第3章 电抗式和霍尔传感器 -2014

1、1第三章第三章 电抗式和霍尔传感器电抗式和霍尔传感器 23.1.1 3.1.1 电容式传感器工作原理电容式传感器工作原理0 rAAC 由两平行极板组成一个电由两平行极板组成一个电容器，若忽略其边缘效应，容器，若忽略其边缘效应，它的电容量可用下式表示：它的电容量可用下式表示：+A 3.1 3.1 电容式传感器电容式传感器3 思考：思考：上式中，哪几个参量可以作为变量？可上式中，哪几个参量可以作为变量？可以做成哪几种类型的电容传感器？以做成哪几种类型的电容传感器？ 、A A或或发生变发生变化时，都会引起化时，都会引起电容的变化。电容的变化。0 rAAC 圆筒形电容器的电容为圆筒形电容器的电容为02

2、ln/rlCR r 41.1.极距极距 变化型变化型+0rAC +设动片未动时的电容量为设动片未动时的电容量为 ：00AC设动片移动设动片移动x x时的电容量为时的电容量为 ：0XACx电容量电容量C C与与x x不是线性关系。不是线性关系。 3.1.2 3.1.2 电容式传感器结构形式电容式传感器结构形式5002000020000(1)(1)(1)(1)(1)(1)XxxAAAACxxxxx量程量程 x x 远小于极板初始距离远小于极板初始距离0 0时：时：22011x0000(1)(1)XxAxCC此时此时C C与与x x便呈线性关系，但量程缩小很多。便呈线性关系，但量程缩小很多。6000

3、 xAACCC100000(1)1CC 当当 时时01 00C C 灵敏度为灵敏度为:0020SCCA 2300000001()()1CC7应用举例应用举例82. 2. 面积变化型面积变化型角位移型角位移型+0(1)( )(1)ACFC9平面线位移型平面线位移型00000()(1)xb lllCCl灵敏度灵敏度 00bCSl增加增加b0值或减少值或减少0值谐可提高传值谐可提高传感器的灵敏度感器的灵敏度 10柱面线位移型柱面线位移型. .113. 3. 介质变化型介质变化型0AC 因为各种介质的相对介电常数不同，所以在电容器两极板间插入不同介质时，电容器的电容量也就不同。124. 4. 差动电容

4、传感器差动电容传感器变距离型变距离型变面积型变面积型13当动片向上移动当动片向上移动 1010120202CCCCCC，则移动则移动 10100000202000001(1/)1/1(1/)1/AACCCCAACCCC 12002CCCC002CCS143.1.3 3.1.3 电容式传感器的测量电路电容式传感器的测量电路v主要作用：将传感器产生的电容量变化转换成电压信号输出主要作用：将传感器产生的电容量变化转换成电压信号输出v测量电路：最常用的是测量电路：最常用的是交流电桥交流电桥。还包括信号放大部分。还包括信号放大部分- -交流交流放大电路放大电路、交流信号转变为直流信号部分、交流信号转变为

5、直流信号部分- -解调电路解调电路、高频干、高频干扰的滤除部分扰的滤除部分- -滤波电路滤波电路等。等。电容式传感器测量电路电容式传感器测量电路15当电桥平衡时，当电桥平衡时，CDCD两点的电势在任一两点的电势在任一瞬间都相等，由欧瞬间都相等，由欧姆定律得：姆定律得：1423Z ZZ ZjiiiiiZRjXZZ e16161313242413132424R RX XR RX XR XX RR XX R用极坐标形式表示为：用极坐标形式表示为： 23142314ZZZZ可以表示为：可以表示为： 交流电桥至少应有两个可调节的标准元件，通常交流电桥至少应有两个可调节的标准元件，通常是用一个是用一个可变

6、电阻可变电阻和一个和一个可变电抗可变电抗，调节交流电调节交流电桥平衡要比调节直流电桥平衡复杂桥平衡要比调节直流电桥平衡复杂。jiiiiiZRjXZZ e17交流电桥与直流电桥对比交流电桥与直流电桥对比 18 电容电容传感器传感器平衡条件平衡条件4231ZZZZ19电容电桥电容电桥交流电源交流电源化简得到化简得到，电桥输出：，电桥输出：不平衡交流电桥不平衡交流电桥电桥输出信号为交流信号，被测电桥输出信号为交流信号，被测电容量会改变输出交流信号的幅电容量会改变输出交流信号的幅值，因此可以通过测量输出信号值，因此可以通过测量输出信号幅值得到被测电容量的值。幅值得到被测电容量的值。maxcosUUt&

7、amp;304max034/cos(1/1/)()XoXRj CRj CUUtj Cj CRR&340max034cos()()XoXR CR CUUtCCRR&LM324LM324管脚连接图管脚连接图 特点：每级之间有电容器隔直，每一级电路的静态工作点与前后级无关；缺点:输入输出的隔直电容的频带有限，会造成信号一定的变形，级联越多是失真也就越大。反相交流放大器反相交流放大器 fUiRAR 同相交流放大器同相交流放大器 41fURAR 2323（1 1）调制解调基本概念）调制解调基本概念在检测系统中为什么要采用信号调制和解调？在检测系统中为什么要采用信号调制和解调？ 在检测系统

8、中，传感器的输出信号一般很微在检测系统中，传感器的输出信号一般很微弱，从放大处理来看，弱，从放大处理来看，直流放大直流放大有零漂和级间耦有零漂和级间耦合等问题。为此，往往把缓变信号先变为频率适合等问题。为此，往往把缓变信号先变为频率适当的交流信号，然后利用交流放大器放大，最后当的交流信号，然后利用交流放大器放大，最后再恢复为原缓变信号。这样的变换过程称为调制再恢复为原缓变信号。这样的变换过程称为调制与解调与解调2424什么是信号调制？什么是信号调制？ 调制调制就是用一个信号（称为调制信号）去控就是用一个信号（称为调制信号）去控制另一个做为载体的信号（称为载波信号），让制另一个做为载体的信号（称

9、为载波信号），让后者（载波信号）的某一特征参数（幅值、相位后者（载波信号）的某一特征参数（幅值、相位、频率）按前者（调制信号）变化。、频率）按前者（调制信号）变化。 什么是解调？什么是解调？ 在将测量信号调制，并将它和噪声分离，放在将测量信号调制，并将它和噪声分离，放大等处理后，还要从已经调制的信号中提取反映大等处理后，还要从已经调制的信号中提取反映被测量值的测量信号，这一过程称为被测量值的测量信号，这一过程称为解调解调。25调制解调电路的作用：调制解调电路的作用：4/14/20224/14/20222626调制信号、载波信号、已调信号？调制信号、载波信号、已调信号？v调制是给测量信号赋予一定

10、特征，这个调制是给测量信号赋予一定特征，这个特征由作为载体的信号提供。常以一个特征由作为载体的信号提供。常以一个高频正弦信号或脉冲信号高频正弦信号或脉冲信号作为载体，这作为载体，这个载体称为个载体称为载波信号。载波信号。载波信号载波信号)2cos()(ftAtzz(t)z(t)0 0t t27v用来改变载波信号的某一参数，如幅值、用来改变载波信号的某一参数，如幅值、频率、相位的信号称为频率、相位的信号称为调制信号调制信号。v在检测系统中，通常就用在检测系统中，通常就用测量信号作调制测量信号作调制信号信号。经过调制的载波信号叫。经过调制的载波信号叫已调信号已调信号。调制信号调制信号x(t)x(t

11、)0 0t t28（2 2）调制方法）调制方法29a) a) 幅度调制幅度调制(AM)(AM)( )*( )cos(2)tAtx tyfb) b) 频率调制频率调制(FM)(FM)0( )cos()*2 ( )fy tAttxc) c) 相位调制相位调制(PM(PM)0( )cos( )*2)y tAftx t30载波信号：载波信号：由一列占空比不同的矩形脉冲构成。由一列占空比不同的矩形脉冲构成。脉冲宽度调制电路：脉冲宽度调制电路：d)d)脉冲宽度调制脉冲宽度调制理想的脉冲周期序列中（如理想的脉冲周期序列中（如方波），正脉冲的持续时间方波），正脉冲的持续时间与脉冲总周期的比值与脉冲总周期的比值

12、 3100( )cos(2* ()Axtty tf缓变信号缓变信号调制调制高频信号高频信号放大放大放大高放大高频信号频信号解调解调放大缓变放大缓变信号信号v调幅是将一个高频正弦信号（或称载波）与测调幅是将一个高频正弦信号（或称载波）与测试信号相乘，试信号相乘，使载波信号幅值随测试信号的变使载波信号幅值随测试信号的变化而变化化而变化调制原理调制原理(3)调制与解调电路4/14/202232幅度调制与解调过程（波形分析）幅度调制与解调过程（波形分析）乘法器乘法器放大器放大器X(t)Y(t)X m(t)乘法器乘法器滤波器滤波器Y(t)x(t)调制调制解调解调4/14/202233幅度调制与解调过程（

13、数学分析）幅度调制与解调过程（数学分析）乘法器乘法器放大器放大器X(t)Y(t)X m(t)乘法器乘法器滤波器滤波器Y(t)x(t)(tx0( )( ) cos(2)mxtx tf t( )y t( )y t20( )( )cos 2mxtx tf t11022( )( )cos(4)x tx tf t结论：调幅过程在时域是调制波与载波相乘的运算。 调制调制解调解调34 先将微弱的缓变信号加载到高频交流信号中先将微弱的缓变信号加载到高频交流信号中去，然后利用交流放大器进行放大，最后再从放去，然后利用交流放大器进行放大，最后再从放大器的输出信号中取出放大了的缓变信号。大器的输出信号中取出放大了的

14、缓变信号。 例：交流电桥例：交流电桥VinVoR1R3R2R4max0cos2UUf t调幅电路调幅电路0max0max01cos241( )cos24RUUf tRSUtf t( )RStRv从已调信号中检出调制信号的过程称为从已调信号中检出调制信号的过程称为解调解调或或检波检波。v幅值调制就是让已调信号的幅值随调制幅值调制就是让已调信号的幅值随调制信号的值变化，因此调幅信号的包络线信号的值变化，因此调幅信号的包络线形状与调制信号一致。只要能检出调幅形状与调制信号一致。只要能检出调幅信号的包络线即能实现解调。这种方法信号的包络线即能实现解调。这种方法称为称为包络检波包络检波。4/14/202

15、235a). a). 包络检波包络检波 解调原理解调原理包络检波包络检波原理图：原理图：原理：叠加一直流分量 被测量信号直流分量极性全为正高频载波信号调幅波包络检波叠加极性相反的直流分量被还原的信号a) 包络检波解调原理图及实际电路图直流偏置电压能否使调制信号电压都在零线一侧在解调过程中有一加减直流过程，两个直流成分能否完全对称结果：原波形与恢复后的波形在分界正负极性的零点上可能有漂移，使分辨原波形正负极性上可能有误。 4/14/202238b). b). 相敏检波相敏检波相敏检波电路波形分析：高频调幅波频率f0被测量信号高频载波信号频率f0被解调信号二极管相敏检波电路高频参考信号频率f0调制

16、调制解调解调20( )( )cos 2mxtx tf t开关式全波相敏检波电路常用的相敏检波电路：u：输入信号端（已调制信号）；：交流参考电压输入端（载波信号-相敏检波）；：检波信号输出端（被解调的信号）；：直流参考电压输入端（载波信号-包络检波）。u当、端输入控制电压信号时，通过差动电路的作用使D和J处于开或关的状态，从而把端输入的正弦信号转换成全波整流信号。开关二极管场效应管：硅结构过零比较器 实验用相敏检波电路：相敏检波电路选频和鉴相能力：二极管相敏检波电路u相敏检波电路的选频特性:对不同频率的输入信号有不同的传递特性。*当输入信号（已调制信号us）的频率是参考信号uc偶数倍时，它的平均

17、输出uo为零，即相敏检波电路有抑制偶次谐波的功能。参考（载波）信号已调制信号输出解调信号二极管相敏检波电路*当输入信号（已调制信号us）的频率是参考信号uc奇数倍时，它的平均输出信号uo会衰减到1/n（n为奇次倍的倍数），相敏检波电路对奇次谐波有一定抑制作用。 参考（载波）信号已调制信号输出解调信号二极管相敏检波电路u 相敏检波电路的鉴相特性 如果输入信号 为与参考信号 同频信号，但有一定相位差，这时输出电压 结论：可以根据输出信号的大小确定相位差的值。参考（载波）信号已调制信号输出解调信号=0O=-180O=90Ocos()ccmcuUt201cos() cos() () (cos )/ 2

18、2ocmccccmuUtt dtUcos()scut=45O4/14/202244相敏检波与包络检波的主要区别相敏检波与包络检波的主要区别v相敏检波电路能够相敏检波电路能够鉴别调制信号相位鉴别调制信号相位，从而，从而判别被测量变化的方向。判别被测量变化的方向。v相敏检波电路具有相敏检波电路具有选频选频的能力，从而提高测的能力，从而提高测控系统的抗干扰能力。控系统的抗干扰能力。v从电路结构上看，相敏检波电路的主要特点从电路结构上看，相敏检波电路的主要特点是，除了所需解调的调幅信号外，还要是，除了所需解调的调幅信号外，还要输入输入一个参考信号一个参考信号。有了参考信号就可以用它来。有了参考信号就可

19、以用它来鉴别输入信号的相位和频率。鉴别输入信号的相位和频率。45优点：优点： (1)(1)温度稳定性好温度稳定性好 (2)(2)结构简单结构简单 (3)(3)动态响应好动态响应好 (4)(4)可实现非接触式测量可实现非接触式测量缺点：缺点： (1)(1)输出阻抗高，负载能力差输出阻抗高，负载能力差 (2)(2)寄生电容影响大寄生电容影响大461. 1. 电容式液位计电容式液位计 设容器中介质是非设容器中介质是非导电的（如果液体是导电的（如果液体是导电的，则电极需要导电的，则电极需要绝缘），容器中液体绝缘），容器中液体介质浸没电极介质浸没电极2 2的高的高度为度为hxhx，这时，这时总的电总的电

20、容容C C等于气体介质间等于气体介质间的电容量和液体介质的电容量和液体介质间电容量之和间电容量之和。hhx214747气体介质间的电容量气体介质间的电容量C C气气为：为： 1212()lnxhhCRR气液体介质间的电容量液体介质间的电容量C C油油为为: :2212lnxhCRR油48因此，总电容量为两电容并联，由上两式得：12121222211112()222()lnlnlnlnxxxhhhhhCCCRRRRRRRR 气油121221122,()lnlnhABRRRR 令：xCABh则：电容量电容量C C与液体深与液体深度度hxhx成比例关系。成比例关系。电容灵敏度：21212 ()ln(

21、/)xdCKdhRR 340max034()cos()()xoxRRP CR CUUtCCRRRP502.2.电容式接近开关电容式接近开关 电容式接近开关外形：全密封防水式51电容式接近开关在液位测量控制中的使用电容式接近开关在液位测量控制中的使用52 电容式接近开关在物位测量电容式接近开关在物位测量控制中的使用演示控制中的使用演示533.3.电容式差压变送器电容式差压变送器 高压侧进气口低压侧进气口电子线路位置内部不锈钢膜片的位置543.2 3.2 霍尔式传感器霍尔式传感器v霍尔传感器工作原理霍尔传感器工作原理v霍尔元件的结构和基本电路霍尔元件的结构和基本电路v霍尔元件的主要特性参数霍尔元件

22、的主要特性参数v霍尔式传感器的应用霍尔式传感器的应用553.2.1 霍尔传感器工作原理霍尔传感器工作原理v半导体薄片置于磁场中，当它的电流方向与半导体薄片置于磁场中，当它的电流方向与磁场方向不一致时，半导体薄片上平行于电磁场方向不一致时，半导体薄片上平行于电流和磁场方向的两个面之间产生电动势，这流和磁场方向的两个面之间产生电动势，这种现象称种现象称霍尔效应霍尔效应v产生的电动势称产生的电动势称霍尔电势霍尔电势v半导体薄片称半导体薄片称霍尔元件霍尔元件56c cd da ab b霍尔效应演示霍尔效应演示57 半导体薄片置于磁感应强度为半导体薄片置于磁感应强度为B B 的磁场中，的磁场中，磁场方向

23、垂直于薄片，当有电流磁场方向垂直于薄片，当有电流I I 流过薄片时，流过薄片时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势U UH H，这种现象称为霍尔效应。这种现象称为霍尔效应。 磁感应强度磁感应强度B B为零时的情况为零时的情况c cd da ab b58磁感应强度磁感应强度B B 较大时的情况较大时的情况 作用在半导体薄片上的磁场强度作用在半导体薄片上的磁场强度B B越强，霍越强，霍尔电势也就越高。霍尔电势尔电势也就越高。霍尔电势U UH H可用下式表示：可用下式表示： U UH H= = K KH H IB/dIB/d59霍尔常数霍尔常数 1HKne霍

24、尔常数大小取决于导体的载流子密度：霍尔常数大小取决于导体的载流子密度：金属的自由电子密度太大，因而霍尔常数小，霍尔电势也小，金属的自由电子密度太大，因而霍尔常数小，霍尔电势也小，所以金属材料不宜制作霍尔元件。所以金属材料不宜制作霍尔元件。霍尔电势与导体厚度霍尔电势与导体厚度d d成反比：成反比：为了提高霍尔电势值，为了提高霍尔电势值， 霍尔元件制成薄片形状。霍尔元件制成薄片形状。 HHHKUBIS BId1HHKSdned霍尔元件灵敏度（灵敏系数）霍尔元件灵敏度（灵敏系数） 半导体中电子迁移率（电子定向运动平均速度）比空穴迁移半导体中电子迁移率（电子定向运动平均速度）比空穴迁移率高，因此率高，

25、因此N N型半导体型半导体较适合于制造灵敏度高的霍尔元件，较适合于制造灵敏度高的霍尔元件， 60磁场不垂直于霍尔元件时的霍尔电动势磁场不垂直于霍尔元件时的霍尔电动势 若磁感应强度若磁感应强度B B不垂直于霍尔元不垂直于霍尔元件，而是与其法线成某一角度件，而是与其法线成某一角度 时，时，实际上作用于霍尔元件上的有效磁感实际上作用于霍尔元件上的有效磁感应强度是其法线方向（与薄片垂直的应强度是其法线方向（与薄片垂直的方向）的分量，即方向）的分量，即B Bcoscos ，这时的霍，这时的霍尔电势为：尔电势为： U UH H= =S SH HIBIBcoscos 611 元件材料元件材料3.2.2 霍尔

26、元件霍尔元件u霍尔元件的材料1.金属材料不能用来制作霍尔元件。2.霍尔元件宜用N型半导体（载流子浓度小、且迁移率大），如：锗、锑化铟和砷化铟等半导体单晶材料。不宜用P型半导体。具体使用根据具体应用场合和要求来选用。例如：一般测量指示仪表中，大多采用锗和砷化铟元件；作为敏感元件时，则采用锑化铟元件。3.霍尔元件越薄（即d越小），KH也越大，所以一般霍尔元件的厚度d=0.10.2mm，薄膜型霍尔元件只有1微米左右。2 霍尔元件的结构霍尔元件的结构及基本电路及基本电路1.霍尔元件由霍尔片、引线和壳体组成。2.霍尔元件几何形状为长方形，在薄片相对两侧上有两对电极引出线。一对为控制电流端，另一对为霍尔电

27、势输出端。3.霍尔片一般用非磁性金属、陶瓷或环氧树脂封装。电路中用H代表，后面字母代表元件材料，数字代表产品序号。HZ-1元件：锗材料制成的霍尔元件。HT-1元件，说明是用锑化铟材料制成的元件。64643 3 霍尔元件特性参数霍尔元件特性参数(1) (1) 输入阻抗和输出阻抗输入阻抗和输出阻抗 输入阻抗输入阻抗RiRi：控制电流进出端之间的阻抗：控制电流进出端之间的阻抗 输出阻抗输出阻抗RoRo：霍尔电极输出的正负端子间的内阻：霍尔电极输出的正负端子间的内阻(2) (2) 温度系数温度系数 在一定磁场强度和控制电流作用下，温度每变化在一定磁场强度和控制电流作用下，温度每变化1 1 时霍尔电势变

28、化的百分数称为霍尔电势温度时霍尔电势变化的百分数称为霍尔电势温度系数系数 （3 3）最大磁感应强度最大磁感应强度BM BM 上图所示霍尔元件线性范围是负的多少高斯至正的多少高斯？线性区线性区（4 4）最大激励电流最大激励电流I IM Mu霍尔电势随激励电流增大而增大，在应用中希望选用较大激励电流。u激励电流增大，霍尔元件功耗增大，元件温度升高，从而引起霍尔电势温漂增大，u每种型号元件均规定相应的最大激励电流，数值从几毫安至十几毫安。 以下哪一个激励电流的数值较为妥当？5A 0.1mA 2mA 80mA v恒压恒压 用稳压二极管用稳压二极管VDZVDZ获得基准获得基准电压，经电压，经电压电压跟随

29、器跟随器A1A1加加到三极管到三极管VT1VT1上上，使霍尔元，使霍尔元件两端加上恒定件两端加上恒定2V2V电压。电压。v特点：施加电压恒定不变，不平衡电压的温度变化小，但特点：施加电压恒定不变，不平衡电压的温度变化小，但霍尔电流发生变化，输出电压霍尔电流发生变化，输出电压 的温度变化大。的温度变化大。674 4 霍尔元件驱动和放大电路霍尔元件驱动和放大电路（1 1） 驱动电路驱动电路HUv恒流恒流 用稳压二极管用稳压二极管VDZVDZ获得基准电压，获得基准电压，通过霍尔元件的电流通过霍尔元件的电流 由由VDZVDZ的电的电压和电阻压和电阻 决定：决定： 电路中，三极管电路中，三极管VT1VT

30、1接在运算放大接在运算放大器器A1A1反馈环内，可以吸收三极管反馈环内，可以吸收三极管 的变化，抑制特性随温度变化的变化，抑制特性随温度变化。v特点：即使霍尔元件的内阻随外部各种条件变化，特点：即使霍尔元件的内阻随外部各种条件变化，但霍尔电流保持恒定，因此输出电压的温度系数变但霍尔电流保持恒定，因此输出电压的温度系数变小。小。68685.1V/ (mA)HEIRHIERBEUv霍尔元件输出端接霍尔元件输出端接NPNNPN型三型三极管极管VT1VT1和和VT2VT2上，上，VT1VT1和和VT2VT2接成射极跟随器方式，对霍接成射极跟随器方式，对霍尔元件的阻抗进行变换，以尔元件的阻抗进行变换，以

31、便与后级信号处理。便与后级信号处理。v特点：霍尔元件的输出端几乎不流经电流，可获得较大的特点：霍尔元件的输出端几乎不流经电流，可获得较大的霍尔输出电压，减小波形失真，有利于后级电路设计。霍尔输出电压，减小波形失真，有利于后级电路设计。69（2 2） 放大电路放大电路705 .霍尔元件电磁特性霍尔元件电磁特性v当当磁场和环境温度一定磁场和环境温度一定时时: : 霍尔电势与控制电流霍尔电势与控制电流I I成正比成正比v当当控制电流和环境温度一定控制电流和环境温度一定时时: : 霍尔电势与磁场的磁感应强度霍尔电势与磁场的磁感应强度B B成正比成正比v当当环境温度一定环境温度一定时时: : 输出的霍尔

32、电势与输出的霍尔电势与I I和和B B的乘积的乘积成正比成正比 HHUS BI713.2.33.2.3 集成霍尔器件集成霍尔器件 霍尔集成器件分为线性型和开关型两大类霍尔集成器件分为线性型和开关型两大类1.线性型集成电路：线性型集成电路： 将将霍尔元件和恒流源、线性差动放大器霍尔元件和恒流源、线性差动放大器等做在一等做在一个芯片上，输出电压为伏级。较典型的线性型霍尔器个芯片上，输出电压为伏级。较典型的线性型霍尔器件如件如UGN3501UGN3501、DN835DN835、CS825CS825等。等。72线性型霍尔特性线性型霍尔特性 当磁场为零时，输出电压等于零；当感受的磁场为正向（磁钢的S极对准霍尔器件的正面）时，输出为正；磁场反向时，输出为负。 732. 开关型霍尔集成器件开关型霍尔集成器件u将霍尔元件、稳压电路、放大器、施密特触发器、OC门（集电极开路输出门）等电路做在同一个芯片上