第3章 电抗式与霍尔传感器 -2014

1第三章电抗式和霍尔传感器

1．电容传感器的基本工作原理2．交流电桥3．调制解调电路4.霍尔传感器的基本工作原理5.霍尔传感器的应用23.1.1电容式传感器工作原理由两平行极板组成一个电容器，若忽略其边缘效应，它的电容量可用下式表示：+++δA3.1电容式传感器3思考：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？δ、A或ε发生变化时，都会引起电容的变化。圆筒形电容器的电容为41.极距δ

变化型++++++设动片未动时的电容量为：设动片移动x时的电容量为：电容量C与x不是线性关系。3.1.2电容式传感器结构形式5量程x远小于极板初始距离δ0时：此时C与x便呈线性关系，但量程缩小很多。6当时灵敏度为:7应用举例82.面积变化型角位移型+++9平面线位移型灵敏度

增加b0值或减少δ0值谐可提高传感器的灵敏度

10柱面线位移型.113.介质变化型

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.差动电容传感器变距离型变面积型13当动片向上移动

则移动

143.1.3电容式传感器的测量电路主要作用：将传感器产生的电容量变化转换成电压信号输出测量电路：最常用的是交流电桥。还包括信号放大部分-交流放大电路、交流信号转变为直流信号部分-解调电路、高频干扰的滤除部分-滤波电路等。电容式传感器测量电路15当电桥平衡时，CD两点的电势在任一瞬间都相等，由欧姆定律得：

1、

交流电桥（1）.交流电桥及其平衡条件16用极坐标形式表示为：可以表示为：

交流电桥至少应有两个可调节的标准元件，通常是用一个可变电阻和一个可变电抗，调节交流电桥平衡要比调节直流电桥平衡复杂。17交流电桥与直流电桥对比

18(2)、交流电桥用于电容的测量

电容传感器●平衡条件19电容电桥交流电源化简得到，电桥输出：不平衡交流电桥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值，因此可以通过测量输出信号幅值得到被测电容量的值。2、

交流放大器LM324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。反相交流放大器同相交流放大器233调制解调电路

（1）调制解调基本概念①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，传感器的输出信号一般很微弱，从放大处理来看，直流放大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与解调24②什么是信号调制？调制就是用一个信号（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。

③什么是解调？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被测量值的测量信号，这一过程称为解调。25调制解调电路的作用：2/3/202326④调制信号、载波信号、已调信号？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。常以一个高频正弦信号或脉冲信号作为载体，这个载体称为载波信号。载波信号z(t)0t27用来改变载波信号的某一参数，如幅值、频率、相位的信号称为调制信号。在检测系统中，通常就用测量信号作调制信号。经过调制的载波信号叫已调信号。调制信号x(t)0t28（2）调制方法29a)幅度调制(AM)b)频率调制(FM)c)相位调制(PM)30载波信号：由一列占空比不同的矩形脉冲构成。脉冲宽度调制电路：d)脉冲宽度调制理想的脉冲周期序列中（如方波），正脉冲的持续时间与脉冲总周期的比值31缓变信号调制高频信号放大放大高频信号解调放大缓变信号调幅是将一个高频正弦信号（或称载波）与测试信号相乘，使载波信号幅值随测试信号的变化而变化．①调制原理(3)调制与解调电路2/3/202332幅度调制与解调过程（波形分析）乘法器放大器X(t)Y(t)Xm(t)乘法器滤波器Y(t)x(t)调制解调2/3/202333幅度调制与解调过程（数学分析）乘法器放大器X(t)Y(t)Xm(t)乘法器滤波器Y(t)x(t)结论：调幅过程在时域是调制波与载波相乘的运算。

调制解调34

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，最后再从放大器的输出信号中取出放大了的缓变信号。例：交流电桥VinVoR1R3R2R4调幅电路从已调信号中检出调制信号的过程称为解调或检波。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。这种方法称为包络检波。2/3/202335a).包络检波

②解调原理包络检波原理图：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。2/3/202338b).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调制解调开关式全波相敏检波电路常用的相敏检波电路：①：输入信号端（已调制信号）；②：交流参考电压输入端（载波信号-相敏检波）；③：检波信号输出端（被解调的信号）；④：直流参考电压输入端（载波信号-包络检波）。当②、④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①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∮=90O∮=45O2/3/202344相敏检波与包络检波的主要区别相敏检波电路能够鉴别调制信号相位，从而判别被测量变化的方向。相敏检波电路具有选频的能力，从而提高测控系统的抗干扰能力。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，还要输入一个参考信号。有了参考信号就可以用它来鉴别输入信号的相位和频率。45优点：

(1)温度稳定性好

(2)结构简单

(3)动态响应好

(4)可实现非接触式测量缺点：

(1)输出阻抗高，负载能力差

(2)寄生电容影响大3.1.4电容式传感器的应用

461.电容式液位计

设容器中介质是非导电的（如果液体是导电的，则电极需要绝缘），容器中液体介质浸没电极2的高度为hx，这时总的电容C等于气体介质间的电容量和液体介质间电容量之和。hhx47气体介质间的电容量C气为：

液体介质间的电容量C油为:48因此，总电容量为两电容并联，由上两式得：令：则：电容量C与液体深度hx成比例关系。电容灵敏度：502.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52

电容式接近开关在物位测量控制中的使用演示533.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霍尔式传感器霍尔传感器工作原理霍尔元件的结构和基本电路霍尔元件的主要特性参数霍尔式传感器的应用553.2.1

霍尔传感器工作原理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56cdab霍尔效应演示57

半导体薄片置于磁感应强度为B的磁场中，磁场方向垂直于薄片，当有电流I流过薄片时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势UH，这种现象称为霍尔效应。

磁感应强度B为零时的情况cdab58磁感应强度B较大时的情况

作用在半导体薄片上的磁场强度B越强，霍尔电势也就越高。霍尔电势UH可用下式表示：

UH=KHIB/d59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。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）比空穴迁移率高，因此N型半导体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

若磁感应强度B不垂直于霍尔元件，而是与其法线成某一角度

时，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（与薄片垂直的方向）的分量，即Bcos，这时的霍尔电势为：

UH=SHIBcos

611

元件材料

3.2.2

霍尔元件霍尔元件的材料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=0.1～0.2mm，薄膜型霍尔元件只有1微米左右。2霍尔元件的结构及基本电路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。643霍尔元件特性参数(1)输入阻抗和输出阻抗

输入阻抗Ri：控制电流进出端之间的阻抗

输出阻抗Ro：霍尔电极输出的正负端子间的内阻(2)温度系数

在一定磁场强度和控制电流作用下，温度每变化1℃时霍尔电势变化的百分数称为霍尔电势温度系数（3）最大磁感应强度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（4）最大激励电流IM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。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，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？5μA0.1mA2mA80mA

恒压

用稳压二极管VDZ获得基准电压，经电压跟随器A1加到三极管VT1上，使霍尔元件两端加上恒定2V电压。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，输出电压的温度变化大。674

霍尔元件驱动和放大电路（1）

驱动电路恒流用稳压二极管VDZ获得基准电压，通过霍尔元件的电流由VDZ的电压和电阻决定：

电路中，三极管VT1接在运算放大器A1反馈环内，可以吸收三极管的变化，抑制特性随温度变化。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小。68霍尔元件输出端接NPN型三极管VT1和VT2上，VT1和VT2接成射极跟随器方式，对霍尔元件的阻抗进行变换，以便与后级信号处理。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。69（2）放大电路705.霍尔元件电磁特性当磁场和环境温度一定时:霍尔电势与控制电流I成正比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713.2.3

集成霍尔器件

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：将霍尔元件和恒流源、线性差动放大器等做在一个芯片上，输出电压为伏级。较典型的线性型霍尔器件如UGN3501、DN835、CS825等。72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