測試技術(shù)霍爾式及其他課件

1、西安工業(yè)大學(xué)機電學(xué)院西安工業(yè)大學(xué)機電學(xué)院4.5 4.5 霍爾傳感器霍爾傳感器 霍爾傳感器是基于霍爾效應(yīng)的一種傳感器。廣泛用于位移、電磁、壓力、加速度、振動等方面的測量。材料：砷化銦（InAs）銻化銦（ InSb）鍺（Ge）等西安工業(yè)大學(xué)機電學(xué)院西安工業(yè)大學(xué)機電學(xué)院UHIBN型半導(dǎo)體洛倫磁力載流子方向FLFE1 1）霍爾效應(yīng)）霍爾效應(yīng) 霍爾元件（板，板厚遠小于板寬和長）置于一磁場中，在板長方向通以控制電流I時，板的側(cè)向（寬度）會產(chǎn)生電動勢差霍爾電壓，此現(xiàn)象為霍爾效應(yīng)西安工業(yè)大學(xué)機電學(xué)院西安工業(yè)大學(xué)機電學(xué)院IBKdIBRUHHHHR霍爾系數(shù)，由材料物理性質(zhì)決定，等于霍爾片材料的電阻率與電子遷移率的

2、乘積。金屬材料載流子遷移率很高, 但電阻率很小; 而絕緣材料電阻率極高, 但載流子遷移率極低。只有半導(dǎo)體材料適于制造霍爾片HK靈敏度系數(shù)，由材料物理性質(zhì)和幾何尺寸決定靈敏度系數(shù)，由材料物理性質(zhì)和幾何尺寸決定目前常用的霍爾元件材料有: 鍺、 硅、砷化銦、銻化銦等半導(dǎo)體材料。西安工業(yè)大學(xué)機電學(xué)院西安工業(yè)大學(xué)機電學(xué)院 2）霍爾元件基本結(jié)構(gòu)2、2兩根引線加激勵電壓或電流，稱為激勵電極；1、1引線為霍爾輸出引線，稱為霍爾電極。 霍爾元件殼體由非導(dǎo)磁金屬、陶瓷或環(huán)氧樹脂封裝而成。 在電路中霍爾元件可用兩種符號表示 由霍爾片、 引線和殼體組成。 霍爾片是一塊矩形半導(dǎo)體單晶薄片， 引出四個引線。西安工業(yè)大學(xué)機

3、電學(xué)院西安工業(yè)大學(xué)機電學(xué)院 3）應(yīng)用 霍爾元件具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、動態(tài)特性好和壽命長的優(yōu)點,它首先是用來測磁場的，還可用來測產(chǎn)生或影響磁場的物理量（如電流）。a.電流傳感器電流傳感器當(dāng)電流流過導(dǎo)線時，將在導(dǎo)線周圍產(chǎn)生磁場，磁場大小與流過導(dǎo)線的電當(dāng)電流流過導(dǎo)線時，將在導(dǎo)線周圍產(chǎn)生磁場，磁場大小與流過導(dǎo)線的電流大小成正比，這一磁場可以通過軟磁材料來聚集，然后用霍爾器件進流大小成正比，這一磁場可以通過軟磁材料來聚集，然后用霍爾器件進行檢測行檢測。西安工業(yè)大學(xué)機電學(xué)院西安工業(yè)大學(xué)機電學(xué)院b.位移測量位移測量西安工業(yè)大學(xué)機電學(xué)院西安工業(yè)大學(xué)機電學(xué)院西安工業(yè)大學(xué)機電學(xué)院西安工業(yè)大學(xué)機電學(xué)院磁性轉(zhuǎn)盤的輸入

4、軸與被測轉(zhuǎn)軸相連, 當(dāng)被測轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動時, 磁性轉(zhuǎn)盤隨之轉(zhuǎn)動, 固定在磁性轉(zhuǎn)盤附近的霍爾傳感器便可在每一個小磁鐵通過時產(chǎn)生一個相應(yīng)的脈沖, 檢測出單位時間的脈沖數(shù), 便可知被測轉(zhuǎn)速。c.轉(zhuǎn)速測量轉(zhuǎn)速測量西安工業(yè)大學(xué)機電學(xué)院西安工業(yè)大學(xué)機電學(xué)院案例：案例：汽車速度測量汽車速度測量西安工業(yè)大學(xué)機電學(xué)院西安工業(yè)大學(xué)機電學(xué)院d.無損探傷無損探傷 鐵磁材料受到磁場激勵時，因其導(dǎo)磁率高，磁阻小，磁力線都集中在材鐵磁材料受到磁場激勵時，因其導(dǎo)磁率高，磁阻小，磁力線都集中在材料內(nèi)部。若材料均勻，磁力線分布也均勻。如果材料中有缺陷，如小孔、料內(nèi)部。若材料均勻，磁力線分布也均勻。如果材料中有缺陷，如小孔、裂紋等，在缺

5、陷處，磁力線會發(fā)生彎曲，使局部磁場發(fā)生畸變。用霍爾裂紋等，在缺陷處，磁力線會發(fā)生彎曲，使局部磁場發(fā)生畸變。用霍爾探頭檢出這種畸變，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理，可辨別出缺陷的位置，性質(zhì)（孔或探頭檢出這種畸變，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理，可辨別出缺陷的位置，性質(zhì)（孔或裂紋）和大小（如深度、寬度等裂紋）和大小（如深度、寬度等)霍爾無損探傷已在炮膛探傷、管道探傷，海用纜繩探傷，霍爾無損探傷已在炮膛探傷、管道探傷，海用纜繩探傷，船體探傷以及材料檢驗等方面得到廣泛應(yīng)用。船體探傷以及材料檢驗等方面得到廣泛應(yīng)用。西安工業(yè)大學(xué)機電學(xué)院西安工業(yè)大學(xué)機電學(xué)院NS西安工業(yè)大學(xué)機電學(xué)院西安工業(yè)大學(xué)機電學(xué)院4.6 4.6 熱敏傳感器熱敏傳感器 1)

6、1)雙金屬溫度計雙金屬溫度計 把兩種膨脹系數(shù)不同的金屬薄片焊接在一起制成。把兩種膨脹系數(shù)不同的金屬薄片焊接在一起制成。它是一種固體膨脹溫度計，可將溫度變化轉(zhuǎn)換成機械量變它是一種固體膨脹溫度計，可將溫度變化轉(zhuǎn)換成機械量變化?；?。優(yōu)點：優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單結(jié)構(gòu)簡單牢固牢固可靠可靠防爆防爆 西安工業(yè)大學(xué)機電學(xué)院西安工業(yè)大學(xué)機電學(xué)院2 2） 熱電溫度計熱電溫度計( (熱電偶熱電偶) ) 熱電效應(yīng)熱電效應(yīng) 將兩種不同材料的導(dǎo)體將兩種不同材料的導(dǎo)體A A和和B B串接成一個閉合串接成一個閉合回路，當(dāng)兩個接點溫度不同時，在回路中就會產(chǎn)回路，當(dāng)兩個接點溫度不同時，在回路中就會產(chǎn)生熱電勢，形成電流，此現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)

7、。生熱電勢，形成電流，此現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)。西安工業(yè)大學(xué)機電學(xué)院西安工業(yè)大學(xué)機電學(xué)院熱電偶測溫基本定律熱電偶測溫基本定律均質(zhì)導(dǎo)體定律均質(zhì)導(dǎo)體定律 由一種均質(zhì)導(dǎo)體組成的閉合回路，不論導(dǎo)體的橫由一種均質(zhì)導(dǎo)體組成的閉合回路，不論導(dǎo)體的橫截面積、長度以及溫度分布如何均不產(chǎn)生熱電動勢。截面積、長度以及溫度分布如何均不產(chǎn)生熱電動勢。TT0中間導(dǎo)體定律中間導(dǎo)體定律 在熱電偶回路中接入第三種材料的導(dǎo)體，只要其兩在熱電偶回路中接入第三種材料的導(dǎo)體，只要其兩端的溫度相等，該導(dǎo)體的接入就不會影響熱電偶回路的端的溫度相等，該導(dǎo)體的接入就不會影響熱電偶回路的總熱電動勢?？偀犭妱觿?。TT0V西安工業(yè)大學(xué)機電學(xué)院西安工業(yè)大學(xué)

8、機電學(xué)院參考電極定律參考電極定律 兩種導(dǎo)體兩種導(dǎo)體A,BA,B分別與參考電極分別與參考電極C C組成熱電偶，如果他們組成熱電偶，如果他們所產(chǎn)生的熱電動勢為已知，所產(chǎn)生的熱電動勢為已知，A A和和B B兩極配對后的熱電動勢可兩極配對后的熱電動勢可用下式求得：用下式求得：),(),(),(000TTETTETTECBACABABTT0=ACTT0CBTT0由于鉑的物理化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、人們多采用鉑作為參考電極由于鉑的物理化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、人們多采用鉑作為參考電極。西安工業(yè)大學(xué)機電學(xué)院西安工業(yè)大學(xué)機電學(xué)院熱電偶是工業(yè)上最常用的溫度檢測器熱電偶是工業(yè)上最常用的溫度檢測器件之一。件之一。測量精度高。因熱電偶直接

9、與被測對象測量精度高。因熱電偶直接與被測對象接觸，不受中間介質(zhì)的影響接觸，不受中間介質(zhì)的影響。測量范圍廣。常用的熱電偶從測量范圍廣。常用的熱電偶從-50-50+1600+1600均可連續(xù)測量，均可連續(xù)測量，某些特殊熱電偶最低可測到某些特殊熱電偶最低可測到- -269269（如金鐵鎳鉻），最高可（如金鐵鎳鉻），最高可達達+2800+2800（如鎢（如鎢- -錸）。錸）。構(gòu)造簡單，使用方便。構(gòu)造簡單，使用方便。西安工業(yè)大學(xué)機電學(xué)院西安工業(yè)大學(xué)機電學(xué)院3 3） 熱敏電阻熱敏電阻 半導(dǎo)體熱敏電阻的材料是一種由錳、鎳、銅等金屬氧化物半導(dǎo)體熱敏電阻的材料是一種由錳、鎳、銅等金屬氧化物按一定比例混合燒結(jié)而成

10、的半導(dǎo)體，按一定比例混合燒結(jié)而成的半導(dǎo)體，熱敏電阻是一種電阻熱敏電阻是一種電阻值隨其溫度成指數(shù)變化的半導(dǎo)體熱敏元件。值隨其溫度成指數(shù)變化的半導(dǎo)體熱敏元件。西安工業(yè)大學(xué)機電學(xué)院西安工業(yè)大學(xué)機電學(xué)院PTCPTC熱敏電阻熱敏電阻: :具有正溫度系數(shù)具有正溫度系數(shù), ,靈靈敏度非常數(shù)。敏度非常數(shù)。NTCNTC熱敏電阻：熱敏電阻：隨溫度上升電阻呈隨溫度上升電阻呈指數(shù)關(guān)系減小，具有負溫度系數(shù)，指數(shù)關(guān)系減小，具有負溫度系數(shù)，靈敏度高；靈敏度高；常用常用CTRCTR熱敏電阻：熱敏電阻：具有很大的負溫度具有很大的負溫度系數(shù)和負電阻突變特性系數(shù)和負電阻突變特性。西安工業(yè)大學(xué)機電學(xué)院西安工業(yè)大學(xué)機電學(xué)院水溫感應(yīng)塞水

11、溫感應(yīng)塞溫溫控控器器還廣泛應(yīng)用于空調(diào)、暖氣、電子體溫計等還廣泛應(yīng)用于空調(diào)、暖氣、電子體溫計等西安工業(yè)大學(xué)機電學(xué)院西安工業(yè)大學(xué)機電學(xué)院4.74.7氣敏傳感器氣敏傳感器 氣體與人類日常生活密切相關(guān)，對氣體的檢測已經(jīng)氣體與人類日常生活密切相關(guān)，對氣體的檢測已經(jīng)是保護和改善生態(tài)居住環(huán)境不可缺少手段，氣敏傳感器發(fā)是保護和改善生態(tài)居住環(huán)境不可缺少手段，氣敏傳感器發(fā)揮著極其重要的作用。揮著極其重要的作用。 如生活環(huán)境中一氧化碳濃度達如生活環(huán)境中一氧化碳濃度達0.80.81.15 ml/L1.15 ml/L時，就會時，就會出現(xiàn)呼吸急促，脈搏加快，甚至?xí)炟?。還有易燃、易爆氣體、出現(xiàn)呼吸急促，脈搏加快，甚至?xí)炟省?/p>

12、還有易燃、易爆氣體、酒精等的探測。酒精等的探測。煙霧報警器煙霧報警器酒精傳感器酒精傳感器二氧化碳傳感器二氧化碳傳感器西安工業(yè)大學(xué)機電學(xué)院西安工業(yè)大學(xué)機電學(xué)院 氣敏傳感器是利用氣敏半導(dǎo)體材料，如氧化錫、氧化錳。氣敏傳感器是利用氣敏半導(dǎo)體材料，如氧化錫、氧化錳。當(dāng)它們吸收了氣體煙霧，如一氧化碳、醇等時，電阻發(fā)生變化。當(dāng)它們吸收了氣體煙霧，如一氧化碳、醇等時，電阻發(fā)生變化。從而使氣敏元件電阻值隨被測氣體的濃度改變而變化。從而使氣敏元件電阻值隨被測氣體的濃度改變而變化。 西安工業(yè)大學(xué)機電學(xué)院西安工業(yè)大學(xué)機電學(xué)院燃氣報警器燃氣報警器酒精傳感器酒精傳感器西安工業(yè)大學(xué)機電學(xué)院西安工業(yè)大學(xué)機電學(xué)院4.8 CC

13、D固態(tài)圖象傳感器固態(tài)圖象傳感器(電荷耦合器件電荷耦合器件) MOS(Metal Oxide Semiconductor)MOS(Metal Oxide Semiconductor)光敏元的結(jié)構(gòu)是在光敏元的結(jié)構(gòu)是在半導(dǎo)體半導(dǎo)體(P(P型硅型硅) )基片上形成一種氧化物基片上形成一種氧化物( (如二氧化硅如二氧化硅) )，在氧，在氧化物上再沉積一層金屬電極，以此形成一個金屬化物上再沉積一層金屬電極，以此形成一個金屬- -氧化物氧化物- -半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)元半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)元 (MOS)(MOS)。 西安工業(yè)大學(xué)機電學(xué)院西安工業(yè)大學(xué)機電學(xué)院 在半導(dǎo)體硅片上按線陣或面陣排列在半導(dǎo)體硅片上按線陣或面陣排列MOSMO

14、S單元，單元，如果照射在這些光敏元上的是一幅明暗起伏的圖如果照射在這些光敏元上的是一幅明暗起伏的圖像，則這些光敏元上就會感生出一幅與光照強度像，則這些光敏元上就會感生出一幅與光照強度相對應(yīng)的光生電荷圖像。相對應(yīng)的光生電荷圖像。西安工業(yè)大學(xué)機電學(xué)院西安工業(yè)大學(xué)機電學(xué)院特點特點: (1) (1) 組成測試儀器可測量物位、尺寸、工件損傷、自組成測試儀器可測量物位、尺寸、工件損傷、自動對焦動對焦; ;條形碼掃描器條形碼掃描器應(yīng)用:(1) 寬度測量; （2) 外徑測量; (3) 主軸徑向跳動測量 (2) (2) 作光學(xué)信息處理裝置的輸入環(huán)節(jié)，可用于作光學(xué)信息處理裝置的輸入環(huán)節(jié)，可用于傳真技術(shù)、光學(xué)文字識

15、別與圖像識別、光譜測傳真技術(shù)、光學(xué)文字識別與圖像識別、光譜測量等；量等； (3) (3) 作自動流水線裝置中的敏感器件，可用作自動流水線裝置中的敏感器件，可用于機床、自動售貨、自動搬運及自動監(jiān)視裝置于機床、自動售貨、自動搬運及自動監(jiān)視裝置等方面。等方面。西安工業(yè)大學(xué)機電學(xué)院西安工業(yè)大學(xué)機電學(xué)院數(shù)碼相機數(shù)碼相機西安工業(yè)大學(xué)機電學(xué)院西安工業(yè)大學(xué)機電學(xué)院1 1）超聲波及其物理性質(zhì)）超聲波及其物理性質(zhì) 聲波是一種能在氣體、液體和固體中傳播的機械波。次聲波次聲波低于16 Hz的機械波聲聲 波波頻率在162104 Hz之間, 能為人耳所聞的機械波超聲波超聲波高高于2104 Hz的機械波 微微 波波頻率在3

16、108 31011 Hz的機械波 4.94.9超聲波傳感器超聲波傳感器 西安工業(yè)大學(xué)機電學(xué)院西安工業(yè)大學(xué)機電學(xué)院超聲波在均勻介質(zhì)中按直線傳播；超聲波在均勻介質(zhì)中按直線傳播；當(dāng)超聲波由一種介質(zhì)入射到另一種介質(zhì)時當(dāng)超聲波由一種介質(zhì)入射到另一種介質(zhì)時, , 由于在兩種介質(zhì)中傳由于在兩種介質(zhì)中傳播速度不同播速度不同, , 在介質(zhì)面上會產(chǎn)生反射、折射和波形轉(zhuǎn)換等現(xiàn)象，在介質(zhì)面上會產(chǎn)生反射、折射和波形轉(zhuǎn)換等現(xiàn)象，符合幾何光學(xué)的定律。符合幾何光學(xué)的定律。 性質(zhì)：性質(zhì)：西安工業(yè)大學(xué)機電學(xué)院西安工業(yè)大學(xué)機電學(xué)院2）超聲傳感器）超聲傳感器超聲波探頭按其工作原理可分為壓電式、超聲波探頭按其工作原理可分為壓電式、 磁

17、致伸縮式、磁致伸縮式、 電磁式等電磁式等, , 而以壓電式最為常用。而以壓電式最為常用。利用壓電材料的利用壓電材料的壓電效應(yīng)壓電效應(yīng)來工作的來工作的: :發(fā)射探頭發(fā)射探頭產(chǎn)生超聲波；產(chǎn)生超聲波；接收探頭接收探頭將超聲振動波轉(zhuǎn)換成電信號將超聲振動波轉(zhuǎn)換成電信號壓電式：壓電式：實際應(yīng)用中，兩者合為一體：將脈沖交流電壓加在壓電元實際應(yīng)用中，兩者合為一體：將脈沖交流電壓加在壓電元件上，使其向被測介質(zhì)發(fā)射超聲波，同時又利用它接收從件上，使其向被測介質(zhì)發(fā)射超聲波，同時又利用它接收從該介質(zhì)中反射回來的超聲波，并將該反射波轉(zhuǎn)換為電信號該介質(zhì)中反射回來的超聲波，并將該反射波轉(zhuǎn)換為電信號輸出。輸出。西安工業(yè)大學(xué)機

18、電學(xué)院西安工業(yè)大學(xué)機電學(xué)院3）超聲傳感器的應(yīng)用）超聲傳感器的應(yīng)用物位傳感器物位傳感器如果從發(fā)射超聲脈沖開始, 到接收到反射波為止的這個時間間隔為已知, 就可以求出分界面的位置, 利用這種方法可以對物位進行測量。超聲波在液體中傳播（衰減小）西安工業(yè)大學(xué)機電學(xué)院西安工業(yè)大學(xué)機電學(xué)院流量傳感器流量傳感器超聲波傳輸時間差法超聲波傳輸時間差法超聲波在靜止流體和流動流體中的傳輸速度是不同的, 利用這一特點可以求出流體的速度, 再根據(jù)管道流體的截面積, 便可知道流體的流量。 vcLt1順流：vcLt2逆流：22122vcLvttttLcv22西安工業(yè)大學(xué)機電學(xué)院西安工業(yè)大學(xué)機電學(xué)院倒車雷達倒車雷達西安工業(yè)大

19、學(xué)機電學(xué)院西安工業(yè)大學(xué)機電學(xué)院魚群探測器魚群探測器西安工業(yè)大學(xué)機電學(xué)院西安工業(yè)大學(xué)機電學(xué)院4.10 4.10 其他類型傳感器其他類型傳感器 1）熱輻射檢測傳感器）熱輻射檢測傳感器絕對零度以上的物體都有輻射，絕對零度以上的物體都有輻射，其強度依賴于物體溫度其強度依賴于物體溫度(K)(K)，冶金、軋制、磨削加工以及各冶金、軋制、磨削加工以及各種熱加工過程中都涉及到動態(tài)溫度場的檢測問題。種熱加工過程中都涉及到動態(tài)溫度場的檢測問題。2）聲發(fā)射檢測傳感器）聲發(fā)射檢測傳感器材料或結(jié)構(gòu)受外力或內(nèi)力作用產(chǎn)材料或結(jié)構(gòu)受外力或內(nèi)力作用產(chǎn)生變形或斷裂，以彈性形式釋放出應(yīng)變能的現(xiàn)象叫聲發(fā)射。生變形或斷裂，以彈性形式釋放出應(yīng)變能的現(xiàn)象叫聲發(fā)射?？捎糜诓牧蠑嗔训冉Y(jié)構(gòu)檢測可用于材料斷裂等結(jié)構(gòu)檢測西安工業(yè)大學(xué)機電學(xué)院西安工業(yè)大學(xué)機電學(xué)院3 3）生物傳感器）生物傳感器發(fā)酵工業(yè)：谷氨酸葡萄糖檢測發(fā)酵工業(yè)：谷氨酸葡萄糖檢測 醫(yī)學(xué)：血糖乳酸測定醫(yī)學(xué)：血糖乳酸測定檢測對象中含生命物質(zhì)。根據(jù)敏感物質(zhì)不同檢測對象中含生命物質(zhì)。根據(jù)敏感物質(zhì)不同, ,生物傳感器分生物傳感器分酶傳感器、微生物傳感器、組織傳感器、細胞器傳感器、酶傳感器、微生物傳感器、組織傳感器、細胞器傳感器、免疫傳感器等。免疫傳感器等。熱熱/ /光光電信號電信號微生物微生物/酶等酶等熱敏元件