传感器及应用第4章

1、第四章第四章 电势式电势式传感器传感器 第一节第一节 压电式压电式传感器传感器 第二节第二节 磁电式磁电式传感器传感器 第三节第三节 霍尔式霍尔式传感器传感器第一节第一节 压电式压电式传感器传感器 压电压电材料材料 压电式传感器的压电式传感器的工作原理工作原理 压电式传感器的压电式传感器的等效电路等效电路 压电式传感器的压电式传感器的信号调节电路信号调节电路 压电式传感器的压电式传感器的应用应用 第一节第一节 压电式压电式传感器传感器一、压电一、压电材料材料 压电式传感器的敏感元件：压电材料压电式传感器的敏感元件：压电材料 压电材料：具有压电材料：具有压电效应压电效应的物质的物质 压电材料的分

2、类：压电材料的分类： 压电晶体压电晶体（单晶）：石英晶体、硫酸锂等（单晶）：石英晶体、硫酸锂等 压电陶瓷压电陶瓷（多晶半导瓷）：钛酸钡等（多晶半导瓷）：钛酸钡等 新型压电材料新型压电材料：压电半导体：压电半导体ZnO、CdS等等 有机高分子压电材料有机高分子压电材料PVF2聚二聚二氟氟 乙烯乙烯 第一节第一节 压电式压电式传感器传感器二、压电式传感器的二、压电式传感器的工作原理工作原理 压电式传感器是利用压电材料本身固有的压电效应，压电式传感器是利用压电材料本身固有的压电效应，将外加的压力转换成电荷变化量，再将电荷（或电压）将外加的压力转换成电荷变化量，再将电荷（或电压）进行放大，来检测其对应

3、的压力大小。属于有源传感器进行放大，来检测其对应的压力大小。属于有源传感器类。类。 优点：其灵敏系数高，信噪比高，使用频带宽，优点：其灵敏系数高，信噪比高，使用频带宽，体积小，方便耐用等。已广泛应用在工业、军事及民用体积小，方便耐用等。已广泛应用在工业、军事及民用等方面。等方面。第一节第一节 压电式压电式传感器传感器二、压电式传感器的二、压电式传感器的工作原理工作原理 （正）压电效应（正）压电效应：某些晶体或有机高分子材料，：某些晶体或有机高分子材料，当沿着一定方向受到当沿着一定方向受到外力外力作用时，内部极化，某作用时，内部极化，某两个面产生符号相反的两个面产生符号相反的电荷电荷，当外力去掉

4、后，又，当外力去掉后，又恢复到不带电状态，当作用力方向改变时，电荷恢复到不带电状态，当作用力方向改变时，电荷的极性也改变，晶体受力所产生的电量与外力的的极性也改变，晶体受力所产生的电量与外力的大小成正比，即大小成正比，即 Q:C库仑库仑 F:N牛顿牛顿 式中，式中，d是压电常数，它反映了压电效应的强弱。是压电常数，它反映了压电效应的强弱。逆压电效应（电致伸缩现象）逆压电效应（电致伸缩现象）：反之，如对晶体：反之，如对晶体施加一交变施加一交变电场电场，晶体本身将产生，晶体本身将产生变形（受力作变形（受力作用）用）。如下图所示。如下图所示。 QdF （a）材料受压）材料受压 （b）材料受拉）材料受

5、拉 （c）材料受压）材料受压 （d）材料受拉）材料受拉压电效应压电效应电轴机械轴第一节第一节 压电式压电式传感器传感器二、压电式传感器的二、压电式传感器的工作原理工作原理 1. 石英晶体石英晶体:分人工石英、天然石英。它们是单晶中使用频分人工石英、天然石英。它们是单晶中使用频率最高的一种传感器。其特点是介电常数和压电常数的温度率最高的一种传感器。其特点是介电常数和压电常数的温度稳定性好。适用的工作温度范围宽，动态响应快，机械强度稳定性好。适用的工作温度范围宽，动态响应快，机械强度大，弹性系数高，稳定性好。大，弹性系数高，稳定性好。 （a）压电常数与温度的关系）压电常数与温度的关系 （b）介电常

6、数与温度的关系）介电常数与温度的关系石英晶体的外形是规则的六角棱柱体，它有三个晶轴，石英晶体的外形是规则的六角棱柱体，它有三个晶轴，如下图所示如下图所示石英晶体的坐标轴和切片石英晶体的坐标轴和切片 纵向压电效应纵向压电效应：沿着：沿着X轴轴对晶片施加力时，在垂直于对晶片施加力时，在垂直于X轴轴的表面上产生电荷的表面上产生电荷 横向压电效应横向压电效应：沿着：沿着Y轴轴对晶片施加力时，在垂直于对晶片施加力时，在垂直于X轴轴的表面上产生电荷的表面上产生电荷 2. 压电陶瓷压电陶瓷：多晶体。最常见的有钛酸钡、锆钛铅系列等。：多晶体。最常见的有钛酸钡、锆钛铅系列等。 压电陶瓷是人工制造的多晶压电材料，

7、它具有类似铁磁材压电陶瓷是人工制造的多晶压电材料，它具有类似铁磁材料料 磁畴结构的电畴结构。电畴是分子自发形成的区域，它有一磁畴结构的电畴结构。电畴是分子自发形成的区域，它有一定的极化方向，从而存在一定的电场。在无外电场作用时，各定的极化方向，从而存在一定的电场。在无外电场作用时，各个电畴在晶体上杂乱分布，它们的极化效应被相互抵消，因此个电畴在晶体上杂乱分布，它们的极化效应被相互抵消，因此原始的压电陶瓷内极化强度为零，经过原始的压电陶瓷内极化强度为零，经过人工极化人工极化后，保留很强后，保留很强的剩余极化的情况下才能作为压电材料使用的剩余极化的情况下才能作为压电材料使用 。3. 有机高分子材料

8、：有机高分子材料：随着科技的进步其发展也较快。它既具有随着科技的进步其发展也较快。它既具有高分子材料的高分子材料的柔软性柔软性又具有又具有压电陶瓷的特性压电陶瓷的特性，可以做成较大面，可以做成较大面积，主要用于积，主要用于微压测量和机器人的触觉微压测量和机器人的触觉。 （）天然石英晶体）天然石英晶体 （b）石英晶体薄片）石英晶体薄片 （c）压电陶瓷）压电陶瓷 （d）高分子压电薄膜）高分子压电薄膜各种压电材料的外形图各种压电材料的外形图第一节第一节 压电式压电式传感器传感器三、压电式传感器的三、压电式传感器的结构结构及及等效电路等效电路 1.压电式传感器的结构压电式传感器的结构 是一种有源传感器

9、，同时又是一个电容器，其结构是一种有源传感器，同时又是一个电容器，其结构如下图所示。它是在压电晶片的两个工作面上进行如下图所示。它是在压电晶片的两个工作面上进行金属蒸镀，形成金属膜，引出两个电极。实际应用金属蒸镀，形成金属膜，引出两个电极。实际应用中常将两个以上晶片进行中常将两个以上晶片进行串联或并联串联或并联，就如同将两，就如同将两个电容器串联和并联一样。个电容器串联和并联一样。串联输出的电压高，自串联输出的电压高，自身电容小，身电容小，串联主要用在以电压为输出量及测量电串联主要用在以电压为输出量及测量电路输入阻抗很高的场合路输入阻抗很高的场合 ；并联输出电荷量大，电并联输出电荷量大，电容量

10、大容量大，由于时间常数大，主要用于以，由于时间常数大，主要用于以电荷电荷为输出为输出量的场合，适于量的场合，适于测量缓变信号测量缓变信号。（a）压电晶片）压电晶片 （b）串联）串联 （c）并联）并联压电元件及压电传感器结构压电元件及压电传感器结构 第一节第一节 压电式压电式传感器传感器三、压电式传感器的三、压电式传感器的结构结构及及等效电路等效电路 2.压电式传感器的等效电路压电式传感器的等效电路 根据后面放大电路是电压放大还是电荷放大，根据后面放大电路是电压放大还是电荷放大，可将压电传感器等效为电荷等效电路和电压等效电可将压电传感器等效为电荷等效电路和电压等效电路，路，Ca为等效电容。为等效

11、电容。 CaUCaq电荷等效电路电荷等效电路 电压等效电路电压等效电路 CaqU第一节第一节 压电式压电式传感器传感器四、压电式传感器的信号调节电路（放大电路）四、压电式传感器的信号调节电路（放大电路）由于压电式传感器内阻极高，产生的电量非常小，由于压电式传感器内阻极高，产生的电量非常小，输出信号很弱且，因此一般不能直接显示和记录。输出信号很弱且，因此一般不能直接显示和记录。只有当测量电路的输入电阻尽量大时，才能减小测只有当测量电路的输入电阻尽量大时，才能减小测量误差，因此在压电式传感器的输出端总是接入高量误差，因此在压电式传感器的输出端总是接入高输入阻抗的前置放大器，然后再接入一般的放大电输

12、入阻抗的前置放大器，然后再接入一般的放大电路。路。前置放大器有两个作用：第一是前置放大器有两个作用：第一是将压电传感器的输将压电传感器的输出信号放大出信号放大；第二是；第二是将高阻抗输出变换为低阻抗输将高阻抗输出变换为低阻抗输出。出。压电式传感器的测量电路有电荷型与电压型两种，压电式传感器的测量电路有电荷型与电压型两种，相应的前置放大器也有相应的前置放大器也有电荷型电荷型与与电压型电压型两种型式。两种型式。 1.电荷放大器（电路）电荷放大器（电路） （a）等效电路）等效电路 （b）简化电路）简化电路压电式传感器电荷放大电路压电式传感器电荷放大电路2.电压放大器（电路）电压放大器（电路） 无无

13、R f 、C f 元件元件图（图（a）中）中Ra为压电传感器的绝缘电阻，为压电传感器的绝缘电阻，Cc为连接电缆的传输为连接电缆的传输电容，电容，Ri为前置放大器的输入电阻，为前置放大器的输入电阻，Ci为前置放大器输入电容；为前置放大器输入电容；图（图（b）中）中C为等效综合电容，为等效综合电容， C =Ci+Ca+Cc， R为等效综合电阻，两图中为等效综合电阻，两图中Rf 、Cf为反馈电阻和电容，分析计为反馈电阻和电容，分析计算可得输出电压算可得输出电压aiai/ ()RR RRRfQUC 可见输出电压值主要决定于和可见输出电压值主要决定于和Cf，因此要得到必要的测量精，因此要得到必要的测量精

14、度，反馈电容度，反馈电容Cf的温度和时间稳定性要好。在实际应用中，的温度和时间稳定性要好。在实际应用中，考虑到不同的量程，考虑到不同的量程，Cf的容量一般做成可调式，范围在的容量一般做成可调式，范围在10010000pF之间。之间。 电压放大器与电荷放大器的比较：电压放大器与电荷放大器的比较：电压放大器的电路简单，元件少，价格便宜，电压放大器的电路简单，元件少，价格便宜，工作可靠，但是电缆线的长度会影响传感器工作可靠，但是电缆线的长度会影响传感器的电压灵敏度，不能太长，线性度不好。的电压灵敏度，不能太长，线性度不好。电荷放大器的电缆线长度不影响传感器的灵电荷放大器的电缆线长度不影响传感器的灵敏

15、度，可以很长，而且敏度，可以很长，而且U与与Q成正比，线性度成正比，线性度好。好。第一节第一节 压电式压电式传感器传感器五、压电式传感器的应用五、压电式传感器的应用应用领域：国防、航空、航天、医疗、交通、通信、应用领域：国防、航空、航天、医疗、交通、通信、安全防卫、工业控制、民用设备等安全防卫、工业控制、民用设备等被测量：力、振动、加速度、超声波、声发射等被测量：力、振动、加速度、超声波、声发射等1、压电式加速度传感器、压电式加速度传感器压电式加速度传感器结构如上图所示。主要由压电元件、质量块、预压电式加速度传感器结构如上图所示。主要由压电元件、质量块、预压弹簧、基座及外壳等组成，整个部件装在

16、外壳内，并用螺栓加以固压弹簧、基座及外壳等组成，整个部件装在外壳内，并用螺栓加以固定。当压电式加速度传感器和被测物体一起受到冲击振动时，压电元定。当压电式加速度传感器和被测物体一起受到冲击振动时，压电元件受质量块惯性力的作用，根据牛顿第二定律，此惯性力件受质量块惯性力的作用，根据牛顿第二定律，此惯性力F是加速度是加速度a的函数，即的函数，即 F = ma 式中式中 F质量块产生的惯性力质量块产生的惯性力 m质量块的质量质量块的质量 a 加速度加速度惯性力惯性力F作用于压电元件上而产生电荷作用于压电元件上而产生电荷q，当传感器选定后，当传感器选定后，质量块的质量质量块的质量m为常数，则传感器输出

17、电荷为常数，则传感器输出电荷q为为 q=d11F=d11ma 式中式中 d11压电系数。压电系数。由式可见，压电式测力传感器输出电荷由式可见，压电式测力传感器输出电荷q与加速度成正比与加速度成正比如果测得加速度传感器输出的电荷，便可知加速度的大小如果测得加速度传感器输出的电荷，便可知加速度的大小2、压电式单向测力传感器、压电式单向测力传感器压电式单向测力传感器结构如上图所示，主要由石英晶片、压电式单向测力传感器结构如上图所示，主要由石英晶片、绝缘套、电极、上盖及基座等组成。传感器上盖为传力元绝缘套、电极、上盖及基座等组成。传感器上盖为传力元件，其外缘壁厚为件，其外缘壁厚为0.10.5mm，当受

18、外力，当受外力F作用时，它将作用时，它将产生弹性变形，将力传递到石英晶片上。石英晶片采用产生弹性变形，将力传递到石英晶片上。石英晶片采用xy型，利用其纵向压电效应。型，利用其纵向压电效应。 分为：分为：单向力、双向力、三向力单向力、双向力、三向力测力传感器测力传感器测力范围：几百测力范围：几百几万牛顿的动态力；测静态力几万牛顿的动态力；测静态力时，必须选用时间常数大的电荷放大器。时，必须选用时间常数大的电荷放大器。单向压电式传感器：用于单向压电式传感器：用于机床动态切削力机床动态切削力的测量。的测量。3.压电式压力传感器压电式压力传感器 主要用于：主要用于：内燃机的气缸、油管、进排气管的压内燃

19、机的气缸、油管、进排气管的压力力测量，测量，真空度真空度的测量，的测量，枪炮堂压枪炮堂压的测量。在的测量。在生物生物医学、航空航天医学、航空航天也有广泛的应用。也有广泛的应用。测压范围在测压范围在Pa 基本结构和工作原理与压电式加速度传感器，几基本结构和工作原理与压电式加速度传感器，几乎相同，不同之处是：它必须通过弹性膜、盒，把乎相同，不同之处是：它必须通过弹性膜、盒，把压力转换成力，再传递给压电元件。常采用多片石压力转换成力，再传递给压电元件。常采用多片石英晶片并联。英晶片并联。压电式传感器在压电式传感器在测漏测漏中的应用中的应用如果地面下一均匀的自来水直管道某点如果地面下一均匀的自来水直管

20、道某点O漏水，水漏引起的振漏水，水漏引起的振动从动从O点向管道两端传播，在管道点向管道两端传播，在管道A、B两点放两只压电传感两点放两只压电传感器，由从两个传感器接收到的由器，由从两个传感器接收到的由O点传来的点传来的t0时刻发出的振动时刻发出的振动信号所用的时间差可计算出信号所用的时间差可计算出LA或或LB。两者时间差为两者时间差为ABABttt( LL ) / v 又又L=LA+LB，所以，所以AL+ t vL =2 BL- t vL =2 第二节第二节 磁电式磁电式传感器传感器 磁电式传感器的磁电式传感器的工作原理及结构工作原理及结构 磁栅式磁栅式传感器传感器 磁电式传感器的磁电式传感器

21、的应用应用 第二节第二节 磁电式磁电式传感器传感器一、磁电式（电动式、感应式）传感器的一、磁电式（电动式、感应式）传感器的工作原理及结构工作原理及结构工作原理：工作原理：根据法拉第电磁感应原理，将运动速度、根据法拉第电磁感应原理，将运动速度、位移等物理量转换成线圈中的感应电动势输出。是一位移等物理量转换成线圈中的感应电动势输出。是一种机械能种机械能电能的能量变换型传感器。工作时不需要电能的能量变换型传感器。工作时不需要外加电源外加电源被测量被测量：振动、转速、扭矩等。：振动、转速、扭矩等。法拉第电磁感应定律法拉第电磁感应定律：当导体在磁场中运动切割磁力：当导体在磁场中运动切割磁力线时，闭合导体

22、加上回路中的磁通量会发生变化，导线时，闭合导体加上回路中的磁通量会发生变化，导体中就会出现感应电流，产生感应电动势。体中就会出现感应电流，产生感应电动势。结构结构不同，分：动圈式磁电传感器不同，分：动圈式磁电传感器磁阻式磁电传感器磁阻式磁电传感器第二节第二节 磁电式磁电式传感器传感器一、磁电式（电动式、感应式）传感器的一、磁电式（电动式、感应式）传感器的工作原理及结构工作原理及结构动圈式磁电传感器：动圈式磁电传感器：可分为线速度、角速度型，可测量可分为线速度、角速度型，可测量线速度、角速度、转速、位移、加速度等。线速度、角速度、转速、位移、加速度等。 工作原理：在永久磁铁产生的直流磁场内，放置

23、工作原理：在永久磁铁产生的直流磁场内，放置一个可动线圈，当线圈沿磁场方向做直线运转时，线一个可动线圈，当线圈沿磁场方向做直线运转时，线圈相对于磁场运动产生圈相对于磁场运动产生感应电动势感应电动势e，且与速度，且与速度v成正成正比。比。磁阻式磁电传感器：磁阻式磁电传感器：可测量转速、偏心、振动等。可测量转速、偏心、振动等。 工作原理：工作时其线圈与磁铁是相对静止的，工作原理：工作时其线圈与磁铁是相对静止的，由与被测量连接的物体的运动来改变磁路的磁阻，从由与被测量连接的物体的运动来改变磁路的磁阻，从而磁通量，在线圈中产生感应电动势，以其而磁通量，在线圈中产生感应电动势，以其频率频率作为作为输出信号

24、。输出信号。 f=nv, 齿轮齿轮(n)旋转旋转(v),凹凸引起磁阻变化，感应出交变凹凸引起磁阻变化，感应出交变(f)的电动势。可以在自动生产中的电动势。可以在自动生产中计数计数第二节第二节 磁电式磁电式传感器传感器二、磁栅式传感器二、磁栅式传感器、工作原理：、工作原理：是利用磁栅与磁头的作用进行测量的位是利用磁栅与磁头的作用进行测量的位移传感器。是一种新型的数字式传感器。移传感器。是一种新型的数字式传感器。、应用：、应用：作为高精度的测量长度和角度的测量仪器；作为高精度的测量长度和角度的测量仪器；用于自动化控制系统中的检测元件（线位移）。用于自动化控制系统中的检测元件（线位移）。如安装在机床

25、上，可以消除安装误差和机床本身的几何如安装在机床上，可以消除安装误差和机床本身的几何误差，提高测量精度。误差，提高测量精度。、结构、结构：磁栅、磁头、检测电路：磁栅、磁头、检测电路磁栅：分长磁栅（测量线位移）、圆磁栅（测量角位移）磁栅：分长磁栅（测量线位移）、圆磁栅（测量角位移）磁栅是在不导磁材料制成的栅基上镀一层均匀的磁膜，磁栅是在不导磁材料制成的栅基上镀一层均匀的磁膜，并录上间距相等、极性正负交错的磁信号机条制成的。并录上间距相等、极性正负交错的磁信号机条制成的。第二节第二节 磁电式磁电式传感器传感器二、磁栅式传感器二、磁栅式传感器、结构、结构：磁栅、磁头、检测电路：磁栅、磁头、检测电路磁

26、栅上的磁信号先由录磁头录好，然后由读磁头将磁信磁栅上的磁信号先由录磁头录好，然后由读磁头将磁信号读出。号读出。检测电路：对于检测电路：对于动磁头动磁头，输出信号为正弦波，经放大整，输出信号为正弦波，经放大整形，由计数器记录脉冲数，测量位移的大小。形，由计数器记录脉冲数，测量位移的大小。对于对于静磁头静磁头，经鉴幅、鉴相电路，可知被测，经鉴幅、鉴相电路，可知被测量的大小。量的大小。第二节第二节 磁电式磁电式传感器传感器三、磁电式传感器的应用三、磁电式传感器的应用磁电式传感器直接输出感应电动势，灵敏度较高。磁电式传感器直接输出感应电动势，灵敏度较高。但它是速度传感器，要获取被测位移或角位移，要配但

27、它是速度传感器，要获取被测位移或角位移，要配用积分电路或微分电路（很复杂）。用积分电路或微分电路（很复杂）。、磁电感应式、磁电感应式振动速度振动速度传感器传感器图使用时，传感器固定在被测振动体上，图使用时，传感器固定在被测振动体上，由于质量块有一定质量，产生惯性力，当振动频率远由于质量块有一定质量，产生惯性力，当振动频率远大于传感器固有频率时，线圈在磁路系统的气隙中相大于传感器固有频率时，线圈在磁路系统的气隙中相结永久磁铁运动，以振动体的振动速度切割磁力线，结永久磁铁运动，以振动体的振动速度切割磁力线，产生感应电动势。产生感应电动势。第二节第二节 磁电式磁电式传感器传感器三、磁电式传感器的应用

28、三、磁电式传感器的应用、磁电感应式、磁电感应式转速转速传感器传感器图转速越快，感应电动势的频率越高。图转速越快，感应电动势的频率越高。定子与转子的齿、槽数对应相等，被测物与转轴相连，定子与转子的齿、槽数对应相等，被测物与转轴相连，转动时，齿与齿相对时，气隙最小，磁通最大，槽与转动时，齿与齿相对时，气隙最小，磁通最大，槽与槽相对时，气隙最大，磁通最小。磁通周期性地变化，槽相对时，气隙最大，磁通最小。磁通周期性地变化，产生近似正弦波的电压信号。产生近似正弦波的电压信号。1.压电式传感器的敏感元件是压电式传感器的敏感元件是_，它是具有，它是具有_效应的物质。效应的物质。2. 压电材料分压电材料分_、

29、_、_三类。三类。3.石英晶体的外形是规则的六角棱柱体，它有三个晶轴，石英晶体的外形是规则的六角棱柱体，它有三个晶轴，轴又叫轴又叫_轴轴,轴又叫轴又叫_轴轴,轴又叫轴又叫_轴。轴。4.压电元件的压电效应，数学表达式是压电元件的压电效应，数学表达式是_。5.压电式传感器等效电路分为压电式传感器等效电路分为_等效电路和等效电路和_等效电路两种。等效电路两种。6.压电式传感器可应用在国防、航空、航天、医疗、交通、压电式传感器可应用在国防、航空、航天、医疗、交通、通信、安全防卫、工业控制、民用设备等领域，被测量可以通信、安全防卫、工业控制、民用设备等领域，被测量可以是是_、振动、振动、_、_、声发射等

30、。、声发射等。7.磁电式传感器是一种磁电式传感器是一种_能至能至_能的能量变换型传感能的能量变换型传感器器,工作时不需要外加电源。按结构不同，分工作时不需要外加电源。按结构不同，分_磁电传感磁电传感器、器、_磁电传感器。磁电传感器。8.磁电式传感器的应用课本主要介绍了可以测量磁电式传感器的应用课本主要介绍了可以测量_、_。9.磁栅式传感器的工作原理：是利用磁栅式传感器的工作原理：是利用_与与_的的作用进行测量的作用进行测量的_传感器。是一种新型的传感器。是一种新型的_式式传感器。传感器。10.简述压电式传感器的工作原理。它是属于有源还是无源简述压电式传感器的工作原理。它是属于有源还是无源传感器

31、？传感器？11.什么是压电晶体的横向压电效应，纵向压电效应？什么是压电晶体的横向压电效应，纵向压电效应？12.什么是压电陶瓷的（正）压电效应，逆压电效应？什么是压电陶瓷的（正）压电效应，逆压电效应？13.画出压电式传感器的电荷等效电路图和电压等效电路图。画出压电式传感器的电荷等效电路图和电压等效电路图。14.压电式传感器的前置放大器有哪两个作用？压电式传感器的前置放大器有哪两个作用？15.简述磁电式传感器的工作原理。简述磁电式传感器的工作原理。第三节第三节 霍尔式霍尔式传感器传感器 霍尔元件的霍尔元件的工作原理工作原理 霍尔元件的霍尔元件的主要参数主要参数 霍尔元件的霍尔元件的误参及其补偿误参

32、及其补偿 霍尔元件的霍尔元件的应用应用 第三节第三节 霍尔式霍尔式传感器传感器一、霍尔元件的一、霍尔元件的工作原理工作原理.霍尔元件霍尔元件IN型半导体型半导体 电子电子 Iv电子直线运动电子直线运动I霍尔元件通常采用霍尔元件通常采用N型半导体材料（材料中型半导体材料（材料中导电的载流子是电子）导电的载流子是电子）或金属材料或金属材料霍尔元件是基于霍尔霍尔元件是基于霍尔效应制作的一种磁电转效应制作的一种磁电转换元件换元件 . .霍霍 尔尔 效效 应应施加磁场施加磁场B ，电子在，电子在洛伦兹力洛伦兹力FL的作用下向的作用下向薄片的一个侧面偏转。薄片的一个侧面偏转。 电子发生偏转电子发生偏转 I

33、BBIFL vBvFLII. .霍霍 尔尔 效效 应应在该侧面上形成负电在该侧面上形成负电荷的积累（荷的积累（）在另一侧面，由于电在另一侧面，由于电子浓度下降而出现等量子浓度下降而出现等量的正电荷（的正电荷（）从而形成霍尔电场从而形成霍尔电场EH 由于由于EH的存在，电子的存在，电子除受到洛仑兹力除受到洛仑兹力FL的作的作用，还要受到霍尔效应用，还要受到霍尔效应产生的电场力产生的电场力FH的作用。的作用。形成霍尔电场形成霍尔电场 B I+ + + + + + + + + FHFLEHIIBv. .霍霍 尔尔 效效 应应电场力电场力FH与洛与洛伦兹力伦兹力FL相平衡。相平衡。在半导体两个在半导体

34、两个侧面形成霍尔电侧面形成霍尔电压压UH 。UH I B当当 I 保持不变保持不变时，通过测量时，通过测量UH得到得到 B。电子恢复直线运动电子恢复直线运动 IB + + + + + + + + + UHFHFLEHIIBv.霍尔效应霍尔效应霍尔效应定义霍尔效应定义：是指在导电材料中的电流和外：是指在导电材料中的电流和外磁场互相作用而产生电动势的物理效应。磁场互相作用而产生电动势的物理效应。 即：金属薄片或半导体薄片置于垂直磁场中，在即：金属薄片或半导体薄片置于垂直磁场中，在某方向上通入电流，在垂直于电流和磁场的方向上某方向上通入电流，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电位差将产生电位差UH霍尔

35、电压霍尔电压 U UH = I B=KH I B RHdRH霍尔系数（霍尔系数（m3/C) 控制电流（）控制电流（） 磁感应强度（）磁感应强度（）d 霍尔元件的厚度（霍尔元件的厚度（m) KH霍尔元件的灵敏度霍尔元件的灵敏度第三节第三节 霍尔式霍尔式传感器传感器一、霍尔元件的一、霍尔元件的工作原理工作原理.霍尔元件的结构霍尔元件的结构霍尔元件是一种四端型器件，由霍尔片、根霍尔元件是一种四端型器件，由霍尔片、根引线、壳体组成。尺寸为：引线、壳体组成。尺寸为：mmX2mmX0.1mm,红色的两个引线红色的两个引线、为控制电流，绿色的两个引为控制电流，绿色的两个引线线、为霍尔电压为霍尔电压的输出线。

36、的输出线。 常用材料：锗、硅、锑化铟、砷化铟、砷化镓等。常用材料：锗、硅、锑化铟、砷化铟、砷化镓等。第三节第三节 霍尔式霍尔式传感器传感器一、霍尔元件的一、霍尔元件的工作原理工作原理.基本电路基本电路（集成）霍尔传感器：由集成）霍尔传感器：由霍尔敏感元件、放大器、霍尔敏感元件、放大器、温度补偿电路、稳压电源温度补偿电路、稳压电源等集成在一个芯片上。等集成在一个芯片上。线性霍尔集成传感器线性霍尔集成传感器：与在一定范围内呈线性与在一定范围内呈线性应用：位置、力、重量、厚度、速度、磁场、电流等应用：位置、力、重量、厚度、速度、磁场、电流等的测量和控制（图）的测量和控制（图）开关型霍尔集成传感器开关

37、型霍尔集成传感器：由霍尔元件、放大器、施密：由霍尔元件、放大器、施密特整形电路、开路输出等组成。特整形电路、开路输出等组成。 （图）（图）霍尔传感器输出端要接负载电阻。霍尔传感器输出端要接负载电阻。霍尔元件稳压输出地cc放大器线性霍尔集成传感器结构（单端输出）线性霍尔集成传感器结构（单端输出） 霍尔霍尔 传传 感感 器器包含霍尔元件包含霍尔元件的集成电路的集成电路霍尔传感器霍尔传感器填补了传统实填补了传统实验器材的空白，验器材的空白，也为我们提供也为我们提供了探索的工具。了探索的工具。1、串联、串联10保护电阻。保护电阻。2、传感器不要长时间滞留在通、传感器不要长时间滞留在通电的螺线管内，以免

38、损坏器件。电的螺线管内，以免损坏器件。 10U6V霍尔元件通电后会发热霍尔元件通电后会发热注意事项注意事项第三节第三节 霍尔式霍尔式传感器传感器二、霍尔元件的二、霍尔元件的主要参数主要参数.额定控制电流额定控制电流.输入电阻输入电阻i.输出电阻输出电阻o.最大磁感应强度最大磁感应强度m.不等位电势不等位电势.霍尔电压温度系数霍尔电压温度系数.灵敏度灵敏度KH.寄生直流电动势寄生直流电动势第三节第三节 霍尔式霍尔式传感器传感器三、霍尔元件的三、霍尔元件的误参及其补偿误参及其补偿.不等位电势及其补偿不等位电势及其补偿不等位电势是霍尔零位误差中最主要的一种。不等位电势是霍尔零位误差中最主要的一种。产

39、生原因：产生原因：工艺上没有将两个霍尔电极对称地焊工艺上没有将两个霍尔电极对称地焊在霍尔片的两侧，霍尔片的电阻率不均匀，厚薄在霍尔片的两侧，霍尔片的电阻率不均匀，厚薄不均匀，控制电流电极接触不良等。不均匀，控制电流电极接触不良等。补偿方法：补偿方法：霍尔元件可等效为一个四臂电桥，可霍尔元件可等效为一个四臂电桥，可在某一桥臂上并联一个电阻，有在某一桥臂上并联一个电阻，有对称补偿对称补偿和不对和不对称补偿。图、称补偿。图、第三节第三节 霍尔式霍尔式传感器传感器三、霍尔元件的三、霍尔元件的误参及其补偿误参及其补偿.霍尔元件温度误差及其补偿霍尔元件温度误差及其补偿产生原因：产生原因：霍尔元件大都采用半

40、导体制成的，因霍尔元件大都采用半导体制成的，因此许多参数当温度变化时都将发生变化此许多参数当温度变化时都将发生变化补偿方法：补偿方法：选用温度系数小的元件，采用恒温措选用温度系数小的元件，采用恒温措施、适当的补偿电路（输入回路并联电阻；负载施、适当的补偿电路（输入回路并联电阻；负载电阻的选择补偿；温度补偿元件）电阻的选择补偿；温度补偿元件）第三节第三节 霍尔式霍尔式传感器传感器四、霍尔元件的四、霍尔元件的应用应用 .霍尔元件的优点：结构简单、工艺成熟、体积小、霍尔元件的优点：结构简单、工艺成熟、体积小、寿命长、线性度好、频带宽寿命长、线性度好、频带宽.应用：测量磁感应强度、电功率、电能、大电流

41、、应用：测量磁感应强度、电功率、电能、大电流、徽气隙中的磁场；可制成磁读阔头、磁罗盘、无刷徽气隙中的磁场；可制成磁读阔头、磁罗盘、无刷电机；用于无触点发信，做接近开关、霍尔电键；电机；用于无触点发信，做接近开关、霍尔电键；可制成乘、除、平方、开方等计算元件；制作微波可制成乘、除、平方、开方等计算元件；制作微波电路中的环行器、隔离器等；测量微位移、加速度、电路中的环行器、隔离器等；测量微位移、加速度、振动、压力、流量、液位等。振动、压力、流量、液位等。磁铁磁铁 手柄外环手柄外环 手柄手柄手柄手柄旋转手柄，调节磁铁和霍尔元件旋转手柄，调节磁铁和霍尔元件之间的距离，电路输出相应的电压，之间的距离，电

42、路输出相应的电压，从而控制车速。从而控制车速。霍尔式传感器的应用霍尔式传感器的应用电动车的车速控制电动车的车速控制霍尔元件霍尔元件 电动车的无刷电动机电动车的无刷电动机无刷电动机没有电刷，定子产生旋转磁场带动转子旋转。无刷电动机没有电刷，定子产生旋转磁场带动转子旋转。电机中采用霍尔元件检测转子和定子之间的相对位置，从而电机中采用霍尔元件检测转子和定子之间的相对位置，从而控制电枢电流的换向，维持电动机的正常运转。控制电枢电流的换向，维持电动机的正常运转。无无 刷刷 电电 机机定子定子转子转子霍尔元件霍尔元件定子定子霍尔效应演示霍尔效应演示 在薄片的垂直方向施加磁场，电子除了做在薄片的垂直方向施加

43、磁场，电子除了做定向运动外，还在洛伦兹力的作用下向薄片定向运动外，还在洛伦兹力的作用下向薄片的一个侧面偏转，从而形成霍尔电势。的一个侧面偏转，从而形成霍尔电势。霍尔效应实验器霍尔效应实验器实测表明：实测表明： 金属中的霍尔电势金属中的霍尔电势非常弱，实用的霍尔元件通常采非常弱，实用的霍尔元件通常采用半导体材料制成。用半导体材料制成。 B 不变，不变，UH 和和 I 的线性关系。的线性关系。 ISN金属片金属片BSNI160 140 120 100 80 60 40 20 0 UH / V I /A 1 2 3 4 5 6 控制电流控制电流磁传感器应该置于何处？磁传感器应该置于何处？直导线电流的

44、磁场直导线电流的磁场 导线下边导线下边SN霍尔元件的测试面霍尔元件的测试面导线导线磁力线磁力线导线导线磁力线磁力线导线旁边导线旁边导线上边导线上边实际测量值实际测量值导线下边导线下边 导线旁边导线旁边 导线上边导线上边 图图 线线 异异 常常 实验中使用的学生电源，其电压输出必须稳定，实验中使用的学生电源，其电压输出必须稳定，如果出现电压波动，其图线会出现异常如果出现电压波动，其图线会出现异常 。4、位移传感器位移传感器超声波接收超声波接收超声波发射超声波发射红外线发射红外线发射红外线接收红外线接收工作原理工作原理超声波超声波接收器接收器发射器发射器红外线红外线 超声波到达，停止计时超声波到达

45、，停止计时 超声波超声波接收器接收器发射器发射器红外线红外线t1红外线红外线接收器接收器发射器发射器超声波超声波t2 红外线到达，开始计时红外线到达，开始计时 同时发射同时发射 距离距离S超声波超声波的速度的速度时间差时间差t2t1超声波超声波红外线红外线S超声波传感器的工作原理超声波传感器的工作原理压电晶片压电晶片压电晶片压电晶片压电晶片压电晶片是一种压电式传感是一种压电式传感元件，它既可以将机械能转换元件，它既可以将机械能转换为电能，又可以将电能转换为为电能，又可以将电能转换为机械能。机械能。发射器发射器接收器接收器压电效应压电效应某种晶体在外力作用下，不仅会产生形变，某种晶体在外力作用下

46、，不仅会产生形变，还会产生电极化现象，晶体的表面有电荷出还会产生电极化现象，晶体的表面有电荷出现，从而形成电场。当外力消失后，表面又现，从而形成电场。当外力消失后，表面又恢复到不带电状态，这种现象称为压电效应。恢复到不带电状态，这种现象称为压电效应。压电效应包括逆压电效应和正压电效应。压电效应包括逆压电效应和正压电效应。电能电能机械能机械能 逆压电效应逆压电效应正压电效应正压电效应逆压电效应逆压电效应（电致伸缩效应）（电致伸缩效应） 伸长伸长压缩压缩电压电压电压电压如果对晶体施加交变电压，晶体就会如果对晶体施加交变电压，晶体就会产生振动，这样就将电振荡转变为机械振产生振动，这样就将电振荡转变为

47、机械振动，当频率适当时便产生超声波。动，当频率适当时便产生超声波。这就是超声波发射器的工作原理。这就是超声波发射器的工作原理。 压电薄膜扬声器压电薄膜扬声器（逆压电效应）（逆压电效应）可折叠、可卷曲、可印刷的薄膜扬声器可折叠、可卷曲、可印刷的薄膜扬声器 正压电效应正压电效应 F2F2F1F1晶体晶体晶体晶体当晶体受到压力当晶体受到压力 F1时，晶体的表面产生上正、时，晶体的表面产生上正、下负的电荷；而当晶体受到拉力下负的电荷；而当晶体受到拉力 F2时，晶体的表时，晶体的表面产生上负、下正的电荷。面产生上负、下正的电荷。（超声波）对晶体周期性地施加（超声波）对晶体周期性地施加 F1和和 F2，其

48、其表面就会产生正、负交变的电场。表面就会产生正、负交变的电场。这就是超声波接收器的工作原理。这就是超声波接收器的工作原理。正压电效应实验正压电效应实验按压瞬间按压瞬间 释放瞬间释放瞬间 保持压力保持压力 压电陶瓷片的图形符号压电陶瓷片的图形符号压电材料只能测量瞬时信号压电材料只能测量瞬时信号 当施加正向压力时，压电晶体产生当施加正向压力时，压电晶体产生上正上正下负下负的电荷；的电荷；当力消失时，压电晶体反弹，产生当力消失时，压电晶体反弹，产生上负上负下正下正的电荷。的电荷。当动态力变为静态力时，电荷由于表面漏电而消失，当动态力变为静态力时，电荷由于表面漏电而消失，因此只适用于动态测量，不适用于静态测量。因此只适用于动态测量，不适用于静态测量。 压电晶体的压电晶体的工作原理工作原理 极化方向（电极）极化方向（电极） 振动方向振动方向 交流电交流电 振动方向振动方向 极化方向极