第3章電抗式和傳感器

1、1第三章第三章 電抗式和霍爾傳感器電抗式和霍爾傳感器 23.1.1 3.1.1 電容式傳感器工作原理電容式傳感器工作原理由兩平行極板組成一個(gè)電由兩平行極板組成一個(gè)電容器，若忽略其邊緣效應(yīng)，容器，若忽略其邊緣效應(yīng)，它的電容量可用下式表示：它的電容量可用下式表示：+A 3.1 3.1 電容式傳感器電容式傳感器3 思考：思考：上式中，哪幾個(gè)參量可以作為變量？可上式中，哪幾個(gè)參量可以作為變量？可以做成哪幾種類型的電容傳感器？以做成哪幾種類型的電容傳感器？ 、A A或或發(fā)生變發(fā)生變化時(shí)，都會(huì)引起化時(shí)，都會(huì)引起電容的變化。電容的變化。圓筒形電容器的電容為圓筒形電容器的電容為41.1.極距極距 變化型變化型

2、+設(shè)動(dòng)片未動(dòng)時(shí)的電容量為設(shè)動(dòng)片未動(dòng)時(shí)的電容量為 ：設(shè)動(dòng)片移動(dòng)設(shè)動(dòng)片移動(dòng)x x時(shí)的電容量為時(shí)的電容量為 ：電容量電容量C C與與 不是線性關(guān)系。不是線性關(guān)系。 3.1.2 3.1.2 電容式傳感器結(jié)構(gòu)形式電容式傳感器結(jié)構(gòu)形式5量程量程 x x 遠(yuǎn)小于極板初始距離遠(yuǎn)小于極板初始距離0 0時(shí)：時(shí)：此時(shí)此時(shí)C C與與 便呈線性關(guān)系，但便呈線性關(guān)系，但量程縮小很多量程縮小很多。6當(dāng)當(dāng) 時(shí)時(shí)靈敏度為靈敏度為7應(yīng)用舉例應(yīng)用舉例82. 2. 面積變化型面積變化型角位移型角位移型+9平面線位移型平面線位移型靈敏度靈敏度 增加增加b0值或減少值或減少0值諧可提高傳值諧可提高傳感器的靈敏度感器的靈敏度 10柱面線位

3、移型柱面線位移型. .113. 3. 介質(zhì)變化型介質(zhì)變化型 因?yàn)楦鞣N介質(zhì)的相對介電常數(shù)不同，所以在電容器兩極板間插入不同介質(zhì)時(shí)，電容器的電容量也就不同。134. 4. 差動(dòng)電容傳感器差動(dòng)電容傳感器變距離型變距離型變面積型變面積型14當(dāng)動(dòng)片向上移動(dòng)當(dāng)動(dòng)片向上移動(dòng) 則移動(dòng)則移動(dòng) 153.1.3 3.1.3 電容式傳感器的測量電路電容式傳感器的測量電路v主要作用主要作用：將傳感器產(chǎn)生的電容量變化轉(zhuǎn)換成電壓信號輸出：將傳感器產(chǎn)生的電容量變化轉(zhuǎn)換成電壓信號輸出v測量電路測量電路：最常用的是：最常用的是交流電橋交流電橋。還包括信號放大部分。還包括信號放大部分- -交流交流放大電路放大電路、交流信號轉(zhuǎn)變?yōu)橹?/p>

4、流信號部分、交流信號轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷餍盘柌糠? -解調(diào)電路解調(diào)電路、高頻干、高頻干擾的濾除部分?jǐn)_的濾除部分- -濾波電路濾波電路等。等。電容式傳感器測量電路電容式傳感器測量電路16當(dāng)電橋平衡時(shí)，沒當(dāng)電橋平衡時(shí)，沒有電流流過零示儀，有電流流過零示儀，即即abab兩點(diǎn)的電勢在兩點(diǎn)的電勢在任一瞬間都相等，任一瞬間都相等，由歐姆定律得：由歐姆定律得：（1 1）. . 交流電橋及其平衡條件交流電橋及其平衡條件1717上式稱為上式稱為交流電橋的平衡條件交流電橋的平衡條件，它相當(dāng)于，它相當(dāng)于下列兩式下列兩式: :幅值幅值初相位初相位得得 ： 或或或或 ： 18交流電橋至少應(yīng)有兩個(gè)可調(diào)節(jié)的標(biāo)準(zhǔn)元交流電橋至少應(yīng)有兩個(gè)

5、可調(diào)節(jié)的標(biāo)準(zhǔn)元件，通常是用一個(gè)件，通常是用一個(gè)可變電阻可變電阻和一個(gè)和一個(gè)可變可變電抗電抗，調(diào)節(jié)交流電橋平衡要比調(diào)節(jié)直流調(diào)節(jié)交流電橋平衡要比調(diào)節(jié)直流電橋平衡復(fù)雜電橋平衡復(fù)雜。交流電橋平衡：阻抗幅值大小成比例，相位條件交流電橋平衡：阻抗幅值大小成比例，相位條件滿足：滿足：19經(jīng)典交流電橋經(jīng)典交流電橋 20交流電橋與直流電橋?qū)Ρ冉涣麟姌蚺c直流電橋?qū)Ρ?21 電容電容傳感器傳感器平衡條件平衡條件22 用于電容損耗角的測量用于電容損耗角的測量CRc（圖b）實(shí)際電容器相當(dāng)于兩極板間并聯(lián)有一只實(shí)際電容器相當(dāng)于兩極板間并聯(lián)有一只很大的電阻。則電容器的復(fù)阻抗：很大的電阻。則電容器的復(fù)阻抗：23 當(dāng)當(dāng) 時(shí)，時(shí)，

6、上式表明，實(shí)際電容器也等于上式表明，實(shí)際電容器也等于理想電容與理想電容與一一個(gè)阻值為個(gè)阻值為 的的電阻串聯(lián)電阻串聯(lián)，當(dāng)，當(dāng) 時(shí)，電容器成為理想電容器。一般情況時(shí)，電容器成為理想電容器。一般情況 為一個(gè)較大的阻值，所以正弦交流電通過時(shí)，為一個(gè)較大的阻值，所以正弦交流電通過時(shí)，電容器兩端電壓和通過的電流之間的相位角電容器兩端電壓和通過的電流之間的相位角不是不是 ，而是，而是 24 這里稱這里稱 為為電容器的損耗角電容器的損耗角，它是衡量，它是衡量實(shí)際電容器與理想電容器的差別的一個(gè)重實(shí)際電容器與理想電容器的差別的一個(gè)重要參數(shù)。為方便起見，一般用要參數(shù)。為方便起見，一般用 來表來表示電容器的損耗。示電

7、容器的損耗。 C25電容電橋電容電橋當(dāng)電橋平衡時(shí)，可得：當(dāng)電橋平衡時(shí)，可得：求得：求得： 平衡交流電橋平衡交流電橋26電容電橋電容電橋交流電源交流電源化簡得到化簡得到，電橋輸出：，電橋輸出：不平衡交流電橋不平衡交流電橋電橋輸出信號為交流信號，被測電橋輸出信號為交流信號，被測電容量會(huì)改變輸出交流信號的幅電容量會(huì)改變輸出交流信號的幅值，因此可以通過測量輸出信號值，因此可以通過測量輸出信號幅值得到被測電容量的值幅值得到被測電容量的值。LM324LM324管腳連接圖管腳連接圖 反相交流放大器反相交流放大器 同相交流放大器同相交流放大器 3030（1 1）調(diào)制解調(diào)基本概念）調(diào)制解調(diào)基本概念在檢測系統(tǒng)中為

8、什么要采用信號調(diào)制和解調(diào)？在檢測系統(tǒng)中為什么要采用信號調(diào)制和解調(diào)？ 在檢測系統(tǒng)中，傳感器的輸出信號一般又很在檢測系統(tǒng)中，傳感器的輸出信號一般又很微弱，從放大處理來看，直流放大有零漂和級間微弱，從放大處理來看，直流放大有零漂和級間耦合等問題。為此，往往把緩變信號先變?yōu)轭l率耦合等問題。為此，往往把緩變信號先變?yōu)轭l率適當(dāng)?shù)慕涣餍盘?，然后利用交流放大器放大，最適當(dāng)?shù)慕涣餍盘?，然后利用交流放大器放大，最后再恢?fù)為原緩變信號。這樣的變換過程稱為調(diào)后再恢復(fù)為原緩變信號。這樣的變換過程稱為調(diào)制與解調(diào)制與解調(diào)31調(diào)制解調(diào)電路的作用：調(diào)制解調(diào)電路的作用：3232什么是信號調(diào)制？什么是信號調(diào)制？ 調(diào)制調(diào)制就是用一個(gè)

9、信號（稱為調(diào)制信號）去控就是用一個(gè)信號（稱為調(diào)制信號）去控制另一個(gè)做為載體的信號（稱為載波信號），讓制另一個(gè)做為載體的信號（稱為載波信號），讓后者（載波信號）的某一特征參數(shù)（幅值、相位后者（載波信號）的某一特征參數(shù)（幅值、相位、頻率）按前者（調(diào)制信號）變化。、頻率）按前者（調(diào)制信號）變化。 什么是解調(diào)？什么是解調(diào)？ 在將測量信號調(diào)制，并將它和噪聲分離，放在將測量信號調(diào)制，并將它和噪聲分離，放大等處理后，還要從已經(jīng)調(diào)制的信號中提取反映大等處理后，還要從已經(jīng)調(diào)制的信號中提取反映被測量值的測量信號，這一過程稱為被測量值的測量信號，這一過程稱為解調(diào)解調(diào)。2/10/20222/10/20223333調(diào)制

10、信號、載波信號、已調(diào)信號？調(diào)制信號、載波信號、已調(diào)信號？v調(diào)制是給測量信號賦予一定特征，這個(gè)調(diào)制是給測量信號賦予一定特征，這個(gè)特征由作為載體的信號提供。常以一個(gè)特征由作為載體的信號提供。常以一個(gè)高頻正弦信號高頻正弦信號或或脈沖信號脈沖信號作為載體，這作為載體，這個(gè)載體稱為個(gè)載體稱為載波信號。載波信號。載波信號載波信號z(t)z(t)0 0t t34v用來改變載波信號的某一參數(shù)，如幅值、用來改變載波信號的某一參數(shù)，如幅值、頻率、相位的信號稱為頻率、相位的信號稱為調(diào)制信號調(diào)制信號。v在檢測系統(tǒng)中，通常就用在檢測系統(tǒng)中，通常就用測量信號作調(diào)制測量信號作調(diào)制信號信號。經(jīng)過調(diào)制的載波信號叫。經(jīng)過調(diào)制的載

11、波信號叫已調(diào)信號已調(diào)信號。調(diào)制信號調(diào)制信號x(t)x(t)0 0t t35（2 2）調(diào)制方法）調(diào)制方法36a) a) 幅度調(diào)制幅度調(diào)制(AM)(AM)b) b) 頻率調(diào)制頻率調(diào)制(FM)(FM)c) c) 相位調(diào)制相位調(diào)制(PM(PM)37載波信號：載波信號：由一列占空比不同的矩形脈沖構(gòu)成由一列占空比不同的矩形脈沖構(gòu)成。脈沖寬度調(diào)制電路脈沖寬度調(diào)制電路：d)d)脈沖寬度調(diào)制脈沖寬度調(diào)制理想的脈沖周期序列中（如理想的脈沖周期序列中（如方波），正脈沖的持續(xù)時(shí)間方波），正脈沖的持續(xù)時(shí)間與脈沖總周期的比值與脈沖總周期的比值 38緩變信號緩變信號調(diào)制調(diào)制高頻信號高頻信號放大放大放大高放大高頻信號頻信號解

12、調(diào)解調(diào)放大緩變放大緩變信號信號v調(diào)幅是將一個(gè)高頻正弦信號（或稱載波）與測調(diào)幅是將一個(gè)高頻正弦信號（或稱載波）與測試信號相乘，試信號相乘，使載波信號幅值隨測試信號的變使載波信號幅值隨測試信號的變化而變化化而變化調(diào)制原理調(diào)制原理(3)調(diào)制與解調(diào)電路2/10/202239幅度調(diào)制與解調(diào)過程（波形分析）幅度調(diào)制與解調(diào)過程（波形分析）乘法器乘法器放大器放大器X(t)Y(t)X m(t)乘法器乘法器濾波器濾波器Y(t)x(t)2/10/202240幅度調(diào)制與解調(diào)過程（數(shù)學(xué)分析）幅度調(diào)制與解調(diào)過程（數(shù)學(xué)分析）乘法器乘法器放大器放大器X(t)Y(t)X m(t)乘法器乘法器濾波器濾波器Y(t)x(t)結(jié)論：調(diào)

13、幅過程在時(shí)域是調(diào)制波結(jié)論：調(diào)幅過程在時(shí)域是調(diào)制波與載波相乘的運(yùn)算。與載波相乘的運(yùn)算。 41 先將微弱的緩變信號加載到高頻交流信號先將微弱的緩變信號加載到高頻交流信號中去，然后利用交流放大器進(jìn)行放大，最后中去，然后利用交流放大器進(jìn)行放大，最后再從放大器的輸出信號中取出放大了的緩變再從放大器的輸出信號中取出放大了的緩變信號。信號。 例：交流電橋例：交流電橋VinVoR1R3R2R4調(diào)幅電路調(diào)幅電路4242 應(yīng)變電阻的電阻變化量和被測外力引起的應(yīng)變應(yīng)變電阻的電阻變化量和被測外力引起的應(yīng)變 之間的關(guān)系為：之間的關(guān)系為：式中，式中，K K：應(yīng)變片的靈敏度系數(shù)；：應(yīng)變片的靈敏度系數(shù)； R R：應(yīng)變片初始電

14、阻值。：應(yīng)變片初始電阻值。所以有：所以有： 上式表明，載波信號上式表明，載波信號 經(jīng)電橋調(diào)幅后，輸出的信號經(jīng)電橋調(diào)幅后，輸出的信號 幅值為幅值為 ，即余弦載波信號的幅值被應(yīng)變，即余弦載波信號的幅值被應(yīng)變 所調(diào)制。而且隨著調(diào)制信號所調(diào)制。而且隨著調(diào)制信號 正負(fù)半周的改變，調(diào)幅正負(fù)半周的改變，調(diào)幅波的相位也隨著改變：當(dāng)調(diào)制信號波的相位也隨著改變：當(dāng)調(diào)制信號 為正時(shí)，調(diào)幅波與為正時(shí)，調(diào)幅波與載波同相；當(dāng)載波同相；當(dāng) 為負(fù)時(shí)，調(diào)幅波與載波反相。為負(fù)時(shí)，調(diào)幅波與載波反相。 2/10/202243a). a). 包絡(luò)檢波包絡(luò)檢波 v從已調(diào)信號中檢出調(diào)制信號的過程稱為從已調(diào)信號中檢出調(diào)制信號的過程稱為解調(diào)解

15、調(diào)或或檢波檢波。幅值調(diào)制就是讓已調(diào)信號。幅值調(diào)制就是讓已調(diào)信號的幅值隨調(diào)制信號的值變化，因此調(diào)幅的幅值隨調(diào)制信號的值變化，因此調(diào)幅信號的包絡(luò)線形狀與調(diào)制信號一致。只信號的包絡(luò)線形狀與調(diào)制信號一致。只要能檢出調(diào)幅信號的包絡(luò)線即能實(shí)現(xiàn)解要能檢出調(diào)幅信號的包絡(luò)線即能實(shí)現(xiàn)解調(diào)。這種方法稱為調(diào)。這種方法稱為包絡(luò)檢波包絡(luò)檢波。解調(diào)原理解調(diào)原理調(diào)制信號調(diào)制信號 加偏至電壓加偏至電壓 調(diào)幅波調(diào)幅波包絡(luò)檢波包絡(luò)檢波 濾波濾波 去掉直流分量去掉直流分量低通濾波器低通濾波器包絡(luò)檢波器的電路形式包絡(luò)檢波器的電路形式一般調(diào)幅波一般調(diào)幅波vi(t)tOvOtiD(t)引言平衡調(diào)幅波平衡調(diào)幅波vi(t)tO vtOiD(t

16、)2/10/202248b). b). 相敏檢波相敏檢波N2N2為過零比較器，載波信號為過零比較器，載波信號 經(jīng)過經(jīng)過N2N2后轉(zhuǎn)換為方波后轉(zhuǎn)換為方波信號信號 。D D為開關(guān)二極管，將為開關(guān)二極管，將N2N2輸出的方波信號輸出的方波信號 加在加在場效應(yīng)管場效應(yīng)管G G上。上。49波相敏檢波電路例實(shí)例50波相敏檢波電路例實(shí)例v當(dāng)當(dāng) 時(shí)時(shí),G,G截止，截止，N1N1同相端高電平，調(diào)幅波同相端高電平，調(diào)幅波 從從N1N1同同相端和反相端同時(shí)輸入，相端和反相端同時(shí)輸入，N1N1的放大倍數(shù)為：的放大倍數(shù)為： 輸出信號輸出信號 波形是一個(gè)幅值與被調(diào)制信號波形是一個(gè)幅值與被調(diào)制信號 相同，位于正相同，位于正

17、半周的波形。半周的波形。v當(dāng)當(dāng) 時(shí)，時(shí)，G G導(dǎo)通，導(dǎo)通，N1N1同相端接地，為底電平，調(diào)幅波同相端接地，為底電平，調(diào)幅波 從從N1N1反相端輸入，反相端輸入，N1N1的放大倍數(shù)為：的放大倍數(shù)為： 輸出信號輸出信號 波形是一個(gè)幅值與被調(diào)制信號波形是一個(gè)幅值與被調(diào)制信號 相反且略大相反且略大的，位于正半周的波形。的，位于正半周的波形。2/10/202251相敏檢波與包絡(luò)檢波的主要區(qū)別相敏檢波與包絡(luò)檢波的主要區(qū)別v相敏檢波電路能夠相敏檢波電路能夠鑒別調(diào)制信號相位鑒別調(diào)制信號相位，從而，從而判別被測量變化的方向。判別被測量變化的方向。v相敏檢波電路具有相敏檢波電路具有選頻選頻的能力，從而提高測的能力

18、，從而提高測控系統(tǒng)的抗干擾能力?？叵到y(tǒng)的抗干擾能力。v從電路結(jié)構(gòu)上看，相敏檢波電路的主要特點(diǎn)從電路結(jié)構(gòu)上看，相敏檢波電路的主要特點(diǎn)是，除了所需解調(diào)的調(diào)幅信號外，還要是，除了所需解調(diào)的調(diào)幅信號外，還要輸入輸入一個(gè)參考信號一個(gè)參考信號。有了參考信號就可以用它來。有了參考信號就可以用它來鑒別輸入信號的相位和頻率。鑒別輸入信號的相位和頻率。作業(yè)作業(yè)：P83,654優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)： (1)(1)溫度穩(wěn)定性好溫度穩(wěn)定性好 (2)(2)結(jié)構(gòu)簡單結(jié)構(gòu)簡單 (3)(3)動(dòng)態(tài)響應(yīng)好動(dòng)態(tài)響應(yīng)好 (4)(4)可實(shí)現(xiàn)非接觸式測量可實(shí)現(xiàn)非接觸式測量缺點(diǎn)：缺點(diǎn)： (1)(1)輸出阻抗高，負(fù)載能力差輸出阻抗高，負(fù)載能力差 (2)

19、(2)寄生電容影響大寄生電容影響大551. 1. 電容式液位計(jì)電容式液位計(jì)(1) (1) 電容式液面計(jì)電容式液面計(jì) 設(shè)容器中介質(zhì)是非設(shè)容器中介質(zhì)是非導(dǎo)電的（如果液體是導(dǎo)電的（如果液體是導(dǎo)電的，則電極需要導(dǎo)電的，則電極需要絕緣），容器中液體絕緣），容器中液體介質(zhì)浸沒電極介質(zhì)浸沒電極2 2的高的高度為度為hxhx，這時(shí)，這時(shí)總的電總的電容容C C等于氣體介質(zhì)間等于氣體介質(zhì)間的電容量和液體介質(zhì)的電容量和液體介質(zhì)間電容量之和間電容量之和。hhx5656氣體介質(zhì)間的電容量氣體介質(zhì)間的電容量C C氣氣為：為： 液體介質(zhì)間的電容量液體介質(zhì)間的電容量C C油油為為: :57因此，總電容量為兩電容并聯(lián)，由上兩式

20、得：因此，總電容量為兩電容并聯(lián)，由上兩式得：令：令：則：則：電容量電容量C C與液體深與液體深度度hxhx成比例關(guān)系。成比例關(guān)系。電容靈敏度：電容靈敏度：59(2) (2) 電容式液位限位傳感器電容式液位限位傳感器 棒狀電極（金屬管）外面包裹聚四氟乙烯套棒狀電極（金屬管）外面包裹聚四氟乙烯套管，當(dāng)被測液體的液面上升時(shí)，引起棒狀電極管，當(dāng)被測液體的液面上升時(shí)，引起棒狀電極與導(dǎo)電液體之間的電容變大。與導(dǎo)電液體之間的電容變大。 聚四氟乙烯外套聚四氟乙烯外套電容式液位限位傳感器電容式液位限位傳感器設(shè)定設(shè)定按鈕按鈕602.2.電容式接近開關(guān)電容式接近開關(guān) 電容式接近開關(guān)外形：電容式接近開關(guān)外形：全密封防

21、水式全密封防水式61 電容式接近開關(guān)在物位測量電容式接近開關(guān)在物位測量控制中的使用演示控制中的使用演示62電容式接近開關(guān)在液位測量控制中的使用電容式接近開關(guān)在液位測量控制中的使用633.3.電容式差壓變送器電容式差壓變送器 高壓側(cè)進(jìn)氣口低壓側(cè)進(jìn)氣口電子線路位置內(nèi)部不銹鋼膜片的位置643.2 3.2 霍爾式傳感器霍爾式傳感器v霍爾傳感器工作原理霍爾傳感器工作原理v霍爾元件的結(jié)構(gòu)和基本電路霍爾元件的結(jié)構(gòu)和基本電路v霍爾元件的主要特性參數(shù)霍爾元件的主要特性參數(shù)v霍爾式傳感器的應(yīng)用霍爾式傳感器的應(yīng)用653.2.1 3.2.1 霍爾傳感器工作原理霍爾傳感器工作原理v半導(dǎo)體薄片置于磁場中，當(dāng)它的電流方向與

22、半導(dǎo)體薄片置于磁場中，當(dāng)它的電流方向與磁場方向不一致時(shí)，半導(dǎo)體薄片上平行于電磁場方向不一致時(shí)，半導(dǎo)體薄片上平行于電流和磁場方向的兩個(gè)面之間產(chǎn)生電動(dòng)勢，這流和磁場方向的兩個(gè)面之間產(chǎn)生電動(dòng)勢，這種現(xiàn)象稱種現(xiàn)象稱霍爾效應(yīng)霍爾效應(yīng)v產(chǎn)生的電動(dòng)勢稱產(chǎn)生的電動(dòng)勢稱霍爾電勢霍爾電勢v半導(dǎo)體薄片稱半導(dǎo)體薄片稱霍爾元件霍爾元件66c cd da ab b霍爾效應(yīng)演示霍爾效應(yīng)演示67 半導(dǎo)體薄片置于磁感應(yīng)強(qiáng)度為半導(dǎo)體薄片置于磁感應(yīng)強(qiáng)度為B B 的磁場中，的磁場中，磁場方向垂直于薄片，當(dāng)有電流磁場方向垂直于薄片，當(dāng)有電流I I 流過薄片時(shí)，流過薄片時(shí)，在垂直于電流和磁場的方向上將產(chǎn)生電動(dòng)勢在垂直于電流和磁場的方向上

23、將產(chǎn)生電動(dòng)勢U UH H，這種現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)。這種現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)。 67磁感應(yīng)強(qiáng)度磁感應(yīng)強(qiáng)度B B 較大時(shí)的情況較大時(shí)的情況UH= KH IB/d磁感應(yīng)強(qiáng)度磁感應(yīng)強(qiáng)度B B為零時(shí)的情況為零時(shí)的情況c cd da ab bK KH H: :霍霍爾常數(shù)爾常數(shù) S SH H: :霍爾元件靈敏度（靈敏系數(shù)）霍爾元件靈敏度（靈敏系數(shù)） 70霍爾常數(shù)霍爾常數(shù) 霍爾常數(shù)大小取決于導(dǎo)體的載流子密度：霍爾常數(shù)大小取決于導(dǎo)體的載流子密度：金屬的自由電子密度太大，因而霍爾常數(shù)小，霍爾電勢也小，金屬的自由電子密度太大，因而霍爾常數(shù)小，霍爾電勢也小，所以金屬材料不宜制作霍爾元件。所以金屬材料不宜制作霍爾元件。霍爾電

24、勢與導(dǎo)體厚度霍爾電勢與導(dǎo)體厚度d d成反比：成反比：為了提高霍爾電勢值，為了提高霍爾電勢值， 霍爾元件制成薄片形狀?；魻栐瞥杀∑螤睢?霍爾元件靈敏度（靈敏系數(shù)）霍爾元件靈敏度（靈敏系數(shù)） 半導(dǎo)體中電子遷移率（電子定向運(yùn)動(dòng)平均速度）比空穴遷移半導(dǎo)體中電子遷移率（電子定向運(yùn)動(dòng)平均速度）比空穴遷移率高，因此率高，因此N N型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體較適合于制造靈敏度高的霍爾元件，較適合于制造靈敏度高的霍爾元件， 71磁場不垂直于霍爾元件時(shí)的霍爾電動(dòng)勢磁場不垂直于霍爾元件時(shí)的霍爾電動(dòng)勢 若磁感應(yīng)強(qiáng)度若磁感應(yīng)強(qiáng)度B B不垂直于霍爾元不垂直于霍爾元件，而是與其法線成某一角度件，而是與其法線成某一角度 時(shí)，時(shí)，

25、實(shí)際上作用于霍爾元件上的有效磁感實(shí)際上作用于霍爾元件上的有效磁感應(yīng)強(qiáng)度是其法線方向（與薄片垂直的應(yīng)強(qiáng)度是其法線方向（與薄片垂直的方向）的分量，即方向）的分量，即B Bcoscos ，這時(shí)的霍，這時(shí)的霍爾電勢為：爾電勢為： E EH H= =S SH HIBIBcoscos 721 1、 元件材料元件材料2 2、 元件結(jié)構(gòu)元件結(jié)構(gòu)3.2.2 3.2.2 霍爾元件霍爾元件73733 3、霍爾元件特性參數(shù)、霍爾元件特性參數(shù)(1) (1) 輸入阻抗和輸出阻抗輸入阻抗和輸出阻抗 輸入阻抗輸入阻抗RiRi：控制電流進(jìn)出端之間的阻抗：控制電流進(jìn)出端之間的阻抗 輸出阻抗輸出阻抗RoRo：霍爾電極輸出的正負(fù)端子

26、間的內(nèi)阻：霍爾電極輸出的正負(fù)端子間的內(nèi)阻(2) (2) 溫度系數(shù)溫度系數(shù) 在一定磁場強(qiáng)度和控制電流作用下，溫度每變化在一定磁場強(qiáng)度和控制電流作用下，溫度每變化1 1 時(shí)霍爾電勢變化的百分?jǐn)?shù)稱為霍爾電勢溫度時(shí)霍爾電勢變化的百分?jǐn)?shù)稱為霍爾電勢溫度系數(shù)系數(shù) ，與霍爾元件的材料有關(guān)與霍爾元件的材料有關(guān)(3) (3) 額定控制電流和最大允許控制電流額定控制電流和最大允許控制電流 額定控制電流額定控制電流：當(dāng)霍爾元件有控制電流使其本：當(dāng)霍爾元件有控制電流使其本身在空氣中產(chǎn)生身在空氣中產(chǎn)生1010溫升時(shí)，對應(yīng)的控制電流溫升時(shí)，對應(yīng)的控制電流值值 最大允許控制電流最大允許控制電流：元件允許的最大溫升限制：元件

27、允許的最大溫升限制所對應(yīng)的控制電流值所對應(yīng)的控制電流值 (4) (4) 最大磁感應(yīng)強(qiáng)度最大磁感應(yīng)強(qiáng)度 磁感應(yīng)強(qiáng)度超過最大磁感應(yīng)強(qiáng)度時(shí)，輸出的霍磁感應(yīng)強(qiáng)度超過最大磁感應(yīng)強(qiáng)度時(shí)，輸出的霍爾電勢的非線性誤差會(huì)明顯增大，所以一般的爾電勢的非線性誤差會(huì)明顯增大，所以一般的最大磁感應(yīng)強(qiáng)度的數(shù)值小于零點(diǎn)幾特斯拉。最大磁感應(yīng)強(qiáng)度的數(shù)值小于零點(diǎn)幾特斯拉。 v恒壓恒壓 用穩(wěn)壓二極管用穩(wěn)壓二極管VDZVDZ獲得基準(zhǔn)獲得基準(zhǔn)電壓，經(jīng)放大器電壓，經(jīng)放大器A1A1放大后放大后加到三極管加到三極管VT1VT1的基極，使的基極，使霍爾元件兩端加上恒定霍爾元件兩端加上恒定2V2V電壓。電壓。v特點(diǎn)特點(diǎn)：施加電壓恒定不變，不平衡

28、電壓的溫度變化小，但：施加電壓恒定不變，不平衡電壓的溫度變化小，但霍爾電流發(fā)生變化，輸出電壓霍爾電流發(fā)生變化，輸出電壓 的溫度變化大。的溫度變化大。754 4、霍爾元件驅(qū)動(dòng)和放大電路、霍爾元件驅(qū)動(dòng)和放大電路（1 1） 驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)電路v恒流恒流 用穩(wěn)壓二極管用穩(wěn)壓二極管VDZVDZ獲得基準(zhǔn)電壓，獲得基準(zhǔn)電壓，通過霍爾元件的電流通過霍爾元件的電流 由由VDZVDZ的電的電壓和電阻壓和電阻 決定：決定： 電路中，三極管電路中，三極管VT1VT1接在運(yùn)算放大接在運(yùn)算放大器器A1A1反饋環(huán)內(nèi)，可以吸收三極管反饋環(huán)內(nèi)，可以吸收三極管 的變化，抑制特性隨溫度變化的變化，抑制特性隨溫度變化。v特點(diǎn)特點(diǎn)：即使

29、霍爾元件的內(nèi)阻隨外部各種條件變化，但霍爾電：即使霍爾元件的內(nèi)阻隨外部各種條件變化，但霍爾電流保持恒定，因此輸出電壓的溫度系數(shù)變小。然而，元件間流保持恒定，因此輸出電壓的溫度系數(shù)變小。然而，元件間電壓降變化，不平衡電壓的溫度變化大，電壓電壓降變化，不平衡電壓的溫度變化大，電壓 的溫度變化的溫度變化大，大，使使溫度特性變壞。溫度特性變壞。7676v霍爾元件輸出端接霍爾元件輸出端接NPNNPN型三型三極管極管VT1VT1和和VT2VT2上，上，VT1VT1和和VT2VT2接成射極跟隨器方式，對霍接成射極跟隨器方式，對霍爾元件的阻抗進(jìn)行變換，以爾元件的阻抗進(jìn)行變換，以便與后級信號處理。便與后級信號處理

30、。v特點(diǎn)特點(diǎn)：霍爾元件的輸出端幾乎不流經(jīng)電流，可獲得較大的：霍爾元件的輸出端幾乎不流經(jīng)電流，可獲得較大的霍爾輸出電壓，減小波形失真，有利于后級電路設(shè)計(jì)?；魻栞敵鲭妷?，減小波形失真，有利于后級電路設(shè)計(jì)。77（2 2） 放大電路放大電路785 5 . .霍爾元件電磁特性霍爾元件電磁特性當(dāng)當(dāng)磁場和環(huán)境溫度一定磁場和環(huán)境溫度一定時(shí)時(shí): : 霍爾電勢與控制電流霍爾電勢與控制電流I I成正比成正比當(dāng)當(dāng)控制電流和環(huán)境溫度一定控制電流和環(huán)境溫度一定時(shí)時(shí): : 霍爾電勢與磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度霍爾電勢與磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度B B成正比成正比當(dāng)當(dāng)環(huán)境溫度一定環(huán)境溫度一定時(shí)時(shí): : 輸出的霍爾電勢與輸出的霍爾電勢與I I和和

31、B B的乘積的乘積成正比成正比 793.2.33.2.3、集成霍爾器件、集成霍爾器件 霍爾集成器件分為線性型和開關(guān)型兩大類霍爾集成器件分為線性型和開關(guān)型兩大類1.線性型：線性型：將霍爾元件和恒流源、線性差動(dòng)放大器等做在一個(gè)芯片上，輸出電壓為伏級，比直接使用霍爾元件方便得多。較典型的線性型霍爾器件如UGN3501等。 線性型三端霍爾線性型三端霍爾集成電路集成電路80線性型霍爾特性線性型霍爾特性 當(dāng)磁場為零時(shí)，輸出電壓等于零；當(dāng)感受的磁場為正向（磁鋼的S極對準(zhǔn)霍爾器件的正面）時(shí)， 輸出為正；磁場反向時(shí)，輸出為負(fù)。 812. 開關(guān)型霍爾集成器件開關(guān)型霍爾集成器件 將將霍爾元件、穩(wěn)壓電路、放大器、施密

32、特觸霍爾元件、穩(wěn)壓電路、放大器、施密特觸發(fā)器、發(fā)器、OCOC門門（集電極開路輸出門）等電路做（集電極開路輸出門）等電路做在同一個(gè)芯片上。當(dāng)在同一個(gè)芯片上。當(dāng)外加磁場強(qiáng)度超過規(guī)定外加磁場強(qiáng)度超過規(guī)定的工作點(diǎn)的工作點(diǎn)時(shí)，時(shí)，OCOC門由高阻態(tài)變?yōu)閷?dǎo)通狀態(tài)，門由高阻態(tài)變?yōu)閷?dǎo)通狀態(tài)，輸出變?yōu)榈碗娖捷敵鲎優(yōu)榈碗娖?；?dāng)；當(dāng)外加磁場強(qiáng)度低于釋放外加磁場強(qiáng)度低于釋放點(diǎn)點(diǎn)時(shí)，時(shí)，OCOC門重新變?yōu)楦咦钁B(tài)，門重新變?yōu)楦咦钁B(tài)，輸出高電平輸出高電平。較典型的開關(guān)型霍爾器件如較典型的開關(guān)型霍爾器件如UGN3020UGN3020等。等。82開關(guān)型霍爾集成電路的外形及內(nèi)部電路開關(guān)型霍爾集成電路的外形及內(nèi)部電路OCOC門門施密特觸施密特觸發(fā)電路發(fā)電路 雙端輸入、雙端輸入、 單端輸出運(yùn)放單端輸出運(yùn)放霍爾霍爾 元件元件. .VccVcc83優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn): : 結(jié)構(gòu)簡單，體積小，重量輕，頻帶寬，動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)簡單，體積小，重量輕，頻帶寬，動(dòng)態(tài)特性好和壽命長。特性好和壽命長。應(yīng)用：應(yīng)用： E E