华东交通大学-机械工程测试技术-第四章-常用传感器PPT课件

。1，1，1，霍尔磁传感器2，磁二极管和磁晶体管3，磁电阻，4-5磁传感器，2，1，霍尔磁传感器(1)霍尔效应，带电导体或半导体，电动势将在垂直于电流和磁场的方向上产生。霍尔效应的原理框图。3和(2)霍尔磁传感器的工作原理被设置为长度为L，宽度为W，厚度为D。如果电子以匀速v运动，它们将在垂直施加的磁感应b的作用下受到洛伦兹力q电子电荷(1.6210-19c)。伏安取决于运动的速度。同时，当达到动态平衡时，作用在电子上的电场力与I和B的乘积成正比，与D成反比。因此可以改写为：电流密度j=NQV，N-N型半导体、N型半导体、P型半导体中的电子浓度，霍尔系数，由载流材料的物理性质决定。-材料电阻率，p-p半导体中的空穴浓度，-载流子迁移率，=v/E，即单位电场强度下的平均载流子速度。金属材料，电子很高但很小，绝缘材料，很高但很小。因此，为了获得强霍尔效应，霍尔片全部由半导体材料制成。5，设置KH=相对湿度/天，KH-霍尔器件的产品灵敏度。它与载流材料的物理性质和几何尺寸有关，并以单位磁感应强度和单位控制电流表示霍尔电位的大小。如果磁感应强度B的方向与霍尔器件的平面法线之间的角度为，霍尔电势应为：VH=KHIB，VH=KHIBOS 。注意：当控制电流或磁场的方向改变时，输出霍尔电位的方向也改变。然而，当磁场和电流同时改变方向时，霍尔电势不改变方向。6、控制电流I；霍尔电位。控制电压v；输出电阻R2；输入电阻R1；霍尔负载电阻R3；霍尔电流IH。在图中，控制电流I由电源e提供，r是调节电阻，以确保器件中所需的控制电流I。霍尔输出端连接到负载R3，负载R3可以是普通电阻或放大器的输入电阻，或仪表的内阻等。磁场B垂直穿过霍尔器件，在磁场和控制电流的作用下，从负载获得电压。在实际使用中，器件的输入信号可以是I或b或IB，输出可以与I或b成比例，或者与其乘积IB成比例。(4)基本特性(1)线性：指霍尔器件的输出电势VH分别与基本参数I、v和b之间的线性关系。VH=KHBI，2。灵敏度：可通过产品灵敏度或磁场灵敏度、电流灵敏度和电势灵敏度来表示：KH产品灵敏度，代表霍尔电势VH与磁感应强度b和控制电流I的乘积之间的比值，通常以mV/(mA0.1T)表示。因为霍尔元件的输出电压是由两个输入量的乘积决定的，所以称为产品灵敏度。磁场的灵敏度通常基于额定电流。当霍尔元件以额定电流通电时，磁场灵敏度等于对应于每单位磁感应强度的霍尔电位值。常用于磁场测量等。电流灵敏度，电流灵敏度等于霍尔元件下单位磁感应电流对应的霍尔电位值。如果控制电流值是固定的，那么：VH=kbb如果磁场值是固定的，那么：9，3，额定电流：霍尔元件的允许温升规定了最大控制电流。在最大输出功率连接到霍尔电极之间的负载之后，元件的功率输出与负载的大小相关。当霍尔电极之间的内阻R2等于霍尔负载电阻R3时，霍尔输出功率最大。具有最大效率的霍尔器件的输出功率与输入功率之比被称为效率，而对应于最大输出的效率被称为最大效率，即(6)负载特性当负载串联在霍尔电极之间时，实际的霍尔电势小于理论值，因为在霍尔的内阻中将出现电压降、10、80、60、40、20、0、0.2、0.4、0.6、0.8、1.0、VH/mv、=、=7.0、=1.5、=3.0、b/t、理论值、实际值、VH、R3、I、霍尔电位的负载特性、=R3/R2、霍尔电位随负载电阻的变化。11，7，温度特性：指霍尔电位或灵敏度的温度特性，以及输入阻抗和输出阻抗的温度特性。它们可以归因于霍尔系数与电阻率(或电导率)和温度之间的关系。霍尔材料的温度特性(相对温度)；(b)与温度的关系、RH/cm2/载流子迁移率影响灵敏度。两者是相反的。当通过传感器的电流是交变的时，频率特征磁场是恒定的。该装置的频率特性非常好，交流输出与10kHz的DC输出相同。因此，霍尔器件可用于微波范围，其输出不受频率影响。磁场交替变化。霍尔输出不仅与频率有关，还与器件的电导率、周围介质的磁导率和磁路参数(尤其是气隙宽度)等有关。这是因为在交变磁场的作用下，元件和导体内部会产生涡流。简而言之，在交变磁场下，当频率为几十千赫时，频率对器件输出的影响可以忽略。即使在几兆赫的频率下，如果能仔细设计气隙的宽度，并选择适当的元件和导磁材料，该器件仍能具有良好的频率特性。霍尔开关集成传感器是霍尔效应和集成电路技术相结合的一种磁传感器。它可以感知所有与磁信息相关的物理量，并以开关信号的形式输出。霍尔开关集成传感器具有寿命长、无接触磨损、无火花干扰、无转换抖动、工作频率高、温度特性好、适应恶劣环境等优点。(5)霍尔开关集成传感器，14由稳压电路、霍尔元件、放大器、整形电路和开路输出组成。稳压电路可以使传感器在更宽的电源电压范围内工作；开路输出使传感器能够轻松与各种逻辑电路接口。霍尔开关集成传感器的结构和工作原理霍尔线性集成传感器的输出电压与外加磁场成线性正比。这种传感器通常由霍尔元件和放大器组成。当施加磁场时，霍尔元件产生随磁场线性变化的霍尔电压，并被放大器放大，然后输出。在实际电路设计中，为了提高传感器的性能，通常在电路中安装稳压、电流放大输出级、失调调整和线性调整等电路。霍尔开关集成传感器的输出有低电平和高电平两种状态，而霍尔线性集成传感器的输出是对外部磁场的线性感应。因此，霍尔线性集成传感器广泛用于测量或控制位置、力、重量、厚度、速度、磁场、电流等。霍尔线性集成传感器有单端输出和双端输出，其电路结构如下图所示。(6)霍尔线性集成传感器。17岁。具有单端输出的传感器是一个三端器件。它的输出电压可以线性响应外加磁场的微小变化。通常，输出电压通过电容连接到外部放大器，以将输出电压放大到更高的水平。典型产品是SL3501T。双端输出传感器是一款8引脚双列直插式封装器件，可以提供差分发射极跟随输出和输出失调调零。典型的产品是SL3501M。霍尔线性集成传感器的主要技术特性(1)传感器的输出特性如下图所示：19、2。霍尔线性集成传感器的主要技术特性(2)传感器的输出特性如下图所示：20，(7)霍尔效应制成的霍尔磁传感器霍尔器件的应用不仅广泛应用于磁场测量，还广泛应用于测量技术、无线电技术、计算技术、自动化技术等领域。利用霍尔势与外加磁通密度、磁量和其他电量成正比的特性，可以通过固定元件的控制电流来测量和控制可转换成磁量的机械量和非电量。具有这种特性的装置包括磁通计、电流计、磁读取头、位移计、速度计、振动计、指南针、转速表、无接触开关等。霍尔传感器仪器的优点是：(1)体积小，结构简单，经久耐用。(2)无运动部件，无磨损，无摩擦热，噪音小。(3)设备性能稳定，使用寿命长，可靠性高。(4)宽频率范围，适用于从DC到微波。(5)霍尔器件载体惯性小，动态特性好。霍尔器件也有明显的缺点，如转换效率低和温度影响大。然而，由于新材料和工艺的不断出现，这些缺点正在逐渐被克服。磁敏二极管和磁敏三极管是继霍尔元件和磁敏电阻器之后迅速发展起来的新型磁电转换元件。它们具有高的磁灵敏度(磁灵敏度比霍尔元件高数百甚至数千倍)；可以识别磁场的极性；由于其体积小、电路简单，越来越受到人们的关注。并广泛应用于检测、控制等方面。(1)磁敏二极管1的工作原理和主要特性。磁敏二极管1的结构和工作原理。磁敏二极管的结构包括硅磁敏二极管和锗磁敏二极管。不同于普通二极管：普通二极管的PN结的基极区很短，以避免基极区中的载流子复合，而磁敏二极管的PN结具有很长的基极区，其大于载流子的扩散长度，但是基极区由接近本征半导体的高电阻材料制成。通常，=40cm的P型或N型单晶用作锗磁敏感次级管的基区(对于锗本征半导体，=50cm)。在基极区的两端有P型和N型锗。如果代表长基区，它的PN结实际上由一个P结和一个N结组成。以2ACM-1A为例，磁敏二极管的结构为P-I-N型。25、磁敏二极管的结构和电路符号(A)结构；(b)电路符号h、h-、n区、p区、I区、r区、电流(a)，在高纯锗半导体的两端通过合金化形成高掺杂p型和n型两个区，高复合区(r区)设置在本征区(I)区的一侧表面上，而与r区相对的另一侧表面保持光滑而没有复合表面。这构成了磁敏二极管的核心，其结构如图所示。26、p、n、p、n、p、n、h=0、h、h-、电流、电流、(a)、(b)、(c)磁敏二极管工作原理示意图，流经二极管的电流也在变化，也就是说，二极管的等效电阻随磁场而变化。为什么磁敏二极管有这样的特性？下面是一个分析。(2)磁敏二极管的工作原理当磁敏二极管的P区连接到电源的正极，而N区连接到电源的负极，即施加正偏压时，随着磁敏二极管所受磁场的变化，即电子、空穴、复合区、27岁。结论：随着磁场大小和方向的变化，可以产生正负输出电压硅磁敏二极管的伏安特性有两种形式。如图2.6-29(b)所示，在较大的偏置范围内，电流变化相对平缓，并随着外加偏置的增加而逐渐增大。此后，伏安特性曲线迅速上升，表明其动态电阻相对较小。另一个如图2.6-29(c)所示。硅磁敏二极管的伏安特性曲线上存在负阻现象，即当电流快速增加时，偏置电压突然下降。负阻现象的原因是在高电阻硅中存在较少的热平衡载流子，并且在注入的载流子填充复合中心之前不会产生大电流，并且只有在复合中心被填充之后，电流才会开始快速增加。(2)磁电特性在给定的条件下，磁敏二极管输出电压的变化与外加磁场之间的关系称为磁敏二极管的磁电特性。图2.6-30显示了磁敏二极管在单次使用和互补使用时的磁电特性曲线。(3)温度特性温度特性是指在标准试验条件下，输出电压(或无磁场的中点电压)随温度的变化，如图所示。从图中可以看出，磁敏二极管受温度影响很大。温度系数也可以用来表示磁敏二极管的温度特性。在标准试验条件下，u0的温度系数小于20毫伏/摄氏度，温度系数小于0.6%/摄氏度.锗磁敏二极管u0的温度系数小于-60mv/，温度系数小于1.5%/。因此，硅管的工作温度设定在-40 85，而锗管现在设定在-40 65。(4)频率特性硅磁敏二极管的响应时间几乎等于注入载流子漂移过程中复合和动态平衡的时间。因此，频率响应时间相当于载流子的有效寿命。硅管的响应时间小于1，即响应频率高达1兆赫。锗磁敏二极管的响应频率小于10kHz。定义磁敏二极管的磁灵敏度有三种方法：(a)在恒定电流条件下，偏置随磁场变化的电压的相对磁灵敏度(hu)，即u0磁场强度为零时二极管两端的电压；Ub-当磁场强度为b时二极管两端的电压。(b)在恒定电压条件下，偏置电流的电流相对磁灵敏度(hi)随磁场而变化，即。35、(c)在给定电压源e和负载电阻r的条件下，电压相对磁灵敏度和电流相对磁灵敏度定义如下：如果使用磁敏二极管时的条件与部件出厂时的测试条件不一致，应特别注意重新测试灵敏度。(2)磁敏三极管的工作原理和主要特性(1)磁敏三极管的结构和原理(1)磁敏三极管NPN型磁敏三极管的结构是在弱p型近本征半导体上通过合金法或扩散法形成三个结形成的半导体元件，即发射极结、基极结和集电极结， 图2.6-33 npn型磁敏三极管的结构和