傳感器教學(xué)課件

1、一、傳感器定義一、傳感器定義 gb7665-2005： 能夠感受規(guī)定的被測(cè)量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)能夠感受規(guī)定的被測(cè)量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的器件或裝置換成可用輸出信號(hào)的器件或裝置 。 第三章第三章 傳感器傳感器第一節(jié)第一節(jié) 概述概述二、傳感器組成二、傳感器組成 傳感器組成：傳感器組成：敏感器件與轉(zhuǎn)換元件敏感器件與轉(zhuǎn)換元件 敏感器件直接感受被測(cè)物理量；轉(zhuǎn)換元件對(duì)信號(hào)進(jìn)行敏感器件直接感受被測(cè)物理量；轉(zhuǎn)換元件對(duì)信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換輸出。轉(zhuǎn)換輸出。dv第三章第三章 傳感器傳感器三、三、 傳感器分類傳感器分類(1)按被測(cè)物理量分類按被測(cè)物理量分類(用戶用戶) 位移位移,力力,溫度溫度(2)按工作原理分

2、類按工作原理分類(研究人員研究人員) 電阻式電阻式,電容式電容式,電感式電感式,磁電式磁電式(3)按輸出信號(hào)分類按輸出信號(hào)分類 模擬式傳感器模擬式傳感器,數(shù)字式傳感器數(shù)字式傳感器(4)按敏感元件與被測(cè)對(duì)象之間的能量關(guān)系按敏感元件與被測(cè)對(duì)象之間的能量關(guān)系 能量轉(zhuǎn)換型能量轉(zhuǎn)換型(發(fā)電型發(fā)電型)和能量控制型和能量控制型(參量型參量型)第三章第三章 傳感器傳感器 1. 變阻器變阻器(電位器電位器)式傳感器式傳感器 1) 工作原理工作原理 把被測(cè)量轉(zhuǎn)換為電阻變化的傳感器。把被測(cè)量轉(zhuǎn)換為電阻變化的傳感器。 按工作原理分為變阻器式按工作原理分為變阻器式(電位器式電位器式)、電阻應(yīng)變式。、電阻應(yīng)變式。 第二節(jié)

3、參量型傳感器第二節(jié)參量型傳感器一、電阻式傳感器一、電阻式傳感器2) 變阻器式傳感器特點(diǎn)變阻器式傳感器特點(diǎn)一、電阻式傳感器一、電阻式傳感器132(1)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且性能穩(wěn)定；結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且性能穩(wěn)定；(2)受環(huán)境因素受環(huán)境因素(如溫度、濕度、電磁場(chǎng)干擾等如溫度、濕度、電磁場(chǎng)干擾等)影響小；影響小；(3)可以實(shí)現(xiàn)輸出可以實(shí)現(xiàn)輸出輸入間任意函數(shù)關(guān)系；輸入間任意函數(shù)關(guān)系；(4)輸出信號(hào)強(qiáng)，一般不需放大。輸出信號(hào)強(qiáng)，一般不需放大。優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：(1)電刷與線圈或電阻膜之間存在摩擦磨損；電刷與線圈或電阻膜之間存在摩擦磨損；(2)分辨力較低（分辨力較低（e2輸出電壓是交流量，其幅值與鐵心位移成正比。輸出電壓

4、是交流量，其幅值與鐵心位移成正比。 當(dāng)當(dāng)初級(jí)線圈初級(jí)線圈w加交流電時(shí)，次級(jí)線圈加交流電時(shí)，次級(jí)線圈w1、w2分別產(chǎn)生感應(yīng)分別產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)電勢(shì)e1和和e2 。l 鐵心鐵心p在中間位置時(shí)，在中間位置時(shí)， e1=e2，輸出，輸出e0=0；l 鐵心向上運(yùn)動(dòng)，鐵心向上運(yùn)動(dòng)， e1e2 ，輸出，輸出e00 ；l 鐵心向下運(yùn)動(dòng)，鐵心向下運(yùn)動(dòng)， e1e2 ，輸出，輸出e00 。三、電感式傳感器三、電感式傳感器 a.輸出電壓用交流電壓表指示，輸出值只能反映鐵心位移輸出電壓用交流電壓表指示，輸出值只能反映鐵心位移的大小，不能反映移動(dòng)的極性。的大小，不能反映移動(dòng)的極性。三、電感式傳感器三、電感式傳感器 b.交流電壓

5、輸出存在交流電壓輸出存在零點(diǎn)殘余電壓零點(diǎn)殘余電壓鐵鐵心在中間位置時(shí)，輸出不為零。心在中間位置時(shí)，輸出不為零。原因：原因：兩個(gè)次級(jí)線圈結(jié)構(gòu)不對(duì)稱，以及兩個(gè)次級(jí)線圈結(jié)構(gòu)不對(duì)稱，以及初級(jí)線圈銅損電阻、鐵磁材質(zhì)不均勻、線圈初級(jí)線圈銅損電阻、鐵磁材質(zhì)不均勻、線圈間分布電容等形成。間分布電容等形成。解決措施：解決措施：后續(xù)電路采用后續(xù)電路采用差動(dòng)直流電路差動(dòng)直流電路，反映鐵心位，反映鐵心位移極性，補(bǔ)償殘余電壓。移極性，補(bǔ)償殘余電壓。 3)應(yīng)用應(yīng)用 厚度，角度，表面粗糙度；拉伸，壓縮，垂直度；厚度，角度，表面粗糙度；拉伸，壓縮，垂直度； 壓力，壓力，流量，液位；張力，重力，負(fù)荷量；扭矩，流量，液位；張力，重

6、力，負(fù)荷量；扭矩， 應(yīng)力；溫度應(yīng)力；溫度;振振動(dòng)，速度，加速度動(dòng)，速度，加速度應(yīng)用一：應(yīng)用一：鋼板厚度測(cè)量鋼板厚度測(cè)量 應(yīng)用二：應(yīng)用二：鋼絲繩張力測(cè)量鋼絲繩張力測(cè)量三、電感式傳感器三、電感式傳感器 一、一、 壓電式傳感器壓電式傳感器 1. 工作原理工作原理: 壓電效應(yīng)壓電效應(yīng)l 壓電材料受到外力作用時(shí)，幾何尺寸發(fā)生壓電材料受到外力作用時(shí)，幾何尺寸發(fā)生變化，表面會(huì)產(chǎn)生電荷；當(dāng)外力去掉時(shí)，又變化，表面會(huì)產(chǎn)生電荷；當(dāng)外力去掉時(shí)，又重新回到原來(lái)的狀態(tài)重新回到原來(lái)的狀態(tài)正壓電效應(yīng)正壓電效應(yīng)。第三節(jié)第三節(jié) 發(fā)電型傳感器發(fā)電型傳感器l 壓電效應(yīng)可逆。壓電效應(yīng)可逆。l 逆壓電效應(yīng)逆壓電效應(yīng)將壓將壓電材料置于電

7、場(chǎng)中，其電材料置于電場(chǎng)中，其幾何尺寸發(fā)生變化（機(jī)幾何尺寸發(fā)生變化（機(jī)械變形）。械變形）。 2. 壓電材料壓電材料 具有壓電效應(yīng)的材料具有壓電效應(yīng)的材料壓電材料。壓電材料。 1)天然材料：石英、電石。天然材料：石英、電石。 2)合成材料合成材料 ：人造多晶體。鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛：人造多晶體。鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛(pzt)。 3)高分子壓電薄膜：聚偏二氟乙烯高分子壓電薄膜：聚偏二氟乙烯(pvdf)，用于微壓測(cè)量，用于微壓測(cè)量和機(jī)器人觸覺(jué)的新型壓電材料。和機(jī)器人觸覺(jué)的新型壓電材料。 一、一、 壓電式傳感器壓電式傳感器 天然石英晶體結(jié)構(gòu)形狀為一個(gè)六角形晶柱，兩端為一天然石英晶體結(jié)構(gòu)形狀為一個(gè)六角形晶柱，兩端

8、為一對(duì)稱對(duì)稱棱錐棱錐。在晶體學(xué)中，用三根互相垂直的軸表示?？v。在晶體學(xué)中，用三根互相垂直的軸表示。縱軸軸z稱稱光軸光軸，通過(guò)六棱線而垂直于光軸的，通過(guò)六棱線而垂直于光軸的x軸稱軸稱電軸電軸，與與x-x軸和軸和z-z軸垂直的軸垂直的y-y軸軸 (垂直于六棱柱體的棱面垂直于六棱柱體的棱面)稱稱機(jī)械軸機(jī)械軸。 一、一、 壓電式傳感器壓電式傳感器 從石英晶體中切下一個(gè)平行六面體并使其晶面分別平行于從石英晶體中切下一個(gè)平行六面體并使其晶面分別平行于z-z、y-y、x-x軸線。晶片在正常情況下呈現(xiàn)電性，若對(duì)其施力，軸線。晶片在正常情況下呈現(xiàn)電性，若對(duì)其施力，則有不同的效應(yīng)。則有不同的效應(yīng)。l 通常把沿電軸

9、通常把沿電軸(x軸軸)方向的作用力產(chǎn)生的壓電效應(yīng)稱方向的作用力產(chǎn)生的壓電效應(yīng)稱“縱向壓縱向壓電效應(yīng)電效應(yīng)”，壓電式傳感器主要是，壓電式傳感器主要是利用縱向壓電效應(yīng)利用縱向壓電效應(yīng)。 l 把沿機(jī)械軸把沿機(jī)械軸(y軸軸)方向的作用力產(chǎn)生的壓電效應(yīng)稱方向的作用力產(chǎn)生的壓電效應(yīng)稱“橫向壓電橫向壓電效應(yīng)效應(yīng)”；l 沿相對(duì)兩棱加力時(shí)，產(chǎn)生沿相對(duì)兩棱加力時(shí)，產(chǎn)生切向效應(yīng)切向效應(yīng)。l 沿光軸沿光軸(z軸軸)方向的作用力不產(chǎn)生壓電效應(yīng)。方向的作用力不產(chǎn)生壓電效應(yīng)。一、一、 壓電式傳感器壓電式傳感器 如果施加于壓電晶片的外力如果施加于壓電晶片的外力不變，積聚在極板上的電荷又不變，積聚在極板上的電荷又無(wú)泄漏無(wú)泄漏在

10、外力繼續(xù)作用時(shí)，在外力繼續(xù)作用時(shí)，電荷量保持不變。電荷量保持不變。 極板上積聚的電荷與力關(guān)系極板上積聚的電荷與力關(guān)系 q=df 式中，式中，q為電荷量，為電荷量，c；f為作用力，為作用力，n；d為壓電常數(shù)，為壓電常數(shù)，c/n，與材質(zhì)及切片方向有關(guān)。與材質(zhì)及切片方向有關(guān)。 一、一、 壓電式傳感器壓電式傳感器l 要測(cè)得力值要測(cè)得力值f，主要是如何測(cè)得電荷值。，主要是如何測(cè)得電荷值。l 利用壓電式傳感器測(cè)量利用壓電式傳感器測(cè)量(準(zhǔn)準(zhǔn))靜態(tài)量值時(shí)，必須采取靜態(tài)量值時(shí)，必須采取措施使電荷從壓電晶片上經(jīng)測(cè)量電路的漏失減小到足措施使電荷從壓電晶片上經(jīng)測(cè)量電路的漏失減小到足夠小程度。夠小程度。l 而在動(dòng)態(tài)力作

11、用下，電荷可以得到不斷補(bǔ)充而在動(dòng)態(tài)力作用下，電荷可以得到不斷補(bǔ)充壓電壓電傳感器傳感器適宜動(dòng)態(tài)測(cè)量適宜動(dòng)態(tài)測(cè)量(測(cè)量頻率下限測(cè)量頻率下限0.1hz)。 一、一、 壓電式傳感器壓電式傳感器2. 等效電路等效電路 第三節(jié)第三節(jié) 發(fā)電型傳感器發(fā)電型傳感器并聯(lián)：并聯(lián)： 電荷量電荷量電壓電壓電容電容2acc auu 2aqq 串聯(lián)：串聯(lián)： 電荷量電荷量電壓電壓電容電容aqq 2auu /2acc 2acc l 并聯(lián)：并聯(lián)：電容量大，輸出電荷量大，時(shí)間常數(shù)大，適電容量大，輸出電荷量大，時(shí)間常數(shù)大，適于測(cè)量緩變信號(hào)，輸出信號(hào)為電荷；于測(cè)量緩變信號(hào)，輸出信號(hào)為電荷；l 串聯(lián)：串聯(lián)：電容量小，輸出電壓大，輸出信號(hào)

12、為電壓。電容量小，輸出電壓大，輸出信號(hào)為電壓。 傳感器輸出電信號(hào)微弱，通常把傳感器信號(hào)先輸入到傳感器輸出電信號(hào)微弱，通常把傳感器信號(hào)先輸入到高輸入阻抗的前置放大器中，經(jīng)過(guò)阻抗交換后，用一般高輸入阻抗的前置放大器中，經(jīng)過(guò)阻抗交換后，用一般的放大檢波電路再將信號(hào)輸入到指示儀表或記錄器中。的放大檢波電路再將信號(hào)輸入到指示儀表或記錄器中。 第三節(jié)第三節(jié) 發(fā)電型傳感器發(fā)電型傳感器 壓電式傳感器是一個(gè)具壓電式傳感器是一個(gè)具有一定電容的電荷源。有一定電容的電荷源。0aquc3. 壓電傳感器應(yīng)用注意問(wèn)題壓電傳感器應(yīng)用注意問(wèn)題1) 不適用于靜態(tài)、準(zhǔn)靜態(tài)信號(hào)測(cè)量；不適用于靜態(tài)、準(zhǔn)靜態(tài)信號(hào)測(cè)量；2)電纜噪聲易混入信

13、號(hào)中被放大電纜噪聲易混入信號(hào)中被放大 減小電纜噪聲減小電纜噪聲方方法法：l 在使用中固定好傳感器的引出電纜；在使用中固定好傳感器的引出電纜；l 選用低噪聲的同軸電纜。選用低噪聲的同軸電纜。3)接地回路噪聲接地回路噪聲 壓電傳感器接入二次測(cè)量線路或儀表構(gòu)成測(cè)試系統(tǒng)壓電傳感器接入二次測(cè)量線路或儀表構(gòu)成測(cè)試系統(tǒng)后，由于不同電位處多點(diǎn)接地，形成接地回路和回路后，由于不同電位處多點(diǎn)接地，形成接地回路和回路電流所致。電流所致。 克服：克服：消除接地回路消除接地回路 一、一、 壓電式傳感器壓電式傳感器4. 應(yīng)用應(yīng)用2) 加速度計(jì)，力傳感器加速度計(jì)，力傳感器 1) 壓力傳感器壓力傳感器一、一、 壓電式傳感器壓

14、電式傳感器基本構(gòu)成：基本構(gòu)成：質(zhì)量塊、質(zhì)量塊、壓電晶體、壓緊彈簧、壓電晶體、壓緊彈簧、金屬基座。金屬基座。(一一)變換原理變換原理 基于電磁感應(yīng)原理，把被測(cè)物理量轉(zhuǎn)換為感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)基于電磁感應(yīng)原理，把被測(cè)物理量轉(zhuǎn)換為感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的傳感器。的傳感器。 當(dāng)匝數(shù)為當(dāng)匝數(shù)為w的線圈切割磁力線運(yùn)動(dòng)或穿過(guò)線圈的的線圈切割磁力線運(yùn)動(dòng)或穿過(guò)線圈的磁通發(fā)生變化時(shí)，感應(yīng)線圈的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)磁通發(fā)生變化時(shí)，感應(yīng)線圈的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)e),(ddddvrbwemtt 磁通變化率與磁場(chǎng)強(qiáng)度、磁阻、線圈運(yùn)動(dòng)速度有關(guān)，改磁通變化率與磁場(chǎng)強(qiáng)度、磁阻、線圈運(yùn)動(dòng)速度有關(guān)，改變其中一個(gè)參數(shù)，都會(huì)改變線圈的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。變其中一個(gè)參數(shù)，都會(huì)改變線圈

15、的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。 二、磁電式傳感器二、磁電式傳感器(二二) 分類分類 按照結(jié)構(gòu)方式不同，分動(dòng)圈式與磁阻式。按照結(jié)構(gòu)方式不同，分動(dòng)圈式與磁阻式。磁磁電電式式動(dòng)圈式動(dòng)圈式線速度型線速度型角速度型角速度型磁阻式磁阻式n二、磁電式傳感器二、磁電式傳感器1. 動(dòng)圈式傳感器動(dòng)圈式傳感器 在在b、l、w不變時(shí)，不變時(shí)，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與線圈相對(duì)磁場(chǎng)的運(yùn)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與線圈相對(duì)磁場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)速度成正比。動(dòng)速度成正比。 若線圈在恒定磁場(chǎng)中作直線運(yùn)動(dòng)，并切割磁力線時(shí)，若線圈在恒定磁場(chǎng)中作直線運(yùn)動(dòng)，并切割磁力線時(shí)，則線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電勢(shì)為則線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電勢(shì)為sinsinddwblvtxwble二、磁電式傳感器二、磁電式傳感器 若線

16、圈相對(duì)磁場(chǎng)作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)切割磁力線時(shí)，則線圈若線圈相對(duì)磁場(chǎng)作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)切割磁力線時(shí)，則線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為sinwbae 在在b、a、w不變時(shí)，不變時(shí)，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與線圈相對(duì)磁場(chǎng)的角感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與線圈相對(duì)磁場(chǎng)的角速度成正比。速度成正比。二、磁電式傳感器二、磁電式傳感器2. 磁阻式傳感器磁阻式傳感器(變磁通式傳感器變磁通式傳感器) 線圈和磁鐵靜止不動(dòng)，利用導(dǎo)磁材料制成的測(cè)量齒輪線圈和磁鐵靜止不動(dòng)，利用導(dǎo)磁材料制成的測(cè)量齒輪安裝在被測(cè)旋轉(zhuǎn)體上，不斷改變磁路的磁阻，改變貫穿安裝在被測(cè)旋轉(zhuǎn)體上，不斷改變磁路的磁阻，改變貫穿線圈的磁通量，使線圈產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)。線圈的磁通量，使線圈產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)。

17、二、磁電式傳感器二、磁電式傳感器圖圖 磁阻式傳感器工作原理磁阻式傳感器工作原理(a) (a) 測(cè)頻數(shù)測(cè)頻數(shù) (b) (b) 測(cè)轉(zhuǎn)速測(cè)轉(zhuǎn)速 (c) (c) 偏心測(cè)量偏心測(cè)量 (d) (d) 振動(dòng)測(cè)量振動(dòng)測(cè)量2. 磁阻式傳感器磁阻式傳感器(變磁通式傳感器變磁通式傳感器)l 磁阻式傳感器一般做成轉(zhuǎn)速傳感器，利用磁通變化磁阻式傳感器一般做成轉(zhuǎn)速傳感器，利用磁通變化產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。l 電勢(shì)的頻率作為輸出，而電動(dòng)勢(shì)的頻率取決于磁通電勢(shì)的頻率作為輸出，而電動(dòng)勢(shì)的頻率取決于磁通變化的頻率。變化的頻率。l 磁阻式轉(zhuǎn)速傳感器在結(jié)構(gòu)上分開(kāi)磁路和閉磁路兩種。磁阻式轉(zhuǎn)速傳感器在結(jié)構(gòu)上分開(kāi)磁路和閉磁路兩種

18、。二、磁電式傳感器二、磁電式傳感器 測(cè)量時(shí)，測(cè)量時(shí)，殼體殼體固定在一個(gè)試件上，固定在一個(gè)試件上，頂桿頂桿頂住另一試頂住另一試件，線圈在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)速度就是兩試件的相對(duì)速度。件，線圈在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)速度就是兩試件的相對(duì)速度。速度計(jì)的輸出電壓與兩試件的相對(duì)速度成正比。速度計(jì)的輸出電壓與兩試件的相對(duì)速度成正比。 相對(duì)式速度傳感器可測(cè)量的最低頻率接近于零。相對(duì)式速度傳感器可測(cè)量的最低頻率接近于零。 二、磁電式傳感器二、磁電式傳感器(三三) 應(yīng)用應(yīng)用l 磁電式相對(duì)速度傳感器磁電式相對(duì)速度傳感器二、磁電式傳感器二、磁電式傳感器l 彈簧片彈簧片1徑向剛度很大，能將心軸組件可靠地支撐在所需的徑向徑向剛度很大，能將心

19、軸組件可靠地支撐在所需的徑向位置上。位置上。l 當(dāng)殼體當(dāng)殼體3與被測(cè)物體一起振動(dòng)，且振動(dòng)頻率較高時(shí)，由于與被測(cè)物體一起振動(dòng)，且振動(dòng)頻率較高時(shí)，由于心軸組心軸組件質(zhì)量很大件質(zhì)量很大，產(chǎn)生很大的慣性力，阻止心軸隨殼體一起運(yùn)動(dòng)。，產(chǎn)生很大的慣性力，阻止心軸隨殼體一起運(yùn)動(dòng)。l 當(dāng)當(dāng)振動(dòng)頻率高到一定程度振動(dòng)頻率高到一定程度時(shí)，可認(rèn)為心軸組件基本不動(dòng)，只是殼時(shí)，可認(rèn)為心軸組件基本不動(dòng)，只是殼體隨被測(cè)物體振動(dòng)體隨被測(cè)物體振動(dòng)線圈與振動(dòng)體的振動(dòng)速度切割磁力線而產(chǎn)生感線圈與振動(dòng)體的振動(dòng)速度切割磁力線而產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，測(cè)得物體的絕對(duì)振動(dòng)速應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，測(cè)得物體的絕對(duì)振動(dòng)速度。度。 1-彈簧片彈簧片; 2-心軸心軸;

20、3-外殼外殼; 4-阻尼器阻尼器; 5-磁鋼磁鋼; 6-工作線圈工作線圈;7-引線引線l 磁電式絕對(duì)速度傳感器磁電式絕對(duì)速度傳感器 1. 霍爾效應(yīng)霍爾效應(yīng) 將半導(dǎo)體薄片放入垂直于半導(dǎo)體表面的磁場(chǎng)中，在將半導(dǎo)體薄片放入垂直于半導(dǎo)體表面的磁場(chǎng)中，在半導(dǎo)體的半導(dǎo)體的(a,b)兩端通以電流，則在半導(dǎo)體兩側(cè)面兩端通以電流，則在半導(dǎo)體兩側(cè)面(c,d)產(chǎn)產(chǎn)生與控制電流和磁場(chǎng)強(qiáng)度乘積呈正比的電動(dòng)勢(shì)。生與控制電流和磁場(chǎng)強(qiáng)度乘積呈正比的電動(dòng)勢(shì)。 三、霍爾式傳感器三、霍爾式傳感器 半導(dǎo)體薄片置于磁場(chǎng)中，當(dāng)有電流流過(guò)時(shí)，在垂直半導(dǎo)體薄片置于磁場(chǎng)中，當(dāng)有電流流過(guò)時(shí)，在垂直于電流和磁場(chǎng)的方向上將產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象于電流和磁

21、場(chǎng)的方向上將產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象霍爾霍爾效應(yīng)。效應(yīng)。 產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)霍爾電勢(shì)；霍爾電勢(shì)； 半導(dǎo)體薄片半導(dǎo)體薄片霍爾元件。霍爾元件。 工作原理工作原理 當(dāng)磁場(chǎng)垂直于半導(dǎo)體薄片作用，而在沿半導(dǎo)體長(zhǎng)度方當(dāng)磁場(chǎng)垂直于半導(dǎo)體薄片作用，而在沿半導(dǎo)體長(zhǎng)度方向有電流流過(guò)時(shí)，由于半導(dǎo)體中的電子向有電流流過(guò)時(shí)，由于半導(dǎo)體中的電子(載流子載流子)在磁場(chǎng)在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)，使電子受到中運(yùn)動(dòng)，使電子受到洛倫茲力洛倫茲力fl作用。作用。 n型半導(dǎo)體材料，載流子為電子；型半導(dǎo)體材料，載流子為電子；p型半導(dǎo)體材料，載型半導(dǎo)體材料，載流子為空穴。流子為空穴。 三、霍爾式傳感器三、霍爾式傳感器洛倫茲力洛倫茲力 lfevbl 在洛

22、倫茲力作用下，電子被推向一側(cè)形成電子積在洛倫茲力作用下，電子被推向一側(cè)形成電子積（負(fù)電荷），在另一側(cè)形成正電荷積累（負(fù)電荷），在另一側(cè)形成正電荷積累電場(chǎng)電場(chǎng)。l 電場(chǎng)力電場(chǎng)力fe阻止電子向該側(cè)面繼續(xù)偏移。阻止電子向該側(cè)面繼續(xù)偏移。 三、霍爾式傳感器三、霍爾式傳感器l 洛倫茲力洛倫茲力fl = 電場(chǎng)力電場(chǎng)力fe時(shí)，電子積累達(dá)到動(dòng)平衡。時(shí)，電子積累達(dá)到動(dòng)平衡。l 此時(shí)在兩側(cè)面建立的電場(chǎng)此時(shí)在兩側(cè)面建立的電場(chǎng)霍爾電場(chǎng)，相應(yīng)的電霍爾電場(chǎng)，相應(yīng)的電勢(shì)勢(shì)霍爾電勢(shì)霍爾電勢(shì)uh 。 hehufeeebhuevbebhubvb三、霍爾式傳感器三、霍爾式傳感器電場(chǎng)力電場(chǎng)力lfevb流經(jīng)載流體的電流與載流子運(yùn)動(dòng)速度

23、之間關(guān)系流經(jīng)載流體的電流與載流子運(yùn)動(dòng)速度之間關(guān)系 nevbdi nebdiv rh霍爾常數(shù)霍爾常數(shù)，取決于載流體材料物理性質(zhì)，取決于載流體材料物理性質(zhì)，rh= 1/ne；kh 霍爾元件靈敏度霍爾元件靈敏度，表示霍爾元件在單位磁感應(yīng)強(qiáng)度，表示霍爾元件在單位磁感應(yīng)強(qiáng)度和單位激勵(lì)電流作用下霍爾電勢(shì)大小，和單位激勵(lì)電流作用下霍爾電勢(shì)大小，mv/mat。kh= 1/ned 金屬材料電子密度金屬材料電子密度n大，不適合做霍爾元件；霍大，不適合做霍爾元件；霍爾元件做成薄片（爾元件做成薄片（d?。┬。﹉hh1biur bik binedd三、霍爾式傳感器三、霍爾式傳感器hubvb 基于霍爾效應(yīng)工作的半導(dǎo)體器件

24、稱為霍爾元件，霍基于霍爾效應(yīng)工作的半導(dǎo)體器件稱為霍爾元件，霍爾元件多采用爾元件多采用n型半導(dǎo)體材料。型半導(dǎo)體材料。 霍爾元件由霍爾片、四根引線和殼體組成?；魻栐苫魻柶⑺母€和殼體組成。 2. 霍爾元件結(jié)構(gòu)霍爾元件結(jié)構(gòu)三、霍爾式傳感器三、霍爾式傳感器 霍爾片是半導(dǎo)體單晶薄片霍爾片是半導(dǎo)體單晶薄片(一般一般4mm2mm0.1mm)，在其長(zhǎng)度方向兩端面上焊有在其長(zhǎng)度方向兩端面上焊有a、b兩根引線兩根引線(控制電流端引控制電流端引線線)，通常用紅色導(dǎo)線，其焊接處稱為，通常用紅色導(dǎo)線，其焊接處稱為控制電極控制電極；在另兩；在另兩側(cè)端面焊有側(cè)端面焊有c、d兩根霍爾輸出引線，通常用綠色導(dǎo)線，其兩根霍

25、爾輸出引線，通常用綠色導(dǎo)線，其焊接處稱為焊接處稱為霍爾電極霍爾電極。 霍爾元件殼體用非導(dǎo)磁金屬、陶瓷或環(huán)氧樹(shù)脂封裝?；魻栐んw用非導(dǎo)磁金屬、陶瓷或環(huán)氧樹(shù)脂封裝。 三、霍爾式傳感器三、霍爾式傳感器3. 應(yīng)用應(yīng)用l 霍爾元件置于磁場(chǎng)中，左半部磁場(chǎng)方向向上，右半部磁場(chǎng)方霍爾元件置于磁場(chǎng)中，左半部磁場(chǎng)方向向上，右半部磁場(chǎng)方向向下；向向下；l從從 a端通電流端通電流i左半部產(chǎn)生霍爾電勢(shì)左半部產(chǎn)生霍爾電勢(shì)vh1，右半部產(chǎn)生霍爾電，右半部產(chǎn)生霍爾電勢(shì)勢(shì)vh2，其方向相反，其方向相反 c、d兩端電勢(shì)為兩端電勢(shì)為vh1 vh2 。l 如果霍爾元件在初始位置時(shí)如果霍爾元件在初始位置時(shí)vh1 = vh2 ，則輸出

26、為零；，則輸出為零；l 改變磁極系統(tǒng)與霍爾元件的相對(duì)位置時(shí)，即可得到輸出電壓，改變磁極系統(tǒng)與霍爾元件的相對(duì)位置時(shí)，即可得到輸出電壓，其大小正比于位移量。其大小正比于位移量。 三、霍爾式傳感器三、霍爾式傳感器磁場(chǎng)變化磁場(chǎng)變化霍爾電勢(shì)霍爾電勢(shì)(a) (a) 角位移角位移 (b) (b) 線位移線位移 (c) (c) 加速度加速度 (d) (d) 零件計(jì)數(shù)零件計(jì)數(shù) (e) (e) 轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)速 (f) (f) 壓力壓力霍爾元件工程測(cè)量應(yīng)用霍爾元件工程測(cè)量應(yīng)用將溫度變化轉(zhuǎn)換為電量變化的傳感器將溫度變化轉(zhuǎn)換為電量變化的傳感器熱電偶溫度計(jì)熱電偶溫度計(jì) (一一)熱電偶測(cè)溫原理熱電偶測(cè)溫原理 基于兩種不同材料的熱

27、電效應(yīng)：基于兩種不同材料的熱電效應(yīng)：由兩種不同的導(dǎo)體由兩種不同的導(dǎo)體(或半導(dǎo)體或半導(dǎo)體)組成的閉合回路，當(dāng)兩導(dǎo)體組成的閉合回路，當(dāng)兩導(dǎo)體a和和b的兩個(gè)結(jié)的兩個(gè)結(jié)點(diǎn)處溫度不同時(shí)，回路中產(chǎn)生熱電勢(shì)。點(diǎn)處溫度不同時(shí)，回路中產(chǎn)生熱電勢(shì)。 簡(jiǎn)單熱電測(cè)溫系統(tǒng)簡(jiǎn)單熱電測(cè)溫系統(tǒng) 基本要求：基本要求：在所測(cè)溫度范在所測(cè)溫度范圍內(nèi)具有較好的靈敏度和圍內(nèi)具有較好的靈敏度和直線性；熔點(diǎn)足夠高，物直線性；熔點(diǎn)足夠高，物理化學(xué)性能穩(wěn)定；導(dǎo)電性理化學(xué)性能穩(wěn)定；導(dǎo)電性和抗氧化性能好，電阻溫和抗氧化性能好，電阻溫度系數(shù)小等度系數(shù)小等四、熱電式傳感器四、熱電式傳感器(二二) 熱電勢(shì)熱電勢(shì)1. 接觸電勢(shì)：電子從自由電子接觸電勢(shì)：電子從自由電子密度高的材料向低的材料流動(dòng)。密度高的材料向低的材料流動(dòng)。)( teab)(0teab2. 溫差電勢(shì)：電子從高溫端向溫差電勢(shì)：電子從高溫端向低溫端流動(dòng)。低溫端流動(dòng)。),(0ttea),(0tteb3. 總熱電勢(shì)總熱