智能傳感與檢測(cè)技術(shù) 第7章習(xí)題答案

第7章思考題與習(xí)題填空題霍爾傳感器是一種磁敏傳感器，它是把磁學(xué)物理量轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的裝置，廣泛應(yīng)用于自動(dòng)控制、信息傳遞、電磁測(cè)量、生物醫(yī)學(xué)等各個(gè)領(lǐng)域。它的最大特點(diǎn)是非接觸測(cè)量。2.霍爾電勢(shì)UH與輸入電流I及磁感應(yīng)強(qiáng)度B成正比，其靈敏度KH與霍爾系數(shù)RH成正比而與霍爾片厚度d成反比。所以，為了提高靈敏度，霍爾元件常制成薄片形狀。3.霍爾元件的結(jié)構(gòu)很簡(jiǎn)單，它通常由霍爾片、引線和殼體組成。4.半導(dǎo)體材料的電阻率隨磁場(chǎng)強(qiáng)度的增強(qiáng)而變大，這種現(xiàn)象稱(chēng)為磁阻效應(yīng)，利用磁阻效應(yīng)制成的元件稱(chēng)為磁敏電阻。二、簡(jiǎn)答題1.簡(jiǎn)述你理解中的霍爾效應(yīng)。1879年，美國(guó)物理學(xué)家霍爾（E.H.Hall）經(jīng)過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：如果讓一恒定電流通過(guò)一金屬或半導(dǎo)體薄片，并將薄片置于強(qiáng)磁場(chǎng)中，在金屬薄片的另外兩側(cè)將產(chǎn)生與磁場(chǎng)強(qiáng)度成正比的電動(dòng)勢(shì)，這個(gè)現(xiàn)象后來(lái)被人們稱(chēng)為霍爾效應(yīng)。假設(shè)霍爾元件為N型半導(dǎo)體薄片，薄片厚度為d，磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的磁場(chǎng)方向垂直于薄片。在薄片前后兩端通以控制電流I，那么半導(dǎo)體中的載流子（電子）將沿著與電流I相反的方向運(yùn)動(dòng)。由于外磁場(chǎng)B的作用，使電子受到洛侖茲力FL而發(fā)生偏轉(zhuǎn)，結(jié)果在半導(dǎo)體的右端面上電子積累帶負(fù)電，而左端面缺少電子帶正電，在半導(dǎo)體的左右端面間形成電場(chǎng)。該電場(chǎng)產(chǎn)生的電場(chǎng)力FE阻止電子繼續(xù)偏轉(zhuǎn)。當(dāng)FE和FL相等時(shí)，電子積累達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。這時(shí)在半導(dǎo)體左右兩端面之間（即垂直于電流和磁場(chǎng)方向）建立電場(chǎng)，稱(chēng)為霍爾電場(chǎng)EH，相應(yīng)的電勢(shì)UH稱(chēng)為霍爾電勢(shì)。2.制成霍爾元件常用的材料有哪些？1948年以后，由于半導(dǎo)體技術(shù)迅速發(fā)展，人們找到了霍爾效應(yīng)比較明顯的半導(dǎo)體材料，并制成了銻化銦、砷化鎵、砷化銦、硅、鍺等材料的霍爾元件。目前常用的霍爾元件材料是N型硅，它的靈敏度、溫度特性、線性度均較好。3.簡(jiǎn)述集成霍爾傳感器的分類(lèi)、特點(diǎn)及應(yīng)用場(chǎng)合。集成霍爾傳感器的輸出是經(jīng)過(guò)處理的霍爾輸出信號(hào)。其輸出信號(hào)快，傳送過(guò)程中無(wú)抖動(dòng)現(xiàn)象，且功耗低，對(duì)溫度的變化是穩(wěn)定的，靈敏度與磁場(chǎng)移動(dòng)速度無(wú)關(guān)。按照輸出信號(hào)的形式，可以分為開(kāi)關(guān)集成霍爾傳感器和線性集成霍爾傳感器兩種類(lèi)型。線性集成霍爾傳感器線性集成霍爾傳感器主要由霍爾元件、恒流源、放大電路組成，由恒流源提供穩(wěn)定的激勵(lì)電流，霍爾電勢(shì)輸出接入放大電路，輸出電壓較高，應(yīng)用廣泛。集成電路的輸出電壓與霍爾元件感受的磁場(chǎng)變化近似呈線性關(guān)系。它主要用于對(duì)被測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行線性測(cè)量的場(chǎng)合，如角位移、壓力、電流等的測(cè)量。開(kāi)關(guān)集成霍爾傳感器開(kāi)關(guān)集成霍爾傳感器是利用霍爾效應(yīng)與集成電路技術(shù)制成的一種傳感器，以開(kāi)關(guān)信號(hào)形式輸出?；魻栭_(kāi)關(guān)集成器件具有使用壽命長(zhǎng)、無(wú)觸電磨損、元火花干擾、工作頻率高、溫度特性好及能適應(yīng)惡劣環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)。常用的開(kāi)關(guān)集成霍爾傳感器由霍爾元件、放大電路、施密特觸發(fā)器等部分組成。穩(wěn)壓電路可使傳感器在較寬的電源電壓范圍內(nèi)工作，開(kāi)關(guān)輸出可使該電路方便地與各邏輯電路連接。4.簡(jiǎn)述磁敏二極管的工作原理。當(dāng)磁敏二極管未受到外界磁場(chǎng)作用，且外加如圖7-16a所示的正偏壓時(shí)，則有大量的空穴從P區(qū)通過(guò)I區(qū)進(jìn)入N區(qū)，同時(shí)也有大量電子注入P區(qū)而形成電流。只有一部分電子和空穴在I區(qū)復(fù)合掉。當(dāng)磁敏二極管受到如圖7-16b所示的外界磁場(chǎng)H+（正向磁場(chǎng)）作用時(shí)，電子和空穴受到洛侖茲力的作用而向r區(qū)偏轉(zhuǎn)。由于r區(qū)的電子和空穴復(fù)合速度比光滑面I區(qū)快，所以，內(nèi)部參與導(dǎo)電的載流子數(shù)目減少，因此，外電路電流減小。磁場(chǎng)強(qiáng)度越強(qiáng)，電子和空穴受到洛侖茲力就越大，單位時(shí)間內(nèi)進(jìn)入r區(qū)復(fù)合的電子和空穴數(shù)量就越多，外電路的電流就越小。a)不受磁場(chǎng)作用時(shí)b)受正向磁場(chǎng)作用時(shí)c)受反向磁場(chǎng)作用時(shí)圖7-16磁敏二極管工作原理當(dāng)磁敏二極管受到如圖7-16c所示的外界磁場(chǎng)片H-（反向磁場(chǎng)）作用時(shí)，則電子和空穴受到洛侖茲力作用而向I區(qū)偏移；則外電路的電流比不受外界磁場(chǎng)作用時(shí)大。利用磁敏二極管的正向?qū)娏麟S磁場(chǎng)強(qiáng)度的變化而變化的特性，即可實(shí)現(xiàn)磁電轉(zhuǎn)換。三、綜合應(yīng)用題1.圖7-22是利用霍爾傳感器構(gòu)成的一個(gè)自動(dòng)供水裝置，請(qǐng)分析其工作原理。圖7-22利用霍爾傳感器的自動(dòng)供水裝置鍋爐中的水由電磁閥控制流出與關(guān)閉。電磁閥的打開(kāi)與關(guān)閉，則受控于控制電路。打水時(shí)，需將鐵制的取水卡從投放口投人，取水卡沿非磁性物質(zhì)制作的滑槽向下滑行，當(dāng)滑行到磁傳感部位時(shí)，傳感器輸出信號(hào)經(jīng)控制電路驅(qū)動(dòng)電磁閥打開(kāi)，讓水從水龍頭流出。延時(shí)一定時(shí)間后，控制電路使電磁閥關(guān)閉，水流停止。2.設(shè)計(jì)一種霍爾式液位控制器，要求：①當(dāng)液位高于某一設(shè)定值時(shí)，水泵停止運(yùn)轉(zhuǎn)。②儲(chǔ)液罐是密閉的，只允許在儲(chǔ)液罐的玻璃連通器外壁和管腔內(nèi)確定磁路和安裝霍爾元件。③畫(huà)出磁路和霍爾元件及水泵的設(shè)置圖；畫(huà)出控制電路原理框圖；簡(jiǎn)要說(shuō)明該檢測(cè)、控制系統(tǒng)的工作過(guò)程?；魻栐八玫脑O(shè)置圖：檢測(cè)、控制系統(tǒng)的工作過(guò)程：液位測(cè)量原理是利用漂浮在被測(cè)液面的浮子的位置來(lái)判斷液面高度的。浮子漂浮在液面上，隨液位高低上下浮動(dòng)；浮子內(nèi)裝有環(huán)形磁鐵，磁鐵產(chǎn)生了沿不銹鋼保護(hù)管軸向的穩(wěn)定磁場(chǎng)；浮球是泡沫材料，可以在液體的浮力作用下隨液位的升高或下降而升降。當(dāng)上升到液位控制器UGN3020調(diào)定好的位置時(shí)，控制開(kāi)關(guān)便發(fā)出控制信號(hào)。工作原理:首先閉合隔離開(kāi)關(guān)Q，220V電源經(jīng)過(guò)降壓、整流、濾波和穩(wěn)壓后得到12V直流電壓供給控制電路?？刂齐娐钒l(fā)出的信號(hào)驅(qū)動(dòng)繼電器kM，然后控制注液電動(dòng)機(jī)啟停。1、液位上升

當(dāng)液面上升時(shí)，液體浮力使浮球浮起，霍爾元件的磁場(chǎng)強(qiáng)度隨之增大，當(dāng)浮球（磁鐵）移動(dòng)到距離霍爾元件UGN3020幾毫米時(shí)，霍爾U