传感器原理与应用

第三章电感传感器第一节

自感式传感器第二节差动变压器第三节电涡流传感器第四节电感传感器的应用第一节

自感式传感器自感式传感器亦称变隙式自感传感器，它是根据铁芯线圈磁路气隙的改变，引起磁路磁阻的改变，从而改变线圈自感的大小。激磁线圈分单线圈和差动两线圈两类，气隙参数的改变分变气隙长度δ型和变气隙截面积S型两种方式一、单线圈自感传感器1.工作原理

单个线圈气隙型自感传感器工作原理如图3-1所示，图3-1(a)所示为变气隙长度型，图3-1(b)所示为变气隙截面积型根据磁路知识，线圈的自感可按下式计算下一页返回第一节

自感式传感器式中N—线圈的匝数;Rm磁路的总磁阻，即铁芯、衔铁和气隙三部分磁路磁阻之和。式中L1,L2,Lo—分别为铁芯、衔铁和气隙的长度;S1，S2,So—分别为铁芯、衔铁和气隙的截面积;μ1,μ2，μo—分别为铁芯·衔铁和气隙的导磁率，其中μ1=μ2，μo=4πx10-7H/m实际上由于铁芯一般工作于非饱和状态，此时铁芯的导磁率远远大于空气的导磁率，因而磁路的总磁阻主要由气隙长度决定。即

则有上一页下一页返回第一节

自感式传感器

显然改变气隙的长度或截面积，都可以引起线圈自感的变化2.工作特性

单线圈的自感传感器工作特性(WorkCapability)如图3-2所示，图中L=f(δ)是变气隙长度型工作特性曲线，L=f(S)是变气隙截面积型工作特性曲线

1)变气隙长度型

由式(3-2)可知，变气隙长度δ型传感器的自感L与δ呈非线性关系。其灵敏度为式中δ—单个气隙长度

可见，对气隙长度的改变有较高的灵敏度，但线性度差

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自感式传感器2)变气隙截面积型

由式(3-2)可知，变气隙截面积S型传感器的自感L与S之间成线性关系，但其灵敏度为此时，灵敏度低。实际上单个线圈的自感传感器虽然结构简单，但工作性能较差，一般很少采用，工程上广泛采用两线圈的自感传感器。二、差动自感传感器

两线圈的变气隙式自感传感器采用两个线圈激磁，工作时两线圈的自感呈反相变化，形成差动输出，因而称之为差动自感传感器。上一页下一页返回第一节

自感式传感器差动自感传感器亦有变气隙长度型和变气隙截面积型两种，图3-3为变气隙长度型差动自感传感器原理图。1.工作原理(1)初态时:若结构对称，且动铁居中，则(2)动铁上移时:则(3)动铁下移时:同理可得由以上分析可得，动铁位移时，输出电压的大小和极性将跟随位移的变化而变化。上一页下一页返回第一节

自感式传感器2.特性分析

(1)输出电压不但能反映位移量的大小，而且能反映位移的方向。

(2)输出电压正比于2△l，因而灵敏度较高。

(3)输出电压非线性减小

图3-4所示为差动自感传感器特性曲线。可以看出，当位移控制在一△δ一+△δ时，输出电压U0与位移δ间近似成线性关系。

(4)差动输出可获得温度自补偿

变气隙截面积型差动自感传感器的工作原理及特性分析与上相同,此时引起输出量的变化是气隙有效截面积的变化量△S上一页下一页返回第一节

自感式传感器三、差动自感传感器测量电路1.基本交流测量电桥

图3-5所示为差动自感传感器基本交流测量电桥阻抗Z1和Z2为传感器两线圈的等效阻抗，供桥电源由带中心抽头的变压器次级线圈供给。

由图3-5所示电路分析可得1)初态时:由于动铁居中，即

说明电桥处于平衡状态。2)动铁上移时:有上一页下一页返回第一节

自感式传感器代人式(3-3)得则由式(3-4)得

(3)动铁下移时:同理可得由式(3-4)和式(3-6)分析可知，基本交流测量电桥输出电压的大小可以反映动铁位移的大小，输出电压的极性可以反映动铁位移的方向;但由于交流电表不能指示交流电压的极性，因而实际上无法判断动铁位移的方向。

用交流电表测得的基本交流测量电桥输出特性如图3-6所示上一页下一页返回第一节

自感式传感器图中虚线为理想对称状态下的输出特性，实线为实际输出状态。由于电路结构不完全对称，初态时电桥不完全平衡，因而产生静态零偏压，称之为零点残余电压。2.带相敏整流的交流电桥

由于交流电压表不能直接指示电桥输出电压的极性，即无法确定动铁位移的方向，因而通常在交流测量电桥中引人相敏整流电路，把测量桥的交流输出转换为直流输出，而后用零值居中的直流电压表测量电桥的输出电压，原理电路如图3-7所示。

图中Z1,Z2为差动线圈等效阻抗，R为平衡电阻，D1一D4组成相敏整流电路，Z1,Z2和两个R组成电桥。Ui为供桥交流电压，U0为测量电路的输出电压，上一页下一页返回第一节

自感式传感器

由零值居中的直流电压表指示输出电压的大小和极性。

(1)初态时:由于动铁居中，即Z1=Z2=Z，由于桥路结构对称，此时UB=UC，即U0=UB-UC=0(2)动铁上移时:图中所示电流I1和I2标向为电源Ui正半周时的流向，电源Ui负半周时电流流向与其相反，如图中I1’和I2’所示;但测量桥的输出电压极性不变，即无沦电源正半周或负半周，输出均为U0<0，指示表指针反偏，读数为负，表明动铁在上移。(3)动铁下移时:上一页下一页返回第一节

自感式传感器

指示表指针右偏，读数为正，表明动铁在下移。

由于带相敏整流的交流测量电桥输出为直流电压，用直流电压表不但可以测量输出电压的大小，而且可以测量输出电压的极性，图3-8所示为带相敏整流的交流测量电桥的输出特性。由于电压输出特性曲线通过零点，因而不但可以表示输出电压的极性随位移方向而发生变化，同时消除了零点残余电压，还增加了线性度。3.紧藕合测量电桥

紧藕合测量电桥具有较高的稳定性和灵敏度，因而在工程中常被采用。其原理电路如图3-9所示，Z1和Z2为差动两线圈等效阻抗，两个N为两固定的紧藕合线圈匝数，上一页下一页返回第一节

自感式传感器M为两藕合线圈间的互感。

静态时，Z1=Z2=Z,N1=N2，则两线圈N1与N2的藕合互感为M，且式中L0—两线圈N1和N2的自感;K合系数。由于两线圈紧藕合，且线圈中电流方向相反，因而可取两线圈藕合

系数K=-1图3-10所示为两紧藕合线圈的T形等效电路。图中

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自感式传感器图3-11所示为紧藕合测量电桥的等效电路。由此等效电路可以分析紧藕合测量电桥的输出电压及其灵敏度。

1)测量桥输出电压初态时，由于动铁上移时，由于则有上一页下一页返回第一节

自感式传感器同理可求得动铁下移时输出电压U0的表达式为式中负号即表示动铁在向下移。式(3-9)和式(3-10)说明紧藕合轿输出电压可以反映动铁位移的大小和方向。

2)测量桥灵敏度KB分别代人式(3-9)和式(3-10)，可得上一页下一页返回第一节

自感式传感器此时，测量桥的灵敏度为当测量桥无藕合时，即藕合系数K=0，此时可推导其输出电压为此时测量桥的灵敏度为由此可见，测量桥采用紧藕合电路后可以提高电桥的灵敏度，紧藕合桥灵敏度最大值趋于2，电桥工作稳定性好;同时灵敏度KB与频率w无关，有利于工作在高频状态上一页返回第二节差动变压器差动变压器(DifferentialTransformer)是互感式传感器，是把被测量的位移量转换为传感器线圈间互感的变化量来实现非电测量的，其本身是一个具有差动输出的开磁路变压器，故简称为差动变压器。一、工作原理

图3-12所示为螺管型差动变压器原理图及其等效电路。在图3-12(a)中，1表示变压器初级线圈，21和22表示变压器次级两差动线圈，3为线圈绝缘框架，4表示动铁，变量△X表示动铁的位移变化量。在图3-12(b)中，R1和L1表示初级线圈1的电阻和自感，R21和R22表示两次级线圈的电阻，L21和L22表示两次级线圈的自感，下一页返回第二节差动变压器M1和M2表示初级线圈分别与两次级线圈间的互感，e21和e22表示在初级电压u1作用下在两次线圈上产生的感应电动势，图中两次级线圈反向串联，形成差动输出电压u2根据电路原理，初级线圈的激磁电流为在动铁和次级线圈中产生的磁通分别为式中N1为初级线圈的匝数，次级线圈的匝数为N21=N22=N2;式中Rm1和Rm2分别为Φ21和Φ22的通道磁阻。此时初级线圈与两次级线圈的互感为上一页下一页返回第二节差动变压器次级两线圈中的感应电动势分别为式中w—激磁电流i1的角频率由此可得差动变压器空载输出电压其有效值为

输出阻抗为上一页下一页返回第二节差动变压器其大小为

由以上分析可得

(1)当动铁处于中间位置时，磁阻Rm1=Rm2，即互感M1=M2，故此时输出电压U2=0(2)当动铁上移时，磁阻Rm1<Rm2，则M1>M2，此时输出电压U2<0(3)当动铁下移时，磁阻Rm1>Rm2，则M1<M2，此时输出电压U2>0因而差动变压器可以用来测量动铁位移的大小和方向。上一页下一页返回第二节差动变压器二、工作特性1.输出电压特性差动变压器输出电压特性如图3-13所示，图中动铁居中时，动铁与次级两线圈都不藕合，此时理想的输出电压应为零，但实际的输出电压不为零，如图中的U0所示，称之为残余电压。当动铁向左移动时，与次级线圈21藕合加强，u21迅速增加，u22基本不变，输出电压u2近似线性上升;当动铁向右移动时，与次级线圈22藕合加强，u22迅速增加，u21基本不变，输出电压u2近似线性上升图中X1和X2分别是动铁与次级两线圈21,22完全藕合点，此时输出电压u2都达到最大值。△X表示动铁线性工作范围，即动铁在X1和X2之间移动时，差动变压器都可以得到线性输出，上一页下一页返回第二节差动变压器说明差动两线圈输出电压的线性工作范围比单个线圈约增加一倍。

理想的差动变压器输出电压与位移成线性关系，实际上由于线圈、铁芯、哥架的结构形状、材质等诸多因素的影响，不可能达到完全对称，使得实际输出电压呈非线性状态，但在变压器中间部分磁场是均匀的且较强，因而有较好的线性段，此线性段的位移范围△X为线圈骨架的1/10~1/4。提高次级两线圈磁路和电路的对称性，可改善输出电压的线性度。采用相敏整流电路对输出电压进行处理，可进一步改善差动变压器输出电压的线性。2.灵敏度

上一页下一页返回第二节差动变压器

上一页下一页返回第二节差动变压器

上一页下一页返回第二节差动变压器差动变压器零点残余电压是由于结构及电磁特性不对称等多方面影响造成的，消除或减小的方法主要有如下几个

(1)提高差动变压器的组成结构及电磁特性的对称性。

(2)引人相敏整流电路，对差动变压器输出电压进行处理

(3)采用外电路补偿，如图3-14所示。

在图3-14中，电位器Rw一般为10kΩ用于调整输出电压(基波分量)的大小和相位;电容C和电感L用于调整输出电压(谐波分量)的大小和相位，其大小需通过试验确定。三、测量电路差动变压器最常用的测量电路是差动整流电路，上一页下一页返回第二节差动变压器如图3-15所示。差动变压器两次级输出电压分别整流后，由a,b端取出它们的差值作为整流输出。图3-15(a)和图3-15(b)所示为电流输出型，用于连接低阻抗负载电路图3-15(c)和图3-15(d)所示为电压输出型，用于连接高阻抗负载电路采用差动整流电路后，不但可以用0值居中的直流电表指示输出电压或电流的大小和极性，还可以有效地消除残余电压，同时可使线性工作范围得到一定的扩展。上一页返回第三节电涡流传感器电涡流(EddyCurrent)指的是传感线圈的交变磁场在被测金属板上产生的感应电流，此电流在金属板平面上形成闭合回路，其大小与金属板平面电阻率ρ、导磁率μ、激磁电源频率f，以及传感线圈与金属板间距离δ有关。电涡流沿金属板厚度b方向的贯穿深度h与激磁电源的频率f成反比，频率越高贯穿深度越小，此即电涡流的趋肤效应。通常把电涡流传感器按激磁电源频率高低分为两大类:高频反射式电涡流传感器和低频透射式电涡流传感器，前者用于非接触式位移变量的监测，后者仅用于金属板厚度的测量。一、高频反射式电涡流传感器1.工作原理

下一页返回第三节电涡流传感器高频反射式电涡流传感器结构简单，主要由安置于哥架上的扁平圆形线圈构成，如图3-16所示。

传感线圈由高频电流i激磁，产生高频交变磁场Φi，此小在被测体平面上产生电涡流ie。根据电磁感应定律，电涡流ie对Φi取去磁作用，以阻止Φi的变化。图中Φe表示由电涡流ie产生的磁场，因而Φe与Φi反向。显然传感线圈与被测体之间的距离δ越小，电涡流效应越强，从而把非电量δ转换为电量，以实现位移量的测量2.等效电路

电涡流传感器的等效电路如图3-17所示，它类似于付边短路的空心变压器。图中R1和L1为传感线圈的电阻和自感，上一页下一页返回第三节电涡流传感器M为传感线圈与被测体间磁藕合等效互感。按KVL可列出图3-17所示电路电压平衡方程为求解方程可得电涡流传感器的等效阻抗为式中涡流回路的反射电阻;涡流回路的反射电感。由式(3-23)可得电涡流传感器的品质因数为上一页下一页返回第三节电涡流传感器式中

无涡流效应时传感线圈的品质因数。

由以上分析可知，电涡流传感器等效阻抗Z与被测体涡流回路电阻率、导磁率、激励源频率以及传感线圈与被测体间距离有关，即Z=F(δ，ρ，f，μr)是一个四变量函数，实际上当被测体材料及激磁频率一定时，阻抗Z将是δ的单值函数，因而高频反射式电涡流传感器可以实现位移量的测量。3.工作特性

从电涡流效应的形成原理可知，当传感线圈受到一定强度的电流I1激励后，所形成的电涡流密度、上一页下一页返回第三节电涡流传感器

贯穿深度及涡流效应的灵敏度、线性度等与诸多因素有关

1)电涡流的径向密度

(1)电涡流的径向密度与传感线圈的外径有关

电涡流的径向分布是不均匀的，但保持如下一定的比例关系:当涡流半径r等于线圈外圆半径R时，密度最大;而后随着涡流半径的增大和减小，密度都显著下降，在r↑=0时，密度等于0，在r↓=2.5SR时，密度亦趋于0。

(2)电涡流的径向密度与传感线圈对被测体的间距δ成反比。

即当间距δ=0时，电涡流的密度最大，而后随着间距的增加，密度显著下降，当δ↑=R时，电涡流密度下降到最大值的30%上一页下一页返回第三节电涡流传感器2)电涡流的贯穿深度

电涡流的贯穿深度h与被测体涡流回路电阻率ρ成正比，与其相对导磁率μr及电源频率f成反比，其计算关系为当f=1MHz时，铁板的贯穿深度为1.78μm，铜板的贯穿深度为65.6μm,铝板的贯穿深度为85.15μm3)电涡流效应的灵敏度

当传感线圈的结构性能和激磁电流一定的情况下，电涡流效应与被测体的物理性能和几何尺寸密切相关。

(1)被测体材料物理性能的影响。由以上分析可知，被测体材料的电阻率和导磁率直接影响着电涡流效应，上一页下一页返回第三节电涡流传感器因而也引起灵敏度的变化。一般来说，被测体电阻率P越高，电涡流的灵敏度Kr也越高;被测体导磁率μr越高，电涡流的灵敏度Kr越低。

(2)被测体几何尺寸的影响。由电涡流的径向分布可知，若被测体能形成涡流的平面面积远远大于传感线圈的平面面积时，灵敏度不发生变化。若被测体的涡流平面小于线圈平面时，灵敏度Kr将随被测体平面的减小而下降;当被测体涡流平面只有传感线圈平面面积的一半时，其灵敏度也减小一半若被测体是圆柱体时，为了获得较高的灵敏度，要求圆柱体的直径D是传感线圈外圆直径d的3.5倍以上，此时灵敏度比较稳定;当圆柱体直径D减小到线圈直径d相同大小时，上一页下一页返回第三节电涡流传感器灵敏度将降至70%左右。

对于平面形被测体，其厚度也不能太薄，一般要有0.2mm以上，否则由于电涡流穿透作用的影响，将引起灵敏度下降。同时，在测试现场周围的附加电场或磁场的存在，也会导致灵敏度下降

4)非线性

一般来说，灵敏度越高，线性度越差(仅指未采取补偿措施时)。电涡流传感器线性工作范围一般为传感线圈外径的1/5一1/3，线圈外径越大，线性范围越大。因此，电涡流传感器的线圈通常都采用窄而扁的结构。4.测量电路

上一页下一页返回第三节电涡流传感器根据电涡流效应原理和等效电路，电涡流传感器输出的测量电路(MeasuringCircuit)有下述3种形式

1)谐振法

谐振法是依照LC电路谐振原理，实现对电涡流传感器输出信号测量的方法。根据LC谐振电路的幅值及频率特性(FrequencyResponse)，又分为调幅法和调频法。

(1)调幅法。调幅法是以传感线圈与调谐电容组成并联LC谐振回路，由石英振荡器提供高频激磁电流，如图3-18所示，测量电路的输出电压u0正比于LC谐振电路的阻抗Z,激磁电流i0和谐振阻抗Z越大，输出电压u0=i0Z越高

初态时，传感器远离被测体，上一页下一页返回第三节电涡流传感器

调整LC回路谐振频率等于石英晶体振荡器频率fo，即此时LC并联谐振回路的等效阻抗Z最大，即式中R’是谐振回路的等效电阻，式中的L即为传感线圈自感L1。在谐振频率f。以外，LC回路的等效阻抗将显著减小，如图3-19所示。工作时，传感器接近被测体，传感线圈的激磁磁通在被测体上产生涡流效应，此时谐振回路的等效电感L及等效阻抗Z发生变化，此变化即反应传感线圈与被测体之间距离δ的变化，即被测位移量的变化

当被测体为软磁材料时，由于导磁率μ增加，上一页下一页返回第三节电涡流传感器谐振回路的等效电感L增加，LC回路谐振频率减小，谐振曲线左移，谐振阻抗由初态最大值Z。降至Z1，对应的谐振频率为f1当被测体为硬磁材料时，由于导磁率μ减小，等效电感L减小，LC回路谐振频率增大，谐振曲线右移，谐振阻抗由初态最大值Z。降至Z2，对应的谐振频率为f2。由于并联谐振电路输出电压U0=i0Z，因而传感线圈与被测体之间距离δ的变化，引起Z的变化，使输出电压跟随变化，从而实现位移量的测量，故称调幅法。

(2)调频法调频法是以LC谐振回路的频率作为输出量，直接用频率计测量;或通过测量LC回路等效电感L，间接测量频率变化量。上一页下一页返回第三节电涡流传感器此时，传感线圈作为LC谐振回路的电感L，如图3-20所示，是一个电感三点式调频测量电路。测量时，由于传感线圈与被测体之间距离δ的变化，引起电感或频率变化，亦可实现位移量的测量。

这种方法稳定性较差，几个皮法的分布电容可能引起几个kHz的频率变化，虽然可以通过扩大调频范围来提高稳定性，但调频的范围不可能无限扩大2)正反馈电路法

图3-21所示为采用正反馈电路的方法实现电涡流效应的测量。

图中Zr为一固定的线圈阻抗，上一页下一页返回第三节电涡流传感器ZL为传感线圈电涡流效应的等效阻抗，当线圈与被测体间距离δ变化时，ZL亦发生变化，其结果引起运算放大器输出电压变化，经检波和放大后使测量电路输出电压u0变化。

3)电桥法

对于差动电涡流传感器，常用电桥法实现传感器输出信号的测量，如图3-22所示。图中L1和L2为传感器两线圈电感，分别与选频电容C1和C2并联组成两桥臂，电阻R1和R2组成另外两桥臂。静态时，电桥平衡，桥路输出uAB=0工作时，传感器接近被测体，电涡流效应等效电感L发生变化，测量电桥失去平衡，即uAB≠0，经线性放大后送检波器检波后输出直流电压U，上一页下一页返回第三节电涡流传感器显然此输出电压U的大小正比于传感器线圈的移动量，以实现对位移量的测量

二、低频透射式电涡流传感器

低频透射式电涡流传感器如图3-23所示。当传感线圈激磁频率在1kHz以下时，电涡流的趋肤效应极大地减弱，穿透能力极大地加强，由式(3-25)可知，此时可用来检测金属薄板厚度，故称之为低频透射式电涡流传感器。

图3-23中L1是发射线圈电感，L2是接收线圈电感，i1为激磁电流，Φ1为激磁磁通，ie为涡流，u2为L2上的电磁感应电压。显然，在一定的激磁电流i1作用下，金属板厚度尺寸h越大，穿过金属板到达接收线圈的磁通Φ2就越小，上一页下一页返回第三节电涡流传感器感应电压u2也相应减小，即u2与h之间有着对应的函数关系u2=f(h)。由图3-24可知，频率越低，磁通穿透能力越强，在接收线圈上产生的感应电压也越高这种传感器一般可用来检测100mm以下的金属板厚度，分辨率可达0.1μm上一页返回第四节电感传感器的应用前面介绍的3种不同工作原理的电感传感器，都可以用来直接测量位移量，亦可以测量能转换为位移量的其他非电量，但各自应用的领域有所不同，下面介绍几个应用实例。一、电感测微仪

电感测微仪是一个差动式自感传感器测量微位移装置，其测量电路如图3-25所示。图中两传感线圈和两电阻组成交流测量电桥，电桥输出交流电压经放大后送相敏检波器，检波输出直流电压由直流电压表或显示器输出。二、力平衡式差压计力平衡式差压计是一个差动变压器测量电路，如图3-26所示。图中N1，N21，下一页返回第四节电感传感器的应用N22分别为差动变压器初级线圈和两次级线圈，D1,D2和C为半波整流电容滤波电路。当动铁处于中间位置时，膜盒亦在正中处，此时膜盒的上下压力相同，即P1=P2时，差动变压器输出电压U=0。当P1和P2大小不同时，膜盒产生位移，带动着动铁移动，此时差动变压器输出电压U≠0，其大小和极性即表示动铁位移的大小和方向，从而可测出P1与P2的压力差。三、位移计上一页下一页返回第四节电感传感器的应用电涡流传感器的基本应用是组成位移计，如图3-27所示。其中图3-27(a)直接检测传动轮的轴向位移量，图3-27(b)间接检测膨胀体轴向膨胀量。四、振动计利用涡流传感器还可以实现对振动的测量，如图3-28所示上一页返回图3-1气隙型自感传感器原理图返回(a)变气隙长度;(b)变气隙截面积图3-2自感传感器特性曲线返回图3-3差动自感传感器原理图 返回图3-4差动自感传感器特性曲线返回图3-5基本交流测量电桥返回图3-6基本测量电桥输出特性 返回图3-7带相敏整流测量电桥返回图3-8带相敏整流电桥输出特性返回图3-

9紧耦合测量电桥 返回图3-10T形等效电路 返回图3-11紧耦合测量电桥等效电路返回图3-12差动变压器原理图 返回(a)结构;(b)等效电路图3-13差动变压器输出电压特性返回图3-14差动变压器外补偿电路 返回(a)R一R;(b)R一C;(c)R一L图3-15差动整流电路 返回(a)全波电流输出;(b)半波电流输出;(c)动全波电压输出;(d)半波电压输出图3-16高频反射式电涡流传感器原理图返回图3-17电涡流传感器等效电路返回图3-18调幅法测量电路返回图3-19阻抗谐振曲线返回图3-20电感三点式调频测量电路返回图3-21反馈法测量电路返回图3-22电桥法测量电路返回图3-23低频透射式电涡流传感器原理图 返回图3-24u2=f(h)曲线 返回图3-25电感测微仪原理图返回图3-26力平衡式差压计返回图3-27 位移计 返回(a)直接险测传动轮的釉向位移量;(b)问接险测膨胀体釉I句膨胀量图3-28振动计 返回(a)转速计;(b)转轴径向振动计;(c)叶片振动计第七章

磁电传感器第一节

霍尔传感器第二节

磁敏电阻第三节

磁敏二极管和磁敏三极管第一节

霍尔传感器霍尔是美国的一位物理学家，他在1879年首先在金属材料中发现了霍尔效应，但由于金属材料的霍尔效应太弱而没有得到应用，后来人们发现某些半导体材料的霍尔效应十分显著，因而制成相应的霍尔元件，广泛用于电磁测量、计数器、转速计、位移及无触点开关等。一、霍尔效应如图7-1所示，在半导体薄片上垂直施加磁场B，在薄片两短边h方向通入控制电流I，则在磁场洛伦兹力FL作用下，在薄片两长边L方向产生电动势，这种现象称为霍尔效应，该电动势称为霍尔电压UH，该半导体薄片称为霍尔元件。下一页返回第一节

霍尔传感器图7-1中，v表示半导体中电子在控制电流I作用下的运动方向和速度，此时电子受到的磁场洛伦兹力大小为式中9为电子的电荷量，FL方向符合左手定则。在F:的作用下，电子向一侧运动，致使在霍尔元件的两长边积累起等量的正、负电荷，形成霍尔电场，FE表示该霍尔电场的电场力;当霍尔电场力FE与洛伦兹力FL相等时，电荷积累达到动态平衡。此时霍尔电压UH的大小为式中RH—霍尔常数(m3/C)；fH（L/b）—霍尔元件形状系数；上一页下一页返回第一节

霍尔传感器d—霍尔元件厚度(m)；L—霍尔元件长度(m)；b—霍尔元件宽度(m)；I—控制电流(A)；B—磁感应强度(特斯拉T，即Wb/m2)。可见，当霍尔元件的半导体材料性能及几何尺寸确定后，霍尔元件的输出电压UH正比于控制电流I和磁感应强度B。二、霍尔元件的基本特性上一页下一页返回第一节

霍尔传感器霍尔元件是由具有霍尔效应的半导体薄片、电极引线及壳体组成的，其电路符号如图7-2所示。图中两短边引线通入控制电流，两长边引线输出霍尔电压;霍尔元件的壳体由非导磁金属、陶瓷或环氧树脂封装而成。由霍尔电压UH表达式可知，要使霍尔元件有较高的灵敏度，必须要求霍尔元件材料有较大的霍尔常数。霍尔常数H等于材料的电阻率与电子迁移率的乘积，金属材料电子迁移率大，但电阻率很小;绝缘材料电阻率极高，但载流子迁移率极低;只有半导体材料适于作霍尔元件，其电阻率和载流子的迁移率都比较大。目前常用的半导体材料有硅、锗、锑化钢和砷化钢等，这些材料不但有较大的霍尔常数，上一页下一页返回第一节

霍尔传感器而且有较好的线性度。由这些半导体材料制成的霍尔元件在应用时都具有如下几个基本特性。1.UH一I特性当KH和B为定值时，在一定的温度下，霍尔电压IIH与控制电流I有较好的线性关系，此时I对IIH有较高的灵敏度。利用这一特性，霍尔元件可直接用于测量电流或激励源电压，也可以用于测量能转换为电流的其他物理量。2.UH一B特性当KH和I为定值时，霍尔电压IIH与磁场B具有单值关系，在磁不饱和时(一般B小于0.5T)UB与B具有线性关系。利用这一特性，霍尔元件可用于测量交、上一页下一页返回第一节

霍尔传感器直流磁感应强度或磁场强度;若B为一个均匀梯度的磁场，则霍尔电压UB取决于霍尔元件在磁场中的位置,从而实现微位移及可转换为微位移的压力、加速度、振动等非电量的测量3.UH一IB特性利用UH与IB的乘积关系，霍尔元件可做成乘法器，当控制电流I和磁场B为同一电源激励时，可利用霍尔元件进行电源输出功率的测量。4.开关特性霍尔元件霍尔效应的建立时间极短(10-12~10-14s)，适宜于作高频信号的检测或无触点开关，利用这一特性，霍尔元件可用于制作计数器或转速计。上一页下一页返回第一节

霍尔传感器5.集成特性霍尔元件具有结构简单、体积小、无活动部件，便于与测量电路一起做成集成霍尔传感器。三、测量电路霍尔元件基本测量电路如图7-3所示，图中控制电流I由电源UE供给，可以是直流电源或交流电源，电位器Rw用于调节控制电流I的大小;RL是霍尔输出电压UH的负载电阻，通常是放大电路的输入电阻。霍尔电压UH一般为毫伏数量级，因而实际应用时霍尔元件输出电压IIH要接差动放大器;根据霍尔元件工作条件不同，霍尔电压可以是线性量或开关量，上一页下一页返回第一节

霍尔传感器因而其测量电路可能是线性型或开关型，如图7-4所示。霍尔电压线性型测量电路如图7-4(a)所示，霍尔元件输出端接线性差动放大器;图7-4(b)所示为开关型测量电路，此时差动放大器工作于开环状态。四、误差及其补偿1.零位误差及其补偿霍尔元件在控制电流I=0或磁场B=0时出现的霍尔电压△UH，称之为零位误差。引起零位误差的因素主要有如下3个。1)直流寄生电势霍尔元件控制电流或霍尔电压两引线电极焊点大小不等、上一页下一页返回第一节

霍尔传感器热容量不同，或接触不良、欧姆电阻大小不等，因而引起温差电势。提高电极焊点结构上的对称性，保持电极引线接触良好，且散热条件相同，可以减小这种直流寄生电势。2)寄生感应电势当控制电流I为交变电流时，此电流形成的交变磁场在电极引线上要产生寄生感应电势。为了减小寄生感应电势，要求各电极引线尽可能短，且布线合理以减少磁交链。3)不等位电势霍尔元件控制电流I和霍尔电压IIH的四电极分布不对称而引起的寄生不等位电势。如图7-5所示，当各电极a,b,c,d对称分布时，各电极之间的电阻r1,r2,r3,r4相等，上一页下一页返回第一节

霍尔传感器此时电阻桥平衡，寄生霍尔电压△UH=0。当各电极分布不对称时，电阻桥失去平衡，故产生不等位寄生电势。不等位电势是产生零位误差的主要原因，其大小通常具有霍尔电压UH相同的数量级，目前在工艺上很难保证电极分布的对称性，因而必须采取电路补偿的方法以消除不等位电势。图7-6所示为两种补偿电路，图7-6(a)所示为电阻值较大的桥臂上并联电阻，图7-6(b)所示为在两相邻桥臂上并联电阻，以增加电极等效电桥的对称性。2.温度误差及其补偿一般来说，半导体材料的电阻率和迁移率都随温度而变化，霍尔元件中常用的几种材料，硅比锗温度系数小一些，上一页下一页返回第一节

霍尔传感器锑化钢对温度最敏感，但其霍尔常数大，砷化钢温度系数最小，但其霍尔常数小。不同材料的霍尔元件都具有一定的温度系数，使霍尔电压UH随温度而变化，产生温度误差。为了减小温度误差，除了选择温度系数小的霍尔元件或采取恒温措施外，通常可采用图7-7所示的恒流源电路补偿方法。

在图7-7中，考虑温度变化可能引起控制电流I和灵敏度KH的变化，可采用恒流源提供控制电流I。此时图中电流I为恒定电流，不受温度影响;在霍尔元件输入端并联电阻rT以减小温度引起KH的变化，电阻rH为霍尔元件等效输入电阻，rT具有与rH相同的正温度系数，此时霍尔元件的控制电流上一页下一页返回第一节

霍尔传感器

基本不变。霍尔元件一般由平面型硅霍尔元件组成，在0.1T磁场作用下，其开路输出电压约为20mV，接负载后不低于10mV。由于霍尔元件输出电压随温度上升而下降，因而通常选用具有负温度系数二极管与霍尔元件串联，温度上升使串联二极管正向压降下降，从而补偿霍尔输出电压。五、集成霍尔传感器开关型集成霍尔传感器是把霍尔元件的输出电压经电路处理后形成一个高电平或低电平的开关量输出，集成电路主要由霍尔元件、差分放大器、施密特触发器等部分组成，如图7-8所示。上一页下一页返回第一节

霍尔传感器差分放大器采取双端输入、双端输出工作方式，将霍尔输出电压放大几十倍;其共模反馈电阻进一步消除温度对输出电压的影响，增强抗干扰能力。施密特触发器将差分放大器输出电压整形为矩形脉冲，并利用整形中的回差进一步提高抗干扰能力。整形后输出的矩形脉冲经倒相后加至输出级，使输出电平与磁感应强度之间的关系如图7-9所示。开关型集成霍尔传感器输出电平具有迟滞现象，其回差宽度△B=BH-BL。△B越小，电平转移灵敏度就越高;反之，△B越大，输出电平抗干扰能力越强。2.线性型集成霍尔传感器上一页下一页返回第一节

霍尔传感器线性型集成霍尔传感器的输出电压与外加磁感应强度之间成线性比例关系、集成电路主要由霍尔元件和差分放大器组成，差分放大器有单端输出和双端输出两种形式，如图7-10所示。差分放大器通常为两级差分放大电路，第二级差分放大采用达林顿管，全电路的增益可达1000倍，因而灵敏度极大地提高;在磁不饱和的情况下，输出电压与磁感应强度有很好的线性关系。这种电路内部一般都没有电源调整电路和附加温度补偿电路，应用时最好外加稳压电路及温度补偿措施。六、霍尔传感器的应用霍尔传感器由于结构简单、体积小、动态特性好、上一页下一页返回第一节

霍尔传感器工作寿命长等特点，因而在许多领域得到广泛应用。1.高斯计如图7-11所示，将霍尔元件垂直置于磁场B中，输入恒定的控制电流I，则霍尔输出电压UH正比于磁感应强度B，用此方法可以测量恒定或交变磁场的高斯数。2.电流计如图7-12所示，将霍尔元件垂直置于磁环开口气隙中，让载流导体穿过磁环，由于磁环气隙的磁感应强度B与待测电流I成正比，当霍尔元件控制电流IH一定时，霍尔输出电压UH则正比于待测电流I，这种非接触检测安全简便，适用于高压线电流检测。上一页下一页返回第一节

霍尔传感器3.转速计如图7-13所示，将霍尔元件移至旋转盘下边，让转盘上小磁铁形成的磁力线垂直穿过霍尔元件;当控制电流I一定时，霍尔输出电压UH决定于小磁铁的磁场。由于小磁铁固定在旋转盘上，当旋转盘随转轴转动时，霍尔元件上获得周期变化的磁脉冲，因而产生相应的霍尔脉冲电压，此脉冲电压单位时间内的个数，正比于转轴的旋转速度，从而实现转速的检测;转盘上磁铁对数越多，传感器测速的分辨率越高。4.霍尔开关霍尔开关不但动态特性好，而且环境适应性好，上一页下一页返回第一节

霍尔传感器既无机械磨损，又无触点烧蚀缺陷，因而在自动控制及报警器电路中得到广泛应用。图7-14所示为一个开门报警器电路。使用开门报警器时，TL3019霍尔传感器装在门框上，磁铁装在门板上，门关闭时TL3019输出保持低电平;门打开时TL3019输出电平由低变高，此正脉冲经0.1μF电容延时后加到TLC555单稳态定时器的控制端5和复位端4上，启动定时器循环控制，使发光管TIL220发光、压电报警器发声，形成声、光报警。图中定时器引脚6和7接1.0μF电容和5.1MΩ电阻，决定TLC555的RC时间常数，即决定声、光报警器发出声、光时间的长短(约5s)。上一页返回第二节

磁敏电阻磁敏电阻(MagnetoResistance)是指利用半导体磁阻效应研制而成的对磁场敏感的元件。如同电阻一样，磁敏电阻也只有两个端子，结构简单，安装方便，因而获得多方面应用。一、磁阻效应某些半导体材料在磁场作用下，不但产生霍尔效应，而且其电阻值也随磁场变化，这种现象称之为磁阻效应(MagnetoResistivity)。引起电阻变化的原因有两个，一个是材料的电阻率随磁场增加而增加，称为磁阻率效应;另一个是在磁场作用下，通过磁敏电阻电流的路径变长，因而电极间电阻值增加，这种现象称为几何磁阻效应。下一页返回第二节

磁敏电阻目前实用的磁阻元件主要是利用半导体的几何磁阻效应，如图7-15所示，是3种不同几何图形的磁阻元件几何磁阻效应半导体材料的几何磁阻效应与材料的几何形状和尺寸有关，如图7-16所示。由于柯比诺元件为盘形元件，其两电极为圆盘中心和圆周边，电流在两电极间流动时，受磁场影响而呈涡旋形流动，霍尔电场无法建立，因而柯比诺元件可以获得最大的磁阻效应，但其电阻值太小实用价值不大。将长方形磁阻元件的LlW比值减小，磁阻效应RB/R。也相应增大，但零磁场下的电阻值R。也要变小。为了获得较大的磁阻效应而又有足够大的Ro，实际上采用L/W<1的多个元件串联，上一页下一页返回第二节

磁敏电阻如图7-17所示为平面电极磁敏电阻。平面电极磁敏电阻通常是在锑化钢(InSb)半导体薄片上，用光刻的方法制作多个平行等间距的金属条构成栅格，这相当于多个L/W<1的长方形InSb薄片磁阻元件串联，既增加了零磁场电阻R0，又可以获得较高的磁阻效应。二、磁敏电阻的基本特性1.磁阻灵敏度通常把磁敏电阻的比值RB/R。称为磁敏电阻的灵敏度，其中凡为无磁场时磁阻元件的阻值，R。是磁感应强度为B时磁阻元件的阻值。2.磁阻特性上一页下一页返回第二节

磁敏电阻磁敏电阻的磁阻特性指的是其阻值R随磁感应强度B变化的特性。特性曲线如图7-18所示，纵坐标为磁阻灵敏度RB/R0，横坐标为磁感应强度B。由特性曲线可知，磁阻元件对正、负磁场的作用具备相同的灵敏度。3.磁阻温度系数磁阻温度系数是指温度每变化1℃,磁敏电阻的相对变化量。磁阻元件一般都是用半导体InSb制作的，其磁阻受温度影响较大。为了改善磁阻温度特性，方法之一是在InSb晶体中掺入一定量的锑化镍NiSb，形成InSb一NiSb共晶磁阻元件，但掺杂后将导致磁阻灵敏度下降;上一页下一页返回第二节

磁敏电阻方法之二是采用两个磁阻元件串联，组成差动式输出，如图7-19所示，这种方法不但具有温度补偿功能，而且使灵敏度得到提高。三、磁敏电阻的应用利用磁敏电阻的磁阻特性，可以应用于无触点电位差计、直线位移传感器、转速计、非接触电流监视电路等方面。图7-20所示为利用三端差动输出式InSb磁敏电阻构成的直线位移传感器。初态时，将磁铁置于InSb平面电极磁敏电阻中间位置，磁场与InSb受磁平面垂直，此时输出电压为U0;位移时，磁铁沿平面方向X直线左右平移，上一页下一页返回第二节

磁敏电阻此时输出电压U0的变化量△U0与直线位移量成正比。利用这种原理可以检测微位移或与微位移有关的其他非电量。图7-21所示为由磁敏电阻构成的磁卡读出器原理电路。图中磁敏电阻MS一F06本身带有永久磁铁，两磁阻元件MR1和MR2接成差动输出方式，可实现对磁卡弱磁场的检测。有些磁敏电阻内还设置有放大、整形电路，其特点不但信噪比高，而且频率特性好，可用于磁性体旋转位置及速度的检测,以及带有磁性墨水印刷的印刷物检测或真假纸币的判别。上一页返回第三节

磁敏二极管和磁敏三极管磁敏二极管(MagnetoDiode)和磁敏三极管是继霍尔元件和磁阻元件之后发展起来的新型半导体磁敏元件。这种磁敏元件具有很高的磁灵敏度(比霍尔元件高数百至数千倍)，可以在较弱的磁场下工作，这是霍尔元件和磁阻元件所不及的。它不但能检测磁场的大小和方向，且体积小、测试电路简单，特别适合制作漏磁检测、磁力探伤及无触点磁敏开关。一、磁敏二极管1.基本结构磁敏二极管是一种PIN型磁敏元件，由硅或锗材料制成，其结构和电路符号如图7-22所示。其中i区为本征或接近本征半导体，亦称本征区;

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磁敏二极管和磁敏三极管在本征区两端用合金法制成高掺杂的P+区和N-区;在本征区的一侧采用杂质扩散法或喷砂法制成载流子复合速度很高的r区，亦称高复合区;在高复合区相对的另一侧L保持光滑的无复合表面，亦称光滑面。2.工作原理磁敏二极管是利用磁阻效应进行磁电转换的。磁敏二极管工作时需加正向偏压，即P+区接正、N-区接负;此时磁敏二极管电阻大小决定于磁场的大小和方向。当磁敏二极管反向偏置时，将呈现高阻状态，且与磁场的作用无关。图7-23所示为磁敏二极管在正向偏压下，载流子受磁场影响情况。和电子能够穿过i区流入N-区和P+区，形成偏流I，上一页下一页返回第三节

磁敏二极管和磁敏三极管只有少数电子和空穴在i区复合掉。如图7-23(b)所示，当磁敏二极管受到外界正向磁场作用时，由正偏压产生的电子、空穴载流子受到磁场的洛伦兹力的作用向r区偏转，并在r区迅速复合，使i区载流子密度减小，于是电阻增加、偏流I减小。如图7-23(c)所示，当磁敏二极管受到外界反向磁场作用时，电子和空穴受洛伦兹力的作用向L面偏转，由于L面为无复合的光滑面，因而到达光滑面后又反射回t区，致使i区载流子密度增加，于是电阻减小、偏流I增大。由以上分析可知，外加磁场的大小和方向的改变，能引起磁敏二极管电阻或偏流的改变，因而可以实现磁电转换。上一页下一页返回第三节

磁敏二极管和磁敏三极管3.主要特性1)伏安特性在给定的磁场下，磁敏二极管正向偏压与偏流的关系被称为磁敏二极管的伏安特性。如图7-24所示，在正向偏压一定时，正向磁场越大，磁阻越大，偏流越小;反向磁场越大，磁阻越小，偏流越大。而在同一磁场下，加在磁敏二极管上的偏压越大，偏流也越大;在一定的偏压范围内，伏安特性有近似的线性关系。2)磁电特性磁电特性是指磁敏二极管输出电压变化量与外加磁场的关系。如图7-25所示，上一页下一页返回第三节

磁敏二极管和磁敏三极管单只磁敏二极管正向磁场下输出电压的灵敏度大于反向磁场下的灵敏度，且在B<0.1T时具有较好的线性关系，即磁敏二极管对弱磁场具有较好的磁电特性和较高的磁灵敏度。若要获得更大的线性工作范围，可采用两管互补使用。4.温度特性及补偿由于磁敏二极管是由锗和硅材料制成的，因而温度对磁敏二极管性能参数的影响较大，在使用磁敏二极管时，必须采取相应的温度补偿措施，常用的补偿电路如图7-26所示。当磁敏二极管单管使用时，可采用与磁敏二极管温度特性相同的热敏电阻串联电路补偿。如图7-26(a)所示，此时温度引起热敏电阻RT和磁敏二极管D的电压增量相同，上一页下一页返回第三节

磁敏二极管和磁敏三极管串联分压结果输出电压Uo中无温漂。当采用两只磁敏二极管工作时，可选择两只磁电特性相同的磁敏二极管接成差动半桥的方式补偿。如图7-26(b)所示，此时两磁敏二极管的磁敏感面应相对或背向放置，即两管感受相反极性的磁场作用，根据差动桥的加减特性，不但可以实现温度自补偿，而且可以提高输出电压的灵敏度。图7-26(c)是差动全桥补偿电路，四只磁敏二极管具有相同的磁电特性，按照相邻桥臂磁极性相反的原则接入四个桥臂上，此时不但具有温度自补偿，而且电桥输出电压的灵敏度更高。二、磁敏三极管上一页下一页返回第三节

磁敏二极管和磁敏三极管1.基本结构磁敏三极管是在磁敏二极管基础上发展起来的磁敏晶体管，由Si或Ge材料经掺杂扩散而成硅管或锗管，亦有NPN型和PNP型，图7-27表示NPN型磁敏三极管的基本结构和电路符号。在图7-27(a)中，与集电极c,发射极P和基极b相联的分别称之为集电区、发射区和基区，在本征区i的一侧形成高复合率的复合区r，在r区的对面仍保持无复合的光滑面。2.工作原理磁敏三极管亦是利用半导体的磁阻效应进行磁电转换的。磁敏三极管工作时，如同双极型三极管一样，上一页下一页返回第三节

磁敏二极管和磁敏三极管需要在基极与发射极间加正向偏压，而在基极与集电极间加反向偏压，此时磁敏三极管中载流子的运动决定于外加磁场的大小和极性，如图7-28所示。在图7-28(a)中，当磁敏三极管未受外加磁场作用时，由于磁敏三极管基区宽度大于载流子有效扩散长度，由发射区发射的电子只有一小部分扩散到集电区，而大部分电子在正偏压作用下穿过i区到达基区，形成较大的基极电流Ib，此时Ib>Ic,β=Ic/Ib<1。在图7-28(b)中，当磁敏三极管受到外界正向磁场作用时，由发射区发射的电子在i区受到磁场洛伦兹力FL作用，向集电区一侧偏转，使集电极电流入增加，上一页下一页返回第三节

磁敏二极管和磁敏三极管基极电流Ib减小，此时Ic>Ib,β=Ic/Ib>1.在图7-28(c)中，当磁敏三极管受到外界反向磁场H-作用时，由发射区发射的电子在i区受到磁场洛伦兹力FL作用，向高速高复合的r区偏转，使入和入，都显著减小。由上分析可见，磁敏三极管在正、反向磁场作用下，其集电极电流Ic发生显著变化，因而磁敏三极管可用来实现磁电转换。3.主要特性1)伏安特性磁敏三极管的伏安特性类似于普通双极型三极管的伏安特性，如图7-29所示。上一页下一页返回第三节

磁敏二极管和磁敏三极管图7-29(a)表示无磁场(B=0)作用时的伏安特性曲线，此时集电极电流Ie主要受基极电流Ib的影响，即发射结正向偏压越大，偏流Ib越大，则Ie亦越大;而集、射电压Uce对Ie基本无影响。此时Ib>Ie，即β=Ie/Ib<1，这一点与普通三极管不同。图7-29(b)表示有磁场(B≠0)作用时的伏安特性曲线，此时当Ib，一定时，Ie的大小决定于磁场的大小和极性。2)磁电特性磁电特性是磁敏三极管最重要的工作特性，它反映外加磁场对磁敏三极集电极电流le的影响，图7-30表示NPN型锗管的磁电特性。由图可知，上一页下一页返回第三节

磁敏二极管和磁敏三极管磁敏三极管在正向磁场下输出电流的灵敏度大于在反向磁场下的灵敏度，且在弱磁场下具有近似的线性关系。不同类型的磁敏三极管具有各自不同的磁电特性及其线性工作范围，使用时应根据电路的需要选择磁敏三极管。4.温度特性及补偿如同磁敏二极管一样，磁敏三极管对温度的变化也十分敏感，因而使用磁敏三极管时必须采取相应的温度补偿措施，图7-31是几种常见的温度补偿电路。图7-31(a)是采用具有电流正温度系数的普通硅三极管V，补偿具有电流负温度系数的硅磁敏三极管Vm，的集电极电流的温漂。上一页下一页返回第三节

磁敏二极管和磁敏三极管图7-31(b)是采用具有电流正温度系数的锗磁敏二极管Dm，作具有集电极电流正温度系数的锗磁敏三极管Vm负载，补偿磁敏三极管输出电压的温漂。图7-31(c)是采用PNP和NPN组成两管互补式补偿电路，如果两管集电极电流温度特性完全一致，则集电极输出电压不产生温漂。图7-31(d)是采用两管差动输出方式，要求两管磁极性相反，但磁电特性一致。这种电路不但可以实现温度自补偿，而且可以提高磁灵敏度。三、磁敏管的应用相对于其他磁敏器件，磁敏管不但具有很高的磁灵敏度，上一页下一页返回第三节

磁敏二极管和磁敏三极管同时能识别磁场极性;而且体积小、功耗低，因而具有广泛的应用前景。可以用于交、直流磁场的检测，特别适用于10-6T以下弱磁场的检测;可制作钳形电流表，对高压大电流进行不断线检测;制作无触点开关或接近开关等。尤其是磁敏三极管，其磁灵敏度比磁敏二极管大十多倍，且动态性能好、噪声小,是一种很有发展前途的新型半导体磁敏器件。上一页返回图7-1霍尔效应原理图返回图7-2霍尔元件电路符号 返回图7-3霍尔元件基本测量电路 返回图7-4霍尔元件测量电路 返回(a)线性型；(b)开关型图7-5霍尔元件不等位电势原理图返回(a)小对称电极；(b)电极等效电桥图7-6不等位电势补偿电路 返回图7-7温度补偿电路返回图7-8开关型集成霍尔传感器原理框图返回图7-9输出电平与磁感应强度关系返回图7-10线性型集成霍尔传感器原理框图返回(a)单端输出;(b)双端输出图7-11高斯计原理图 返回图7-12电流计原理图 返回图7-13转速计原理图返回图7-14开门报警器电路图 返回图7-15几何磁阻效应示意图 返回(a)LlW<1;(b)LlW>1;(c)柯比诺元件图7-16几何形状与磁阻变化特性返回图7-17平面电极磁敏电阻 返回图7-18磁阻特性曲线 返回图7-19两磁阻元件串联 返回图7-

20磁敏电阻测直线位移返回图7-21磁卡读出器原理电路返回图7-22磁敏二极管结构和电路符号返回(a)基本结构；(b)电路符号图7-23磁敏二极管载流子受磁场影响返回(a)无磁场;(b)正向磁场;(c)反向磁场图7-24磁敏二极管伏安特性 返回图7-25磁敏二极管磁电特性 返回图7-26磁敏二极管温度补偿电路返回图7-27NPN磁敏三极管基本结构和符号 返回(a)攀本结构;(b)电路符号图7-28磁敏三极管载流子受磁场影响 返回(a)无磁场:(b)正向磁场:(c)反向磁场图7-29磁敏三极管伏安特性返回(a)B=0;(b)B≠0图7-30NPN型锗管磁电特性 返回图7-31磁敏三极管温度补偿电路返回第八章

光电传感器第一节

光电传感器第二节

光栅传感器第三节

固态图像传感器第一节

光电传感器光是由具有一定能量的粒子组成，根据爱因斯坦光粒子学说，每个光子所具有的能量E与其频率f的大小成正比(即E=hf，式中h=6.626x10-34J·S，为普朗克常数)。光照射在物体上可看成一连串具有能量的光子对物体的轰击，物体中的电子吸收光子能量而产生相应的电效应，即光电效应，这是实现光电转换的物理基础。光电效应依其表现形式的不同，通常可分为三大类。①光电导效应—光照改变半导体的导电率，从而引起半导体电阻值的变化效应，光敏电阻属于这类光电效应器件。②光生伏特效应—光照改变半导体PN结电场，从而引起PN结电势的变化效应，故又称PN结光电效应，光电池、下一页返回第一节

光电传感器光敏晶体管等属于这类光电效应器件。③光电发射效应—某些物质(如金属丝)在光的照射下，能从表面向外部发射电子的现象，称为光电发射效应，利用这种效应制作的光电器件有光电管和光电倍增管。光电发射效应发生在物体的表面，因而又称为外光电效应;相应地，光电导效应(PhotoconductionEffect)和光生伏特效应被称为内光电效应。基于外光电效应的光电管和光电倍增管，是一组大功率管，其外形类似于电子管。光电管是内装有阴极和阳极的真空玻璃管，阴极接收光照发射电子，具有一定电位的阳极即时接收阴极发射的电子，并在管内形成空间电子流;上一页下一页返回第一节

光电传感器若光电管外电路接通，则在外电路上形成的电流与阴极光照强度成正比。普通光电管的光电流都很小，一般只有零点几微安，不易检测，故常用光电倍增管将此电流放大。光电倍增管除了内装有阴极和阳极外，一般还装有12一14个光电倍增极，其上涂有受电子轰击能产生更多电子的物质;各个光电倍增极上所加的电压依次升高，阴极电位最低，阳极电位最高，阳极与阴极之间的电压一般为1000~2500V;相邻两倍增电极之间的电位差在50-100V，具有加速电场的功能，因而光电倍增极具有很强的光电倍增作用，可将阴极发射的电子流放大几万倍以上，即使在很微弱的光照下，亦可产生较大的光电流。上一页下一页返回第一节

光电传感器光电导效应和光生伏特效应均为内光电效应，本文下面仅介绍几种常见的内光电效应器件及其应用。一、光敏电阻1.光敏电阻的光电效应光敏电阻是典型的光电导效应器件。无光照时，其阻值很高;有光照时，其阻值大大下降，光照越强阻值越低;光照停止，又恢复高阻状态。半导体光电导效应内部机理如图8-1所示。半导体受光照时，其共价键中的价电子吸收光子能量，由价带穿越禁带到达导带，成为光生自由电子，使得半导体中自由电子一空穴对增加，导电率提高，电阻值下降。光照停止时，上一页下一页返回第一节

光电传感器失去光子能量的光生自由电子又重新迭落回价带与空穴复合，自由电子一空穴对减少，导电率下降，电阻值提高。图中Eg称为禁带宽度，价电子吸收的光子能量E>Eg时，才能穿越禁带成为自由电子，光照越强、E越大，光生自由电子越多，电阻值越小。光照停止或光强减小使E<Eg时，光生自由电子又迭回价带成为价电子，使电阻值增加或恢复高阻状态。图8-2是光敏电阻光电效应实验电路，当偏压U一定时，检流计指示电流I的大小决定于光敏电阻上的光照强度。无光照时，检流计指示的电流很小，此时的电流称为暗电流;此时光敏电阻的阻值很高，相应称为暗电阻，上一页下一页返回第一节

光电传感器暗电阻通常为兆欧级。有光照时，检流计指示的电流较大，此电流称为亮电流;此时，光敏电阻的阻值显著减小，相应称为亮电阻，亮电阻一般为千欧以内。由光照所产生的自由电子一空穴流称为光电流，显然光电流是亮电流与暗电流之差，由于暗电流很小，在工程分析时可把亮电流看成光电流。2.光敏电阻种类光敏电阻是一个纯电阻性两端器件，适用于交、直流电路，因而应用广泛，种类很多。对光照敏感的半导体光敏元件都可以制成光敏电阻，上一页下一页返回第一节

光电传感器目前人类已开发应用的光波频谱范围为0.1一1021Hz，相应的波长为3x109m~0.3pm。半导体光敏元件的敏感光波长为纳米波，按其最佳工作波长范围可分为三类。(1)对紫外光敏感元件。紫外光是指紫外线(波长λ=10~380nm)的内侧光波，波长为300一380nm。对这类光敏感的材料有氧化锌(ZnO)、硫化锌(ZnS)、硫化镐(CdS),硒化镐(CdSe)等，这类敏感元件适于作a,B，Y射线检测及光电控制电路。(2)对可见光敏感元件。可见光波长范围为380一760nm，对这类光敏感的材料有硒(Se)、硅(Si)、锗(Ge)及硫化铭(TiS)硫化镐(CdS)等，尤其是TiS光敏元件，上一页下一页返回第一节

光电传感器它既适用于可见光，也适用于红外光。这类敏感元件适用于光电计数、光电藕合、光电控制等场合。(3)对红外光敏感元件。红外光是红外线(波长λ=760一1x106nm)的内侧光波，波长为760一6000nm。对这类光敏感的材料有硫化铅(Pb9)、硒化铅(PbSe},锑化钢(InSb)等，这类敏感元件主要用来探测不可见目标。3.光敏电阻的基本特性(1)光谱特性。光敏电阻的光谱特性是指光电流对不同波长单色光的相对灵敏度。图8-3表示部分光敏元件的光谱特性，其中硫化锌对波长为300nm左右的紫外光最敏感;硫化镐光敏波长的峰值在670nm左右;上一页下一页返回第一节

光电传感器硫化铭的敏感波长范围很宽，为300一1400nm，其峰值波长为1000nm左右;硫化铅具有很宽的敏感波长范围，其峰值波长约2300nm(2)光照特性。光敏电阻的光照特性是指在一定的电压下，光电流I与光照强度E的关系。如图8-4所示，光敏电阻具有很高的光照灵敏度，且具有明显的非线性，可作控制元件，不宜作计量元件。(3)伏安特性。光敏电阻的伏安特性是指在一定强度的光照下，光敏电阻的端电压与光电流的关系。如图8-5所示，伏安特性是一个线性关系特性，但不同材料的光敏电阻具有不同的伏安特性，上一页下一页返回第一节

光电传感器且各类光敏电阻都有最大允许功耗和最大允许电压的要求，超过此极限值将会导致元件永久性损坏。(4)频率特性。频率特性是指光敏电阻上的光电流对入射光调制频率的响应特性。如图8-6所示，一般来说，调制频率f越高，电流相对灵敏度Kr越低，这反映光敏元件具有一定的惰性，有的材料光响应时间达几百毫秒。光敏电阻的响应时间不但与元件的材料有关，而且还与光照强弱有关，光照越强，响应的时间越短。(5)温度特性。温度特性是指光敏电阻工作特性受温度的影响。例如温度升高时，它的暗电阻减小，即暗电流增加、灵敏度下降。同时，温度上升还引起光谱特性曲线左移，上一页下一页返回第一节

光电传感器导致光敏电阻敏感波长减小。图8-7是硫化铅光谱温度特性二、光电池1.光电池的光电效应光电池是典型的光生伏特效应器件，如图8-8所示，无光照时，两浓度差很大的杂质半导体P和N因扩散运动形成一个大面积的PN结，PN结电场方向是由N区指向P区。当光照射到PN结上时，如果光子能量足够大，就将在PN结附近激发出大量的电子一空穴对。在PN结电场作用下，N区的光生空穴被拉向P区，P区的光生电子被拉向N区;其结果在P区聚积正电荷，带正电，在N区聚积负电荷，带负电，即在P区和N区间形成一定伏特数的电位差，上一页下一页返回第一节

光电传感器称为光生电势。此时若用导线将PN结两端连接起来，闭合电路中就有电流，此电池称为光生电流。显然，光照越强，激发的光生电子和空穴越多，所形成的光生电势或光生电流就越大。2.光电池的基本特性光电池的种类很多，如硒光电池、锗光电池、硅光电池、砷化稼光电池、氧化亚铜光电池等。不同种类光电池性能差异很大，其中硅光电池(SiliconOptical-electricCell)性能最好，其光谱范围宽、频率特性好、换能效率高，且工作性能稳定。1)光谱特性上一页下一页返回第一节

光电传感器光电池对不同波长光的灵敏度是不同的，不同材料的光电池对入射光波长的敏感范围是不同的，图8-9为硅光电池和硒光电池的光谱特性曲线。从图中可知，硅光电池敏感波长范围是450一1100nm，峰值波长为800nm;硒光电池敏感波长范围是380~750nm，峰值波长在500nm附近。可见，硅光电池适应光波长的范围比硒光电池宽得很多。2)光照特性光电池在不同光照强度下，有不同的光生电势或光生电流，图8-10所示为硅光电池的光照特性。图中开路电压是指光电池输出端开路时的电压，上一页下一页返回第一节

光电传感器即光生电势。单片硅光电池的开路电压为0.45~0.6V，此电压在2000Ix以内光照下趋于线性，在2000Ix以上为非线性，因而光电池不宜作电压源使用。图中短路电流是指光电流输出端短路时的电流，即光生电流。硅光电池短路电流密度为15~30mA/cm2，此电流在很宽的光照范围内都具有线性关系，因而光电池宜作电流源使用。图8-11是光电池开路电压和短路电流的实验电路。在此实验电路中，忽略了光电池PN结结电容及PN结漏电流的影响光电池的开路电压等于图8-11(a)中的光生电势E，光电池的短路电流等于图8-11(b)中的光生电流IS。实验表明，上一页下一页返回第一节

光电传感器负载电阻RL越小，光照特性的线性关系越好，因而在使用中应尽量选择负载电阻小的场合。硒光电池具有与硅光电池相似的光照特性。3)频率特性光电池输出光电流随入射光调制频率的关系如图8-12所示。由图可知，硅光电池具有较稳定的频率特性，适用于作高速计数的运算器电池。4)温度特性温度特性是描述光电池的开路电压和短路电流随温度变化的关系。图8-13是硅光电池由图可知，硅光电池的开路电压随温度升高而迅速下降，温度每上升1℃，上一页下一页返回第一节

光电传感器开路电压约降低3mV。硅光电池的短路电流随温度升高而缓慢上升，温度每上升1℃，短路电流约增加2μA由于温度变化对光电池的光电转换性能影响很大，因而光电池在使用时，一定要有