安全检测技术-3传感器基础下课件

物性传感器3.3.4霍尔传感器1霍尔效应

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流和磁场方向的两个面之间产生电动势，这种现象称霍尔效应。产生的电动势称霍尔电势半导体薄片称霍尔元件霍尔效应原理载流子受洛仑兹力霍尔电场强度q为电子电量1.602*10-19Cv电子迁移速度霍尔常数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，所以金属材料不宜制作霍尔元件。霍尔电势与导体厚度d成反比：为了提高霍尔电势值，霍尔元件制成薄片形状。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N型半导体较适合于制造灵敏度高的霍尔元件，霍尔元件的主要功能当磁场和环境温度一定时:霍尔电势与控制电流I成正比，可测电流或能转换成电流的非电量当控制电流和环境温度一定时:霍尔电势与磁场的磁感应强度B成正比，可测磁场（感应）强度，并得到电流值，如钳形表，雷电流测量当环境温度一定时:输出的霍尔电势与I和B的乘积成正比，利用这种乘法关系，可制成模拟运算的乘法、开方、平方、除法等运算器。测量以上电量时，应在没有外磁场和室温变化条件下进行。霍尔元件的结构和基本电路霍尔元件图（a）中，从矩形薄片半导体基片上的两个相互垂直方向侧面上，引出一对电极，其中1-1’电极用于加控制电流，称控制（激励）电极。另一对2-2’电极用于引出霍尔电势，称霍尔电势输出极或霍尔电极。在基片外面用非磁性金属或陶瓷、环氧树脂等封装作为外壳。N型硅灵敏系数、温度特性线性度较好，常用，还有锑（砷）化铟图（b）是霍尔元件通用的图形符号。霍尔式传感器的应用优点:

结构简单，体积小，重量轻，频带宽，动态特性好和寿命长应用：电磁测量：测量恒定的或交变的磁感应强度、有功功率、无功功率、相位、电能等参数；自动检测系统：多用于位移、压力的测量。其他类型传感器超声波传感器微波传感器红外探测器射线传感器离子敏传感器谐振式传感器超声波传感器声波：16~20kHz人耳朵能听见的波次声波：<16kHz的波，亚声波超声波：>20kHz的波，超声波，一般要求功率密度P=发射功率/发射面积≥0.3w/cm2传感器原理：一般有发射和接收两只探头，发射探头发出的超声脉冲波在介质中传播到相界面经过反射后，再返回到接收探头，从而测出距离。微波传感器微波：红外线波长介于可见光和微波之间，微波波长1mm~1m（300MHz~300GHz），是毫米波、厘米波和分米波的总称。比无线电波频率高，故称“超高频电磁波”微波特点：能够穿越塑料、陶瓷，被水吸收，遇金属反射传感器原理：也有发射天线和接收天线分为反射式和遮断式。反射式：反射式传感器通过检测被测物反射回来的微波功率或经过时间间隔，来表达被测物的位置、厚度等参数。遮断式：遮断式传感器通过检测接收天线接收到的微波功率的大小来判断发射天线与接收天线间有无被测物或被测物的位置等参数。红外探测器红外线：波长在770纳米至1毫米之间，在光谱上位于红色光外侧。具有很强热效应，并易于被物体吸收，通常被作为热源。透过云雾能力比可见光强。结构：由光学系统、敏感元件、前置放大器和信号调制器组成。类型：反射式红外探测器和投射式红外探测器反射式红外探测器它由凹面玻璃反射镜组成，其表面镀金、铝和镍铬等红外波段反射率很高的材料构成反射式光学系统。为了减小像差或使用上的方便，常另加一片次镜，使目标辐射经两次反射聚集到敏感元件上，敏感元件与镜组合一体，前置放大器接收热电转换后的电信号，并对其进行放大。射线式传感器由放射源和探测器组成利用射线式传感器进行测量时，都要有发射出αβ或Y射线的辐射源。射线源：选择射线源应尽量提高检测灵敏度和减小统计误差较长的半衰期及合适的放射强度，二十种左右探测器：核辐射的接收器，如电离室、闪烁等计数器辐射源容器离子敏传感器一种对离子具有选择敏感作用的场效应晶体管（ISFET）结构离子选择性电极（ISE）+金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）构成简称ISFET管原理：将ISFET插入溶液时，在被测溶液与敏感膜接触处会产生一定的界面电势，大小取决于溶液浓度谐振（频率）式传感器能将被测量转换为频率信号，容易数字化，具备数字信号的优点：测量精度和分辨力比模拟式的要高抗干扰性和稳定性好；便于传输、处理和存储；易于实现多路检测。谐振式传感器原理分为：电的、机械的和原子的三类。机械式：振弦式传感器原理：以被拉紧了的钢弦作为敏感元件，其振动频率与拉紧力的大小、弦的长度有关。当振弦的长度确定后，弦振动频率的变化量便表示拉力的大小，且输入是力，输出是频率。特点：结构简单牢固、测量范围大、灵敏度高、测量线路简单，广泛用于大压力的测试，也可用来测量位移、扭矩、力和加速度等。其缺点是：对传感器材料和加工工艺要求很高，而传感器的精度较低，总精度约±1．5％。振筒是敏感元件，壁厚为0.07~0.12mm，其一端固定，另一端密封可以自由运动。圆筒材料必须是能够构成闭合磁回路的磁性材料，并且弹性温度系数很低(如用合金材料)。外保护筒用来防止外磁场的干扰并起机械保护作用。振筒和外保护筒之间为真空参考室，作为参考标准。振筒式传感器振筒式传感器用振筒的固有振动频率来测量有关参数，其固有频率取决于筒的形状、大小、材料和筒周围的介质等。应用均匀薄壁圆筒作敏感元件，是年来新技术。这种传感器的优点是迟滞误差和漂移误差极小、固定性好、分辨率高以及轻便、成本低。主要用于测量气体的密度和压力。传感器的选用原则传感器的使用条件所测量的流体、固体对传感器的影响；传感器对被测对象的质量(负荷)效应；安装现场条件及环境条件(温度、湿度、振动等)信号的传输距离；传感器的输出端的连接方式；传感器对所测量物理量的实际值的影响；传感器是否符合国家标准或工业规范；传感器的失效形式；传感器的维护、安装传感器的标定方法；传感器的安装方式；过载保护。使用工作人员所具备的最低技术能力传感器的选用原则传感器所接数据采集系统及辅助设备传感器所连接数据系统的一般性质；数据系统主要单元的性质，其中包括数据传输连接方式、数据存储方法、数据显示方式；数据系统的精确性和频率的响应特性；传感器系统的负荷阻抗特性；传感器的输出是否需要进行频率滤波和幅值变换及其处理方法；数据系统对传感器输出误差检测或校正能力。关于购置与维护项目传感器的价格；出厂日期；服务体制；备件；保修期间，传感器的选用-指标灵敏度灵敏度高，意味着传感器感知的变化量小一般来讲，检测精度越高要求传感器具有较高的灵敏度当灵敏度高时，与测量信号无关的外界噪声也容易混入，并且噪声也会被放大系统放大。为此，往往要求信噪比越大越好，即要求传感器本身噪声小，且不易从外界引入干扰噪声当输人量增大时，传感器不应进入非线性区，更不能进入饱和区域检测工作在较强的噪声干扰下进行时，包括干扰量，两者的叠加不能进入非线性区在保证量程的情况下尽可能提高灵敏度传感器的选用-指标线性范围任何传感器都有一定的线性范围，在线性范围内输出与输入成比例关系。传感器工作在线性区域内，是保证测量精度的基本条件。线性范围越宽，表明传感器的工作量程越大。任何传感器都不容易保证其绝对线性，某些情况下，在保证检测精度的前提下，可利用其近似线性区。例如，变间隙型电容传感器、电感式传感器等，均采用在初始间隙附近的近似线性区内工作。选用时必须考虑被测物理量的变化范围，令其非线性误差在允许的范围之内。自动检测时，可利用微机系统，通过软件对传感器的输出特性进行线性补偿，往往可以使其线性范围扩大很多。传感器的选用-指标稳定性稳定性表示传感器经过长时间使用以后，其输出特性不发生变化的性能，和传感器在正常工作条件下，环境参数变化对其输出特性影响程度的指标。为保证稳定性，在选定传感器之前，应对使用环境进行调查，以选择较合适的传感器类型。例如湿度会影响电阻应变式传感器的绝缘性能；温度的变化将产生零点漂移等。磁电式传感器在电场或磁场中工作时，亦会带来测量误差等等。传感器的选用-指标精确度传感器的精确度表示传感器的输出与被测量的对应程度。实际工作中，并非要求传感器的精确度越高越好。如果是属于相对比较性的试验研究，只需要求传感器的精密度高，而无需要求绝对量值。如果是进行定量分析，要求传感器要有足够高的精确度。例如，超精密切削机床，为研究其运动部件的定位精度、主轴回转运动误差、振动及热变形等，往往要求测量精度在0.15~0.015mm范围内，要测得这样的量值，必须选用高精度的传感器。传感器的选用-指标测量方法:(非)接触测量、（非）在线测量接触与非接触测量：在机械系统中，运动部件的被测参数(例如回转轴的运动误差、振动、扭矩等)往往采用接触测量，有许多实际因素，诸如测量头的磨损、接触状态的变动等都不易妥善解决，也易造成测量误差，同时给信号的采集带来困难。若采用电容式、电涡流式等非接触传感器将带来很大方便。破坏与非破坏测量：在要求对测试件进行破坏性检验，如果合理地选择检测方法，可以把破坏性检测用非破坏性检测(如涡流探伤、超声探伤、核辐射探伤、测厚等)来代替。在线实时检测，各种新型在线实时检测传感器的研制，是当前检测技术发展的一个重要方向。传感器的选用-其他在选择测量范围或刻度范围时，希望平时使用的指示是在满量程的50％以上，以保证其精度。传感器的响应速度要与输入信号的频带相符，以便得到良好的信噪比。同时还要考虑传感器的精度保持范围。精度高的一般售价高，而且也不能随便的使用。除传感器的设置场所以外，其安装方法也要给予注意，有关的外形尺寸和重量等也有必要了解。对于传感器工作在危险地点和苛刻的环境，传感器最重要的是可靠性和安全性。尽可能从已作为标准产品的商品中选择传感器，无论从价格上还是从维修上都是上策。某些特殊使用场合，无法选到合适的传感器，则需自行设计传感器应用注意事项使用前必须要认真阅读使用说明书。正确地安装传感器注意传感器的使用安全性传感器和测量仪表必须可靠连接，系统应有良好的接地，远离强电场、强磁场。感器和仪表应远高强腐蚀性物体，远离易燃、易爆物品。仪器输入端与输出端必须保持干燥和清洁。传感器在不用