智能传感与检测技术 第7章习题答案

第7章思考题与习题填空题霍尔传感器是一种磁敏传感器，它是把磁学物理量转换成电信号的装置，广泛应用于自动控制、信息传递、电磁测量、生物医学等各个领域。它的最大特点是非接触测量。2.霍尔电势UH与输入电流I及磁感应强度B成正比，其灵敏度KH与霍尔系数RH成正比而与霍尔片厚度d成反比。所以，为了提高灵敏度，霍尔元件常制成薄片形状。3.霍尔元件的结构很简单，它通常由霍尔片、引线和壳体组成。4.半导体材料的电阻率随磁场强度的增强而变大，这种现象称为磁阻效应，利用磁阻效应制成的元件称为磁敏电阻。二、简答题1.简述你理解中的霍尔效应。1879年，美国物理学家霍尔（E.H.Hall）经过大量的实验发现：如果让一恒定电流通过一金属或半导体薄片，并将薄片置于强磁场中，在金属薄片的另外两侧将产生与磁场强度成正比的电动势，这个现象后来被人们称为霍尔效应。假设霍尔元件为N型半导体薄片，薄片厚度为d，磁感应强度为B的磁场方向垂直于薄片。在薄片前后两端通以控制电流I，那么半导体中的载流子（电子）将沿着与电流I相反的方向运动。由于外磁场B的作用，使电子受到洛仑兹力FL而发生偏转，结果在半导体的右端面上电子积累带负电，而左端面缺少电子带正电，在半导体的左右端面间形成电场。该电场产生的电场力FE阻止电子继续偏转。当FE和FL相等时，电子积累达到动态平衡。这时在半导体左右两端面之间（即垂直于电流和磁场方向）建立电场，称为霍尔电场EH，相应的电势UH称为霍尔电势。2.制成霍尔元件常用的材料有哪些？1948年以后，由于半导体技术迅速发展，人们找到了霍尔效应比较明显的半导体材料，并制成了锑化铟、砷化镓、砷化铟、硅、锗等材料的霍尔元件。目前常用的霍尔元件材料是N型硅，它的灵敏度、温度特性、线性度均较好。3.简述集成霍尔传感器的分类、特点及应用场合。集成霍尔传感器的输出是经过处理的霍尔输出信号。其输出信号快，传送过程中无抖动现象，且功耗低，对温度的变化是稳定的，灵敏度与磁场移动速度无关。按照输出信号的形式，可以分为开关集成霍尔传感器和线性集成霍尔传感器两种类型。线性集成霍尔传感器线性集成霍尔传感器主要由霍尔元件、恒流源、放大电路组成，由恒流源提供稳定的激励电流，霍尔电势输出接入放大电路，输出电压较高，应用广泛。集成电路的输出电压与霍尔元件感受的磁场变化近似呈线性关系。它主要用于对被测数据进行线性测量的场合，如角位移、压力、电流等的测量。开关集成霍尔传感器开关集成霍尔传感器是利用霍尔效应与集成电路技术制成的一种传感器，以开关信号形式输出。霍尔开关集成器件具有使用寿命长、无触电磨损、元火花干扰、工作频率高、温度特性好及能适应恶劣环境等优点。常用的开关集成霍尔传感器由霍尔元件、放大电路、施密特触发器等部分组成。稳压电路可使传感器在较宽的电源电压范围内工作，开关输出可使该电路方便地与各逻辑电路连接。4.简述磁敏二极管的工作原理。当磁敏二极管未受到外界磁场作用，且外加如图7-16a所示的正偏压时，则有大量的空穴从P区通过I区进入N区，同时也有大量电子注入P区而形成电流。只有一部分电子和空穴在I区复合掉。当磁敏二极管受到如图7-16b所示的外界磁场H+（正向磁场）作用时，电子和空穴受到洛仑兹力的作用而向r区偏转。由于r区的电子和空穴复合速度比光滑面I区快，所以，内部参与导电的载流子数目减少，因此，外电路电流减小。磁场强度越强，电子和空穴受到洛仑兹力就越大，单位时间内进入r区复合的电子和空穴数量就越多，外电路的电流就越小。a)不受磁场作用时b)受正向磁场作用时c)受反向磁场作用时图7-16磁敏二极管工作原理当磁敏二极管受到如图7-16c所示的外界磁场片H-（反向磁场）作用时，则电子和空穴受到洛仑兹力作用而向I区偏移；则外电路的电流比不受外界磁场作用时大。利用磁敏二极管的正向导通电流随磁场强度的变化而变化的特性，即可实现磁电转换。三、综合应用题1.图7-22是利用霍尔传感器构成的一个自动供水装置，请分析其工作原理。图7-22利用霍尔传感器的自动供水装置锅炉中的水由电磁阀控制流出与关闭。电磁阀的打开与关闭，则受控于控制电路。打水时，需将铁制的取水卡从投放口投人，取水卡沿非磁性物质制作的滑槽向下滑行，当滑行到磁传感部位时，传感器输出信号经控制电路驱动电磁阀打开，让水从水龙头流出。延时一定时间后，控制电路使电磁阀关闭，水流停止。2.设计一种霍尔式液位控制器，要求：①当液位高于某一设定值时，水泵停止运转。②储液罐是密闭的，只允许在储液罐的玻璃连通器外壁和管腔内确定磁路和安装霍尔元件。③画出磁路和霍尔元件及水泵的设置图；画出控制电路原理框图；简要说明该检测、控制系统的工作过程。霍尔元件及水泵的设置图：检测、控制系统的工作过程：液位测量原理是利用漂浮在被测液面的浮子的位置来判断液面高度的。浮子漂浮在液面上，随液位高低上下浮动；浮子内装有环形磁铁，磁铁产生了沿不锈钢保护管轴向的稳定磁场；浮球是泡沫材料，可以在液体的浮力作用下随液位的升高或下降而升降。当上升到液位控制器UGN3020调定好的位置时，控制开关便发出控制信号。工作原理:首先闭合隔离开关Q，220V电源经过降压、整流、滤波和稳压后得到12V直流电压供给控制电路。控制电路发出的信号驱动继电器kM，然后控制注液电动机启停。1、液位上升

当液面上升时，液体浮力使浮球浮起，霍尔元件的磁场强度随之增大，当浮球（磁铁）移动到距离霍尔元件UGN3020几毫米时，霍尔U