原理與檢測技術(課件一、一、磁敏三極管的結構磁敏三極管的結構 在弱在弱P型或弱型或弱N型本征半導體上用合金或擴散法形型本征半導體上用合金或擴散法形成成發(fā)射極發(fā)射極、基極基極和和集電極集電極?；鶇^(qū)較長，結構類似磁敏。基區(qū)較長，結構類似磁敏二極管，有高復合率的二極管，有高復合率的r區(qū)和本征區(qū)和本征區(qū)?；鶇^(qū)分區(qū)?；鶇^(qū)分輸運基輸運基區(qū)

34、區(qū)和和復合基區(qū)復合基區(qū)。 傳感器原理與檢測技術(課件 二、磁敏三極管的工作原理二、磁敏三極管的工作原理 當磁敏三極管未受磁場作用時當磁敏三極管未受磁場作用時(圖圖(a)所示所示)，因基區(qū)，因基區(qū)寬度大于載流子有效擴散長度，多數(shù)載流子通過寬度大于載流子有效擴散長度，多數(shù)載流子通過e-I-b形形成成b極電流；少數(shù)輸入到極電流；少數(shù)輸入到c極。故極。故b極電流大于極電流大于c極電流。極電流。當受正向磁場作用時，洛侖茲力使載流子偏向發(fā)射結一當受正向磁場作用時，洛侖茲力使載流子偏向發(fā)射結一側，使集電極電流顯著下降側，使集電極電流顯著下降(圖圖(b)所示所示)。當反向磁場作。當反向磁場作用時，載流子向集電

35、極一側偏轉(zhuǎn)，使用時，載流子向集電極一側偏轉(zhuǎn)，使c極電流增大極電流增大(圖圖(c)所示所示)。因此，可以利用磁敏三極管測量弱磁場、電流、。因此，可以利用磁敏三極管測量弱磁場、電流、轉(zhuǎn)速和位移等物理量。轉(zhuǎn)速和位移等物理量。 傳感器原理與檢測技術(課件 三、磁敏三極管的主要特性三、磁敏三極管的主要特性 1磁電特性磁電特性 2伏安特性伏安特性3溫度特性溫度特性4. 常用的溫度補償方法常用的溫度補償方法傳感器原理與檢測技術(課件1 1磁電特性磁電特性 在定條件下磁敏三極管輸出電流與外加磁場變化在定條件下磁敏三極管輸出電流與外加磁場變化的關系稱為的關系稱為磁敏三極管的磁電特性磁敏三極管的磁電特性。如國產(chǎn)。

36、如國產(chǎn)NPN型磁型磁敏三極管敏三極管(3BCM-鍺鍺)在弱磁場作用下，曲線接近一條在弱磁場作用下，曲線接近一條直線。直線。 傳感器原理與檢測技術(課件2 2、伏安特性、伏安特性 圖圖(a)為不受磁場作用時磁敏三極管的伏安特性曲為不受磁場作用時磁敏三極管的伏安特性曲線；圖線；圖(b)是是B=1kGs，Ib=3mA時，時，Ic隨隨Uce的變化。的變化。顯然磁敏三極管的電流放大倍數(shù)小于顯然磁敏三極管的電流放大倍數(shù)小于1。傳感器原理與檢測技術(課件3 3、溫度特性、溫度特性 磁敏三極管對溫度敏感，使用時磁敏三極管對溫度敏感，使用時需進行溫度補償。對于鍺磁敏三極管需進行溫度補償。對于鍺磁敏三極管(3AC

37、M、3BCM)，其磁靈敏度的溫度，其磁靈敏度的溫度系數(shù)為系數(shù)為0.8/；硅磁敏三極管；硅磁敏三極管(3CCM)磁靈敏度的溫度系數(shù)為磁靈敏度的溫度系數(shù)為-0.6/。傳感器原理與檢測技術(課件 4. 4. 常用的溫度補償方法之一常用的溫度補償方法之一 對于硅磁敏三極管可用正溫度系數(shù)的普通硅三極對于硅磁敏三極管可用正溫度系數(shù)的普通硅三極管來進行補償。具體補償電路如下圖所示。當溫度升管來進行補償。具體補償電路如下圖所示。當溫度升高時，高時，BG1管管Ic增加，導致增加，導致BGm管的管的Ic也增加，從而補也增加，從而補償了償了BGm管因溫度升高而導致管因溫度升高而導致Ic的下降。的下降。傳感器原理與檢

38、測技術(課件 4. 4. 常用的溫度補償方法之二常用的溫度補償方法之二 利用鍺磁敏二極管電流隨溫度升高而增加的這一利用鍺磁敏二極管電流隨溫度升高而增加的這一特性使其作硅磁敏三極管的負載，從而當溫度升高時，特性使其作硅磁敏三極管的負載，從而當溫度升高時，彌補了硅磁敏三極管的負溫度漂移系數(shù)所引起的電流彌補了硅磁敏三極管的負溫度漂移系數(shù)所引起的電流下降的問題。下降的問題。傳感器原理與檢測技術(課件 4. 4. 常用的溫度補償方法之三常用的溫度補償方法之三 采用兩只特性一致、磁極相反的磁敏三極管組成采用兩只特性一致、磁極相反的磁敏三極管組成差分電路。它既可以提高磁靈敏度，又能進行溫度補差分電路。它既可

39、以提高磁靈敏度，又能進行溫度補償，它是一種行之有效的溫度補償電路。償，它是一種行之有效的溫度補償電路。 傳感器原理與檢測技術(課件四、四、磁敏三極管的應用磁敏三極管的應用 磁敏三極管的應用技術領域與磁磁敏三極管的應用技術領域與磁敏二極管相似。主要在磁場測量、大敏二極管相似。主要在磁場測量、大電流測量、磁力探傷、接近開關、程電流測量、磁力探傷、接近開關、程序控制、位置控制、轉(zhuǎn)速測量、直流序控制、位置控制、轉(zhuǎn)速測量、直流無刷馬達和各種工業(yè)過程自動控制等無刷馬達和各種工業(yè)過程自動控制等技術領域中應用。技術領域中應用。 傳感器原理與檢測技術(課件第五節(jié)第五節(jié) 霍爾傳感器霍爾傳感器 霍爾傳感器是基于霍爾

40、效應的一種傳霍爾傳感器是基于霍爾效應的一種傳感器。它具有結構簡單，形小體輕，無觸感器。它具有結構簡單，形小體輕，無觸點，頻率響應范圍寬點，頻率響應范圍寬(從直流到微波從直流到微波)，動，動態(tài)范圍大態(tài)范圍大(輸出量的變化可達輸出量的變化可達1000比比1)，壽命長等優(yōu)點。因此，霍爾傳感器廣泛應壽命長等優(yōu)點。因此，霍爾傳感器廣泛應用于電磁、壓力、加速度、振動等方面的用于電磁、壓力、加速度、振動等方面的測量。測量。傳感器原理與檢測技術(課件一、一、霍爾元件基本結構霍爾元件基本結構 霍爾元件的結構簡單，由霍爾片、引線和殼體組成?；魻栐慕Y構簡單，由霍爾片、引線和殼體組成?；魻柶且粔K矩形半導體單晶薄

41、片，引出四個引線?；魻柶且粔K矩形半導體單晶薄片，引出四個引線。1、1引線加激勵電壓或電流，稱為激勵電極；引線加激勵電壓或電流，稱為激勵電極；2、2引線為輸出引線，稱為霍爾電極。殼體由非導磁金屬、引線為輸出引線，稱為霍爾電極。殼體由非導磁金屬、陶瓷或環(huán)氧樹脂封裝而成。在電路中霍爾元件可用兩陶瓷或環(huán)氧樹脂封裝而成。在電路中霍爾元件可用兩種符號表示。種符號表示。傳感器原理與檢測技術(課件 二、霍爾元件基本特性二、霍爾元件基本特性 1. 額定激勵電流和最大允許激勵電流額定激勵電流和最大允許激勵電流2. 輸入電阻和輸出電阻輸入電阻和輸出電阻 3. 不等位電勢和不等位電阻不等位電勢和不等位電阻4. 寄生

42、直流電勢寄生直流電勢 5. 霍爾電勢溫度系數(shù)霍爾電勢溫度系數(shù) 傳感器原理與檢測技術(課件1. 1.額定激勵電流和最大允許激勵電流額定激勵電流和最大允許激勵電流 當霍爾元件自身溫升當霍爾元件自身溫升10時所流過的時所流過的激勵電流稱為額定激勵電流。以元件允許激勵電流稱為額定激勵電流。以元件允許最大溫升為限制所對應的激勵電流稱為最最大溫升為限制所對應的激勵電流稱為最大允許激勵電流。因霍爾電勢隨激勵電流大允許激勵電流。因霍爾電勢隨激勵電流增加而線性增加，所以，使用中希望選用增加而線性增加，所以，使用中希望選用盡可能大的激勵電流，因而需要知道元件盡可能大的激勵電流，因而需要知道元件的最大允許激勵電流，

43、改善霍爾元件的散的最大允許激勵電流，改善霍爾元件的散熱條件，可以使激勵電流增加。熱條件，可以使激勵電流增加。 傳感器原理與檢測技術(課件 2. 2. 輸入電阻和輸出電阻輸入電阻和輸出電阻 激勵電極間的電阻值稱為輸入電激勵電極間的電阻值稱為輸入電阻?；魻栯姌O輸出電勢對外電路來說阻?；魻栯姌O輸出電勢對外電路來說相當于一個電壓源，其電源內(nèi)阻即為相當于一個電壓源，其電源內(nèi)阻即為輸出電阻。以上電阻值是在磁感應強輸出電阻。以上電阻值是在磁感應強度為零且環(huán)境溫度在度為零且環(huán)境溫度在205時確時確定的。定的。 傳感器原理與檢測技術(課件 3. 3. 不等位電勢和不等位電阻不等位電勢和不等位電阻 當霍爾元件的激

44、勵電流為當霍爾元件的激勵電流為I，若元件所處位置磁感，若元件所處位置磁感應強度為零，則其霍爾電勢應為零，但實際不為零。應強度為零，則其霍爾電勢應為零，但實際不為零。這時測得的霍爾電勢稱不等位電勢。產(chǎn)生這一現(xiàn)象的這時測得的霍爾電勢稱不等位電勢。產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因有：原因有： 霍爾電極安裝位置不對稱或不在同一等電位面上；霍爾電極安裝位置不對稱或不在同一等電位面上； 半導體材料不均勻造成了電阻率不均勻或是幾何半導體材料不均勻造成了電阻率不均勻或是幾何 尺寸不均勻；尺寸不均勻； 激勵電極接觸不良造成激勵電流不均勻分布等。激勵電極接觸不良造成激勵電流不均勻分布等。 傳感器原理與檢測技術(課件4. 4.

45、寄生直流電勢寄生直流電勢 在外加磁場為零、霍爾元件用交流激勵時，霍在外加磁場為零、霍爾元件用交流激勵時，霍爾電極輸出除了交流不等位電勢外，還有一直流爾電極輸出除了交流不等位電勢外，還有一直流電勢，稱之為寄生直流電勢。它產(chǎn)生的原因有：電勢，稱之為寄生直流電勢。它產(chǎn)生的原因有： 激勵電極與霍爾電極接觸不良，形成非歐姆激勵電極與霍爾電極接觸不良，形成非歐姆 接觸，造成整流效果；接觸，造成整流效果； 兩個霍爾電極大小不對稱，則兩個電極點的兩個霍爾電極大小不對稱，則兩個電極點的 熱容不同，散熱狀態(tài)不同形成極向溫差電勢。熱容不同，散熱狀態(tài)不同形成極向溫差電勢。 寄生直流電勢一般在寄生直流電勢一般在1mV以

46、下，它是影以下，它是影 響霍爾片溫漂的原因之一。響霍爾片溫漂的原因之一。傳感器原理與檢測技術(課件5. 5. 霍爾電勢溫度系數(shù)霍爾電勢溫度系數(shù) 在一定磁感應強度和激勵電流下，在一定磁感應強度和激勵電流下，溫度每變化溫度每變化1時，霍爾電勢變化的百時，霍爾電勢變化的百分率稱分率稱霍爾電勢溫度系數(shù)霍爾電勢溫度系數(shù)。它同時也。它同時也是是霍爾系數(shù)的溫度系數(shù)霍爾系數(shù)的溫度系數(shù)。傳感器原理與檢測技術(課件三、三、霍爾元件不等位電勢補償霍爾元件不等位電勢補償 不等位電勢有時甚至超過霍爾電勢，使用中必須不等位電勢有時甚至超過霍爾電勢，使用中必須采用補償電路加以消除。圖中采用補償電路加以消除。圖中A、B為激勵電極，為激勵電極，C、D為霍爾電極，各極分布電阻分別用為霍爾電極，各極分布電阻分別用R1、R2、R3和和R4表表示。實際這四