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1、第六章第六章 压电磁敏传感技术压电磁敏传感技术 通通过过本本章章的的学学习习，应应了了解解压压电电传传感感技技术术和和磁磁敏敏传传感感技技术术的的基基本本原原理理，掌掌握握压压电电式式传传感感器器、磁磁敏敏电电阻阻、磁磁敏敏二二极极管管、磁磁敏敏三三极极管管和和霍霍耳耳传传感感器器的的结构结构、特性特性及及使用方法使用方法。 传感器原理与检测技术(课件第一节第一节 压电式传感器压电式传感器 压压电电式式传传感感器器是是一一种种能能量量转转换换型型传传感感器器。它它既既可可以以将将机机械械能能转转换换为为电电能能，又又可可以以将将电电能能转转化化为为机机械械能能。它它的的工工作作原原理理是是基基
2、于于某某些些晶晶体体受受力力后后，在在其其表表面面产产生生电电荷荷的的效效应应。这这类类传传感感器器的的刚刚度度大大、固固有有频频率率高高，一一般般都都在在几几十十千千赫赫以以上上，配配上上适适当当的的电电荷荷放放大大器器，能能在在低低至至接接近近0Hz，高高达达10kHz的的范范围围内内工工作作，尤尤其其适适合合于于测测量量迅迅速速变变化化的的参参数数；其其测测量量值值最最大大可可到到上上百百吨吨力力，最最小小可可分分辨辨出出几几克克力力。该该传传感感器器主主要要是是用用于于动动态态作作用用力力、压压力力和和加加速速度度的的测测量量，近近年年来来得得到到了迅速的发展。了迅速的发展。 传感器原
3、理与检测技术(课件一一压电效应压电效应 某某些些晶晶体体(如如石石英英等等)在在一一定定方方向向的的外外力力作作用用下下，不不仅仅几几何何尺尺寸寸会会发发生生变变化化，而而且且晶晶体体内内部部将将产产生生极极化化现现象象，使使晶晶体体表表面面出出现现电电荷荷形形成成电电场场，当当这这一一外外力力去去除除后后，表表面面又又恢恢复复到到不不带带电电状状态态，这这种种现现象象称称为为压压电电效效应应。具具有有这这种种性性质质的的材材料料，称称为为压压电电材材料料。若若将将压压电电材材料料置置于于电电场场之之中中，其其几几何何尺尺寸寸也也会会发发生生变变化化，这这种种在在外外电电场场作作用用下下导导致
4、致压压电电材材料料产产生生机机械械变变形形的的现现象，称为象，称为电致伸缩效应电致伸缩效应（或（或逆压电效应逆压电效应）。）。传感器原理与检测技术(课件二、二、压电元件对压电材料的要求压电元件对压电材料的要求 1具有较大的压电常数具有较大的压电常数 2压电元件的机械强度高、刚度大并具有较高压电元件的机械强度高、刚度大并具有较高 的固有振动频率。的固有振动频率。 3具有高的电阻率和较大的介电常数，以减少具有高的电阻率和较大的介电常数，以减少 电荷的泄漏以及外部分布电容的影响，获电荷的泄漏以及外部分布电容的影响，获 得良好的低频特性。得良好的低频特性。 4具有较高的居里点（指在压电性能失效时的具有
5、较高的居里点（指在压电性能失效时的 温度转变点）。居里点高可以得到较宽的温度转变点）。居里点高可以得到较宽的 工作温度范围。工作温度范围。 5压电材料的压电特性不随时间蜕变，有较好压电材料的压电特性不随时间蜕变，有较好 的时间稳定性。的时间稳定性。传感器原理与检测技术(课件三、三、常见的压电材料常见的压电材料 1石英晶体石英晶体2水溶性压电晶体水溶性压电晶体3铌酸锂晶体铌酸锂晶体 4压电陶瓷压电陶瓷5压电半导体压电半导体6高分子压电材料高分子压电材料传感器原理与检测技术(课件1 1石英晶体石英晶体 石石英英晶晶体体有有天天然然和和人人工工制制造造两两种种。人人造造石石英英晶晶体体的的物物理理、
6、化化学学性性质质几几乎乎与与天天然然石石英英晶晶体体无无多多大大区区别别，因因此此目目前前广广泛泛应应用用成成本本较较低低的的人人造造石石英英晶晶体体。它它在在几几百百摄摄氏氏度度的的温温度度范范围围内内，压压电电系系数数不不随随温温度度变变化化。石石英英晶晶体体的的居居里里点点为为573，即即到到573时时，它它将将完完全全丧丧失失压压电电特特性性。石石英英晶晶体体有有很很大大的的机机械械强强度度和和稳稳定定的的机机械械性性能能，没没有有热热释释电电效效应应；但但灵灵敏敏度度很很低低，介介电电常常数数小小，因此逐渐被其他压电材料所代替。因此逐渐被其他压电材料所代替。 传感器原理与检测技术(课
7、件2 2水溶性压电晶体水溶性压电晶体 这这 类类 晶晶 体体 有有 酒酒 石石 酸酸 钾钾 钠钠(NaKC4H4O64H2O)、 硫硫 酸酸 锂锂(Li2SO4H2O)、 磷磷 酸酸 二二 氢氢 钾钾(KH2PO4)等等。水水溶溶性性压压电电晶晶体体具具有有较较高高的的压压电电灵灵敏敏度度和和介介电电常常数数；但但易易于于受受潮潮，机机械械强强度度较较低低，只只适适用用在在室室温温和和湿湿度度低低的的环环境境下下工工作。作。传感器原理与检测技术(课件3 3铌酸锂晶体铌酸锂晶体 铌铌酸酸锂锂是是一一种种透透明明单单晶晶，熔熔点点为为1250，居居里里点点为为1210。它它具具有有良良好好的的压压
8、电电性性能能和和时时间间稳稳定定性性，在在耐耐高高温温传传感感器器上上有有广广泛泛的的用用途途，但但成成本本较较高。高。 传感器原理与检测技术(课件4 4压电陶瓷压电陶瓷 它它具具有有烧烧制制方方便便、耐耐湿湿、耐耐高高温温、易易于于成成型型等等特特点，应用最普遍。这类材料可细分以下几种：点，应用最普遍。这类材料可细分以下几种：(1)钛钛酸酸钡钡(BaTiO3)压压电电陶陶瓷瓷：BaCO3和和TiO2在在高高温温下下合合成成，具具有有较较高高压压电电系系数数和和介介电电常常数数。居居里里点点较较低低，为为120，此外机械强度不如石英晶体。，此外机械强度不如石英晶体。(2)锆锆钛钛酸酸铅铅系系压
9、压电电陶陶瓷瓷(PZT)：由由PbTiO3和和PbZrO3组组成成的的固固溶溶体体Pb(ZrTi)O3。具具有有较较高高压压电电系系数数，居居里里点为点为300以上。以上。(3)铌铌酸酸盐盐系系压压电电陶陶瓷瓷：如如铌铌酸酸铅铅具具有有很很高高的的居居里里点点和和较较低低的的介介电电常常数数。铌铌酸酸钾钾的的居居里里点点为为435，常常用用于水声传感器中。于水声传感器中。(4)铌铌镁镁酸酸铅铅压压电电陶陶瓷瓷(PMN)：它它是是一一种种新新型型陶陶瓷瓷，具具有有较较高高的的压压电电系系数数和和居居里里点点，能能够够在在较较高高的的压压力力下下工工作，适合作高温下的力传感器。作，适合作高温下的力
10、传感器。 传感器原理与检测技术(课件5 5压电半导体压电半导体 有有些些晶晶体体既既具具有有半半导导体体特特性性又又同同时时具具有有压压电电性性能能，如如ZnS，CaS，GaAs等等。因因此此既既可可利利用用它它的的压压电电特特性性研研制制传传感感器器，又又可可利利用用半半导导体体特特性性以以微微电电子子技技术术制制成成电电子子器器件件。两两者者结结合合起起来来，就就出出现现了了集集转转换换元元件件和和电电子子线线路路为为一一体体的的新新型型传传感感器器，它它的应用前途非常远大的应用前途非常远大。 传感器原理与检测技术(课件6 6高分子压电材料高分子压电材料 某某些些合合成成高高分分子子聚聚合
11、合物物薄薄膜膜经经延延展展拉拉伸伸和和电电场场极极化化后后，具具有有一一定定的的压压电电性性能能。目目前前这这类类压压电电薄薄膜膜有有聚聚二二氟氟乙乙烯烯(PVF2)、聚聚氟氟乙乙烯烯(PVF)、聚聚氯氯乙乙烯烯(PVC)，聚聚甲甲基基L谷谷氨氨酸酸酯酯(PMG)等等。是是一一种种柔柔软软的的压压电电材料，不易破碎，可大批量生产。材料，不易破碎，可大批量生产。若若将将压压电电陶陶瓷瓷粉粉末末加加入入高高分分子子化化合合物物中中，可可制制成成高高分分子子压压电电陶陶瓷瓷薄薄膜膜，它它既既保保持持了了高高分分子子压压电电薄薄膜膜的的柔柔软软性性，又又具具有有较较高高的的压电系数，是一种很有希望的压
12、电材料。压电系数，是一种很有希望的压电材料。 传感器原理与检测技术(课件四、四、压电元件的常用结构形式压电元件的常用结构形式 压压电电式式传传感感器器常常用用两两片片或或多多片片组组合合在在一一起起使使用用。由由于于压压电电材材料料有有极极性性，因因此此，接接法法有有并并连连和和串串连连两两种种。前前者者的的总总电电容容C=nC(单单片片电电容容)，输输出出电电压压U=U（单单片片电电压压），极极板板的的总总电电荷荷量量Q=nQ(单单片片电电荷荷量量）；后后者者Q=Q，U=nU，C=C/n。 传感器原理与检测技术(课件 在在这这两两种种连连接接方方式式中中，并并连连接接法法输输出出电电荷荷大大
13、，本本身身电电容容大大，因因此此时时间间常常数数也也大大，适适用用于于测测量量缓缓变变信信号号，并并以以电电荷荷量量作作为为输输出出的的场场合合。串串连连接接法法输输出出电电压压高高，本本身身电电容容小小，适适用用于于以以电电压压作作为为输输出出量量以以及及测测量量电路电路输入阻抗很高输入阻抗很高的场合。的场合。 压压电电元元件件在在压压电电传传感感器器中中，必必须须有有一一定定的的预预应应力力，这这样样可可以以保保证证在在作作用用力力变变化化时时，压压电电片片始始终终受受到到压压力力，同同时时也也保保证证了了压电片的输出与作用力的线性关系。压电片的输出与作用力的线性关系。 传感器原理与检测技
14、术(课件五、压电式传感器的测量电路压电式传感器的测量电路 压压电电式式传传感感器器的的输输出出阻阻抗抗很很高高，而而输输出出信信号号微微弱弱，因因此此一一般般不不能能直直接接显显示示和和记记录录。这这种种传传感感器器要要求求测测量量电电路路的的前前级级输输入入端端必必须须有有足足够够高高的的阻阻抗抗，这这样样才才能能防防止止电电荷荷迅迅速速泄泄漏漏，使使测测量量精精度度提提高高。压压电电式式传传感感器器的的前前置置放放大大器器有有两两个个作作用用：一一是是把把传传感感器器的的高高阻阻抗抗输输出出变变换换为为低低阻阻抗抗输输出出；二二是把是把传感器的微弱信号进行放大传感器的微弱信号进行放大。传感
15、器原理与检测技术(课件1 1电压放大器电压放大器 压压电电式式传传感感器器接接电电压压放放大大器器的的等等效效电电路路如如下下图图所所示示。ui为为放放大大器器输输入入电电压压；C=Cc+Ci；R=RaRi/(Ra+Rt); ua=Q/Ca。如如果果压压电电传传感感器器受受力力为为 F=Fmsint，其其中中Fm为为压压电电传传感感器器受受力力的的最大值，则该力在压电元件上产生的电压为：最大值，则该力在压电元件上产生的电压为： 传感器原理与检测技术(课件当当 时，放大器的输入电压为时，放大器的输入电压为 从从上上式式看看，放放大大器器输输入入电电压压近近似似与与被被测测频频率率无无关关。当当改
16、改变变传传感感器器与与前前置置放放大大器器的的电电缆缆长长度度时时，Cc将将改改变变，从从而而引引起起放放大大器器的的输输出出电电压压发发生生变变化化。故故设设计计时时把把电电缆长度定为常数，若改变，需重新校正电压灵敏度。缆长度定为常数，若改变，需重新校正电压灵敏度。 传感器原理与检测技术(课件2 2电荷放大器电荷放大器 它它是是一一种种输输出出电电压压与与输输入入电电荷荷量量成成正正比比的的前前置置放放大大器器。其其等等效效电电路路如如下下图图，Cf为为放放大大器器的的反反馈馈电电容容。若若忽忽略略电电阻阻Ra，Ri及及Rf的影响，则输入到放大器的电荷量为：的影响，则输入到放大器的电荷量为：
17、Qi=Q-Qf 传感器原理与检测技术(课件式中式中A为开环放大倍数。故放大器的输出电压为：为开环放大倍数。故放大器的输出电压为： 当当A1，而而(1+A)CfCi+Cc+Ca时时，放放大大器器输输出出电压可以表示为：电压可以表示为： 电电荷荷放放大大器器的的输输出出电电压压仅仅与与传传感感器器产产生生的的电电荷荷量量和和反馈电容反馈电容Cf有关，而电缆电容等的影响可忽略不计。有关，而电缆电容等的影响可忽略不计。 传感器原理与检测技术(课件六、六、压电式传感器的应用压电式传感器的应用 1测量汽缸中燃烧的爆发力测量汽缸中燃烧的爆发力 2测量冲床压力测量冲床压力 压压电电式式传传感感器器常常用用来来
18、测测量量力力、压压力力、振振动动的的加加速速度度，也也用用于于声声学学和和声发射等领域的相关测量。如：声发射等领域的相关测量。如： 传感器原理与检测技术(课件1 1测量汽缸中燃烧的爆发力测量汽缸中燃烧的爆发力 图图中中将将石石英英力力传传感感器器紧紧固固在在汽汽缸缸盖盖的的紧紧固固螺螺栓栓中中，相相当当于于垫垫圈圈的的作作用用。连连接接电电荷荷放放大大器器和和记记录录仪仪式式峰峰值值电压表即可实现汽缸的爆发力测量。电压表即可实现汽缸的爆发力测量。 传感器原理与检测技术(课件2 2测量冲床压力测量冲床压力 当当测测量量大大力力时时，可可用用两两个个传传感感器器支支承承，或或将将几几个个传传感器沿
19、圆周均布支承，再将求力总和感器沿圆周均布支承，再将求力总和F(属平行力时属平行力时)。 因因有有时时力力的的分分布布不不均均匀匀，各各传传感感器器测测得得力力的的大大小小不不同，故分别测力可以测得更准确。同，故分别测力可以测得更准确。 传感器原理与检测技术(课件第二节第二节 磁敏电阻磁敏电阻 磁磁敏敏电电阻阻是是基基于于磁磁阻阻效效应应的的磁磁敏敏元元件件。它它的的应应用用范范围围比比较较广广，可可以以用用它它制制成成磁磁场场探探测测仪仪、位位移移和和角角度度检检测测器器、安培计以及磁敏交流放大器等。安培计以及磁敏交流放大器等。传感器原理与检测技术(课件一、一、磁阻效应磁阻效应 置置于于磁磁场
20、场中中的的载载流流导导体体的的电电阻阻随随磁磁场场发发生生变变化化的的现现象称为磁阻效应。象称为磁阻效应。 在在磁磁场场中中当当温温度度恒恒定定时时，磁磁阻阻与与磁磁感感应应强强度度B的的平平方方成成正正比比。如如果果器器件件只只是是电电子子参参与与导导电电的的简简单单情情况况，理理论推导出来的磁阻效应方程为：论推导出来的磁阻效应方程为： 式式中中B为为磁磁感感应应强强度度为为B时时的的电电阻阻率率；0为为零零磁磁场场下的电阻率；下的电阻率；为电子迁移率；为电子迁移率；B为磁感应强度。为磁感应强度。 当电阻率变化为当电阻率变化为 时，则电阻率的相对时，则电阻率的相对变化为变化为 可见，磁场一定
21、，迁移率越高的材料，如：可见，磁场一定，迁移率越高的材料，如：lnSb（锑化铟）（锑化铟）、InAs（砷化铟）（砷化铟）和和NiSb（锑化镍）（锑化镍）等半导体材料，其磁阻效应越明显等半导体材料，其磁阻效应越明显 。传感器原理与检测技术(课件二、磁敏电阻的结构二、磁敏电阻的结构 磁磁敏敏电电阻阻的的制制作作方方法法：一一是是在在较较长长元元件件片片上上用用真真空空镀镀膜膜方方法法制制成成图图(a)所所示示的的许许多多短短路路电电极极(光光栅栅状状)的的元元件件；二二是是在在结结晶晶制制作作过过程程中中有有方方向向性性地地析析出出金金属属制制成成图图(b)所所示示磁磁敏敏电电阻阻。但但多多数数磁
22、磁敏敏电电阻阻是是图图(c)所所示示的圆盘形结构，在中心和边缘处各有一电极。的圆盘形结构，在中心和边缘处各有一电极。传感器原理与检测技术(课件三、磁敏电阻与形状的关系三、磁敏电阻与形状的关系 在在恒恒定定磁磁感感应应强强度度下下，其其长长度度L比比宽宽度度b越越小小，其其电电阻阻率率的的相相对对变变化化越越大大。从从磁磁阻阻与与磁磁感感应应强强度度的的关关系系图图中看出，圆盘形样品的磁阻最大。中看出，圆盘形样品的磁阻最大。 传感器原理与检测技术(课件四、磁敏电阻的特性四、磁敏电阻的特性 磁磁敏敏电电阻阻的的输输入入与与输输出出的的关关系系是是非非线线性性的的 ，即即它它的的的的灵灵敏敏度度一一
23、般般不不是是常常数数，且且受受温温度度影影响响大大。故故使使用用磁敏电阻时，必须进行温度补偿。磁敏电阻时，必须进行温度补偿。 传感器原理与检测技术(课件五、五、磁敏电阻的应用磁敏电阻的应用 1非接触式交流电流监视器非接触式交流电流监视器 2电机转速测量电路电机转速测量电路传感器原理与检测技术(课件1 1非接触式交流电流监视器非接触式交流电流监视器 图图中中用用磁磁敏敏电电阻阻MSF06检检测测交交流流电电流流，放放大大器器A1的的增增益益可可在在1001000倍倍之之间间调调整整。只只要要把把感感器器靠靠近近被测交流电源线，其输出电压将与电流大小成比例。被测交流电源线，其输出电压将与电流大小成
24、比例。 传感器原理与检测技术(课件2 2电机转速测量电路电机转速测量电路 图图中中a点点电电压压随随转转速速改改变变，它它由由运运放放进进行行放放大大。然后接示波器或计数器，就可测量电机的转速。然后接示波器或计数器，就可测量电机的转速。 传感器原理与检测技术(课件第三节第三节 磁敏二极管磁敏二极管 磁磁敏敏二二极极管管是是PN结结型型的的磁磁电电转转换换元元件件，它它具具有有输输出出信信号号大大、灵灵敏敏度度高高、工工作作电电流流小小和和体体积积小小等等特特点点，因因此此，比比较较适适合合磁磁场场、转转速速、探伤探伤等方面的等方面的检测检测和和控制控制。 传感器原理与检测技术(课件 一、一、磁
25、敏二极管的结构磁敏二极管的结构 磁磁敏敏二二极极管管(SMD)的的结结构构如如下下图图所所示示。它它的的P型型和和N型型电电极极由由高高阻阻材材料料制制成成，在在P、N间间有有一一较较长长的的本本征征区区，它它的的一一面面磨磨成成光光滑滑的的复复合合表表面面(区区)，另另一一面面打打毛毛设设置置成成高高复复合合区区(r区区)，当当通通以以正正向向电电流流后后就就会会在在P，N结之间形成电流。结之间形成电流。传感器原理与检测技术(课件二、二、磁敏二极管的工作原理磁敏二极管的工作原理 未未受受外外界界磁磁场场作作用用的的磁磁敏敏二二极极管管外外加加正正偏偏压压时时(图图a)所所示示) ，有有大大量
26、量空空穴穴从从P区区通通过过区区进进人人N区区，同同时时有有大大量量电电子子流流入入P区区，形成电流。只有少量电子和空穴在形成电流。只有少量电子和空穴在区复合掉。区复合掉。 当当磁磁敏敏二二极极管管受受正正向向磁磁场场作作用用时时(图图(b)所所示示)，电电子子和和空空穴穴受受洛洛仑仑兹兹力力作作用用向向r区区偏偏转转，加加快快电电子子和和空空穴穴的的复复合合速速度度，导导致致通电回路的载流子较少而使电流减小。通电回路的载流子较少而使电流减小。 当当磁磁敏敏二二极极管管受受反反向向磁磁场场作作用用时时(图图(c)所所示示)，电电子子、空空穴穴受受洛洛仑仑兹兹力力作作用用而而向向区区偏偏移移，由
27、由于于电电子子、空空穴穴复复合合率率明明显显变变小小，通电回路中的载流子明显增加而导致电流变大。通电回路中的载流子明显增加而导致电流变大。 传感器原理与检测技术(课件三、磁敏二极管的主要特性三、磁敏二极管的主要特性 1磁电特性磁电特性 2伏安特性伏安特性3温度特性温度特性传感器原理与检测技术(课件1 1磁电特性磁电特性 在在定定条条件件下下磁磁敏敏二二极极管管输输出出电电压压与与外外加加磁磁场场变变化化的的关关系系称称为为磁磁敏敏二二极极管管的的磁磁电电特特性性。磁磁敏敏二二极极管管有有单单只只和和互互补补使使用用两两种种方方式式。单单只只使使用用的的正正向向磁磁灵灵敏敏度度大大于于反反向向；
28、互互补补使使用用的的正正、反向磁灵敏度曲线对称，且在弱磁场下有较好的线性度。反向磁灵敏度曲线对称，且在弱磁场下有较好的线性度。 传感器原理与检测技术(课件2 2、伏安特性、伏安特性 磁磁敏敏二二极极管管的的正正向向偏偏压压和和电电流流的的关关系系称称为为磁磁敏敏二二极极管管的的伏伏安安特特性性。它它在在不不同同磁磁场场作作用用下下的的伏伏安安特特性性曲曲线线不同。不同。传感器原理与检测技术(课件3 3、温度特性、温度特性 磁磁敏敏二二极极管管的的输输出出电电压压和和电电流流受受温温度度影影响响较较大大，实实际际使使用用时时必必须须对对它它进进行行温温度度补补偿偿。常常用用的的温温度度补补偿偿电
29、路有电路有互补式互补式、差分式差分式、全桥式全桥式和和热敏电阻热敏电阻四种。四种。 传感器原理与检测技术(课件四、四、磁敏二极管的应用磁敏二极管的应用 1磁场测量磁场测量2无触点开关无触点开关 3无触点电位器无触点电位器传感器原理与检测技术(课件 1 1磁场测量磁场测量2ACM2ACM索尼二极管的应用索尼二极管的应用 下下图图是是一一种种小小量量程程高高斯斯计计的的电电路路。由由四四个个磁磁敏敏二二极极管管组组成成桥桥式式磁磁敏敏探探头头，其其输输出出信信号号采采用用差差分分放放大大并并由由微微安安表表指指示示测测试试值值。B=0时时，磁磁桥桥输输出出为为0，调调节节RW2使使微微安安表表读读
30、数数为为0。当当B0时时，1，4管管截截止止，磁磁桥桥有有输输出出VAB0，由由表表头头指指示示磁磁场场强度。当强度。当B0时，表头指针反转。时，表头指针反转。 传感器原理与检测技术(课件2 2无触点开关无触点开关 由由四四只只磁磁敏敏二二极极管管组组成成桥桥式式检检测测电电路路。无无磁磁场场时时，磁磁敏敏电电桥桥平平衡衡无无信信号号输输出出；当当磁磁铁铁经经过过磁磁敏敏二二极极管管时时，电电桥桥有有信信号号输输出出使使VT1导导通通，再再触触发发晶晶闸闸管管VT2导导通通使使继电器继电器K吸合，指示灯点亮，控制电路接通。吸合，指示灯点亮，控制电路接通。 传感器原理与检测技术(课件 3 3无触
31、点电位器无触点电位器将将磁磁敏敏元元件件放放置置在在单单个个磁磁铁铁的的下下方方或或两两个个磁磁铁铁之之间间，当当旋旋动动电电位位器器手手柄柄时时，磁磁铁铁跟跟着着转转动动，从从而而使使磁磁敏敏元元件件表表面面的的磁磁感感强强度度也也发发生生变变化化，这这样样，磁磁敏敏元元件件的的输输出出电电压压将将随随着着手手柄柄的的转转动动而而变化，起到电位调节的作用。变化，起到电位调节的作用。传感器原理与检测技术(课件 第四节第四节 磁敏三极管磁敏三极管 磁磁敏敏三三极极管管是是PN结结型型的的磁磁电电转转换换元元件件，它它具具有有灵灵敏敏度度高高、输输出出信信号号大大，工工作作电电流流小小、体体积积小
32、小等等特特点点，适适合合于于磁磁场场、转转速速、探探伤伤等等方方面面的的检检测测和和控控制。制。传感器原理与检测技术(课件一、一、磁敏三极管的结构磁敏三极管的结构 在弱在弱P型或弱型或弱N型本征半导体上用合金或扩散法形型本征半导体上用合金或扩散法形成成发射极发射极、基极基极和和集电极集电极。基区较长，结构类似磁敏。基区较长，结构类似磁敏二极管，有高复合率的二极管，有高复合率的r区和本征区和本征区。基区分区。基区分输运基输运基区区和和复合基区复合基区。 传感器原理与检测技术(课件 二、磁敏三极管的工作原理二、磁敏三极管的工作原理 当当磁磁敏敏三三极极管管未未受受磁磁场场作作用用时时(图图(a)所
33、所示示)，因因基基区区宽宽度度大大于于载载流流子子有有效效扩扩散散长长度度，多多数数载载流流子子通通过过e-I-b形形成成b极极电电流流；少少数数输输入入到到c极极。故故b极极电电流流大大于于c极极电电流流。当当受受正正向向磁磁场场作作用用时时，洛洛仑仑兹兹力力使使载载流流子子偏偏向向发发射射结结一一侧侧，使使集集电电极极电电流流显显著著下下降降(图图(b)所所示示)。当当反反向向磁磁场场作作用用时时，载载流流子子向向集集电电极极一一侧侧偏偏转转，使使c极极电电流流增增大大(图图(c)所所示示)。因因此此，可可以以利利用用磁磁敏敏三三极极管管测测量量弱弱磁磁场、电流、转速和位移等物理量。场、电
34、流、转速和位移等物理量。 传感器原理与检测技术(课件 三、磁敏三极管的主要特性三、磁敏三极管的主要特性 1磁电特性磁电特性 2伏安特性伏安特性3温度特性温度特性4. 常用的温度补偿方法常用的温度补偿方法传感器原理与检测技术(课件1 1磁电特性磁电特性 在在定定条条件件下下磁磁敏敏三三极极管管输输出出电电流流与与外外加加磁磁场场变变化化的的关关系系称称为为磁磁敏敏三三极极管管的的磁磁电电特特性性。如如国国产产NPN型型磁磁敏敏三三极极管管(3BCM-锗锗)在在弱弱磁磁场场作作用用下下，曲曲线线接接近近一一条条直直线。线。 传感器原理与检测技术(课件2 2、伏安特性、伏安特性 图图(a)为为不不受
35、受磁磁场场作作用用时时磁磁敏敏三三极极管管的的伏伏安安特特性性曲曲线线；图图(b)是是B=1kGs，Ib=3mA时时，Ic随随Uce的的变变化化。显然磁敏三极管的电流放大倍数小于显然磁敏三极管的电流放大倍数小于1。传感器原理与检测技术(课件3 3、温度特性、温度特性 磁磁敏敏三三极极管管对对温温度度敏敏感感，使使用用时时需需进进行行温温度度补补偿偿。对对于于锗锗磁磁敏敏三三极极管管(3ACM、3BCM)，其其磁磁灵灵敏敏度度的的温温度度系系 数数 为为 0.8 /； 硅硅 磁磁 敏敏 三三 极极 管管(3CCM)磁磁灵灵敏敏度度的的温温度度系系数数为为-0.6/。传感器原理与检测技术(课件 4
36、. 4. 常用的温度补偿方法之一常用的温度补偿方法之一 对对于于硅硅磁磁敏敏三三极极管管可可用用正正温温度度系系数数的的普普通通硅硅三三极极管管来来进进行行补补偿偿。具具体体补补偿偿电电路路如如下下图图所所示示。当当温温度度升升高高时时，BG1管管Ic增增加加，导导致致BGm管管的的Ic也也增增加加，从从而而补补偿了偿了BGm管因温度升高而导致管因温度升高而导致Ic的下降。的下降。传感器原理与检测技术(课件 4. 4. 常用的温度补偿方法之二常用的温度补偿方法之二 利利用用锗锗磁磁敏敏二二极极管管电电流流随随温温度度升升高高而而增增加加的的这这一一特特性性使使其其作作硅硅磁磁敏敏三三极极管管的
37、的负负载载，从从而而当当温温度度升升高高时时，弥弥补补了了硅硅磁磁敏敏三三极极管管的的负负温温度度漂漂移移系系数数所所引引起起的的电电流流下降的问题。下降的问题。传感器原理与检测技术(课件 4. 4. 常用的温度补偿方法之三常用的温度补偿方法之三 采采用用两两只只特特性性一一致致、磁磁极极相相反反的的磁磁敏敏三三极极管管组组成成差差分分电电路路。它它既既可可以以提提高高磁磁灵灵敏敏度度，又又能能进进行行温温度度补补偿，它是一种行之有效的温度补偿电路。偿，它是一种行之有效的温度补偿电路。 传感器原理与检测技术(课件四、四、磁敏三极管的应用磁敏三极管的应用 磁磁敏敏三三极极管管的的应应用用技技术术
38、领领域域与与磁磁敏敏二二极极管管相相似似。主主要要在在磁磁场场测测量量、大大电电流流测测量量、磁磁力力探探伤伤、接接近近开开关关、程程序序控控制制、位位置置控控制制、转转速速测测量量、直直流流无无刷刷马马达达和和各各种种工工业业过过程程自自动动控控制制等等技术领域中应用。技术领域中应用。 传感器原理与检测技术(课件第五节第五节 霍尔传感器霍尔传感器 霍霍尔尔传传感感器器是是基基于于霍霍尔尔效效应应的的一一种种传传感感器器。它它具具有有结结构构简简单单，形形小小体体轻轻，无无触触点点，频频率率响响应应范范围围宽宽(从从直直流流到到微微波波)，动动态态范范围围大大(输输出出量量的的变变化化可可达达
39、1000比比1)，寿寿命命长长等等优优点点。因因此此，霍霍尔尔传传感感器器广广泛泛应应用用于于电电磁磁、压压力力、加加速速度度、振振动动等等方方面面的的测量。测量。传感器原理与检测技术(课件一、一、霍尔元件基本结构霍尔元件基本结构 霍霍尔尔元元件件的的结结构构简简单单，由由霍霍尔尔片片、引引线线和和壳壳体体组组成成。霍霍尔尔片片是是一一块块矩矩形形半半导导体体单单晶晶薄薄片片，引引出出四四个个引引线线。1、1引引线线加加激激励励电电压压或或电电流流，称称为为激激励励电电极极；2、2引引线线为为输输出出引引线线，称称为为霍霍尔尔电电极极。壳壳体体由由非非导导磁磁金金属属、陶陶瓷瓷或或环环氧氧树树
40、脂脂封封装装而而成成。在在电电路路中中霍霍尔尔元元件件可可用用两两种种符号表示。符号表示。传感器原理与检测技术(课件 二、霍尔元件基本特性二、霍尔元件基本特性 1. 额定激励电流和最大允许激励电流额定激励电流和最大允许激励电流2. 输入电阻和输出电阻输入电阻和输出电阻 3. 不等位电势和不等位电阻不等位电势和不等位电阻4. 寄生直流电势寄生直流电势 5. 霍尔电势温度系数霍尔电势温度系数 传感器原理与检测技术(课件1.1.额定激励电流和最大允许激励电流额定激励电流和最大允许激励电流 当当霍霍尔尔元元件件自自身身温温升升10时时所所流流过过的的激激励励电电流流称称为为额额定定激激励励电电流流。以
41、以元元件件允允许许最最大大温温升升为为限限制制所所对对应应的的激激励励电电流流称称为为最最大大允允许许激激励励电电流流。因因霍霍尔尔电电势势随随激激励励电电流流增增加加而而线线性性增增加加，所所以以，使使用用中中希希望望选选用用尽尽可可能能大大的的激激励励电电流流，因因而而需需要要知知道道元元件件的的最最大大允允许许激激励励电电流流，改改善善霍霍尔尔元元件件的的散散热条件，可以使激励电流增加。热条件，可以使激励电流增加。 传感器原理与检测技术(课件 2. 2. 输入电阻和输出电阻输入电阻和输出电阻 激激励励电电极极间间的的电电阻阻值值称称为为输输入入电电阻阻。霍霍尔尔电电极极输输出出电电势势对
42、对外外电电路路来来说说相相当当于于一一个个电电压压源源，其其电电源源内内阻阻即即为为输输出出电电阻阻。以以上上电电阻阻值值是是在在磁磁感感应应强强度度为为零零且且环环境境温温度度在在205时时确确定定的。的。 传感器原理与检测技术(课件 3. 3. 不等位电势和不等位电阻不等位电势和不等位电阻 当当霍霍尔尔元元件件的的激激励励电电流流为为I，若若元元件件所所处处位位置置磁磁感感应应强强度度为为零零，则则其其霍霍尔尔电电势势应应为为零零，但但实实际际不不为为零零。这这时时测测得得的的霍霍尔尔电电势势称称不不等等位位电电势势。产产生生这这一一现现象象的的原原因因有：有： 霍尔电极安装位置不对称或不
43、在同一等电位面上；霍尔电极安装位置不对称或不在同一等电位面上； 半导体材料不均匀造成了电阻率不均匀或是几何半导体材料不均匀造成了电阻率不均匀或是几何 尺寸不均匀；尺寸不均匀； 激励电极接触不良造成激励电流不均匀分布等。激励电极接触不良造成激励电流不均匀分布等。 传感器原理与检测技术(课件4 4. . 寄生直流电势寄生直流电势 在在外外加加磁磁场场为为零零、霍霍尔尔元元件件用用交交流流激激励励时时，霍霍尔尔电电极极输输出出除除了了交交流流不不等等位位电电势势外外，还还有有一一直直流流电势，称之为寄生直流电势。它产生的原因有：电势，称之为寄生直流电势。它产生的原因有： 激励电极与霍尔电极接触不良，
44、形成非欧姆激励电极与霍尔电极接触不良，形成非欧姆 接触，造成整流效果；接触，造成整流效果； 两个霍尔电极大小不对称，则两个电极点的两个霍尔电极大小不对称，则两个电极点的 热容不同，散热状态不同形成极向温差电势。热容不同，散热状态不同形成极向温差电势。 寄生直流电势一般在寄生直流电势一般在1mV以下，它是影以下，它是影 响霍尔片温漂的原因之一。响霍尔片温漂的原因之一。传感器原理与检测技术(课件5 5. . 霍尔电势温度系数霍尔电势温度系数 在在一一定定磁磁感感应应强强度度和和激激励励电电流流下下，温温度度每每变变化化1时时，霍霍尔尔电电势势变变化化的的百百分分率率称称霍霍尔尔电电势势温温度度系系
45、数数。它它同同时时也也是是霍尔系数的温度系数霍尔系数的温度系数。传感器原理与检测技术(课件三、三、霍尔元件不等位电势补偿霍尔元件不等位电势补偿 不不等等位位电电势势有有时时甚甚至至超超过过霍霍尔尔电电势势，使使用用中中必必须须采采用用补补偿偿电电路路加加以以消消除除。图图中中A、B为为激激励励电电极极，C、D为为霍霍尔尔电电极极，各各极极分分布布电电阻阻分分别别用用R1、R2、R3和和R4表表示示。实实际际这这四四个个不不等等值值电电阻阻所所构构成成的的电电桥桥不不平平衡衡。可可通通过过如如下电路使其达到平衡，即消除不等位电势的影响。下电路使其达到平衡，即消除不等位电势的影响。 传感器原理与检
46、测技术(课件四、四、霍尔元件的温度补偿霍尔元件的温度补偿 为为了了减减小小霍霍尔尔元元件件的的温温度度误误差差，除除选选用用温温度度系系数数小小的的元元件件或或采采用用恒恒温温措措施施外外，由由UH=KHIR可可看看出出：采采用用恒恒流流源源供供电电是是个个有有效效措措施施，它它可可以以使使霍霍尔尔电电势势稳稳定定。但但也也只只能能减减小小由由于于输输入入电电阻阻随随温温度度变变化化而而引引起起的的激激励电流变化所带来的影响。励电流变化所带来的影响。 传感器原理与检测技术(课件五、五、霍尔式传感器的应用霍尔式传感器的应用 1霍尔式微位移传感器霍尔式微位移传感器 2霍尔式转速传感器霍尔式转速传感
47、器3霍尔计数装置霍尔计数装置传感器原理与检测技术(课件1 1霍尔式微位移传感器霍尔式微位移传感器 磁磁场场强强度度相相同同的的两两块块永永久久磁磁铁铁同同极极性性相相对对放放置置，霍霍尔尔元元件件处处于于两两块块磁磁铁铁的的中中间间(B=0)，此此时时霍霍尔尔元元件件的的UH=0，此此时时位位移移x=0。若若霍霍尔尔元元件件产产生生相相对对位位移移，则则其其感感受受的的B随随之之改改变变，这这时时UH0，其其大大小小反反映映出出霍霍尔尔元元件件在在磁磁铁铁之之间间相相对对位位置置的的变变化化量量，这这种种结结构构的的传传感感器器，其其动态范围动态范围可达可达5mm，分辨率为分辨率为0.001m
48、m。 传感器原理与检测技术(课件2 2霍尔式转速传感器霍尔式转速传感器 右右图图是是不不同同结结构构霍霍尔尔式式转转速速传传感感器器。磁磁性性转转盘盘与与被被测转轴相连。当转动时，固定在磁性转盘附近的霍尔传测转轴相连。当转动时，固定在磁性转盘附近的霍尔传感器便可在每一个感器便可在每一个小磁铁通过时产生小磁铁通过时产生一个相应的脉冲，一个相应的脉冲，检测出单位时间的检测出单位时间的脉冲数，便可知被脉冲数，便可知被测转速。磁性转盘测转速。磁性转盘上小磁铁数目的多上小磁铁数目的多少决定了该装置测少决定了该装置测量转速的分辨率。量转速的分辨率。传感器原理与检测技术(课件3 3霍尔计数装置霍尔计数装置
49、霍霍尔尔开开关关传传感感器器SL3501具具有有较较高高灵灵敏敏度度，能能感感受受黑色金属零件经过时引起的磁场变化，因而可用于计数黑色金属零件经过时引起的磁场变化，因而可用于计数检检测测。当当钢钢球球通通过过该该传传感感器器时时，它它 可可 输输 出出 峰峰 值值20mV 的的脉脉冲冲电电压压，该该电电压压经经放放大大后后驱驱动动三三极极管管工工作作，其其输输出出便便可可接接计计数数器器进进行行计计数数，并并由由显显示示器显示检测数值。器显示检测数值。传感器原理与检测技术(课件 课后练习题课后练习题 1.什什么么是是压压电电效效应应？简简述述压压电电式式传传感感器器的的工工作作 原理？原理？2. 磁磁敏敏二二极极管管和和磁磁敏敏三三极极管管有有何何特特点点？适适合合什什么场合使用？么场合使用？3. 简述霍尔元件的基本特性。简述霍尔元件的基本特性。4. 设设计计一一种种磁磁敏敏三三极极管管温温度度补补偿偿电电路路，并并叙叙述述原理。原理。5. 设设计计一一个个利利用用霍霍尔尔集集成成电电路路检检测测发发电电机机转转速速的的电电原原理理框框图图。要要求求当当转转速速过过高高或或过过低低时时发发出警报位号。出警报位号。传感器原理与检测技术(课件
