第3章 電抗式和霍爾傳感器 -2014

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0 rAAC 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。0 rAAC 圓筒形電容器的電容為圓筒形電容器的電容為02

2、ln/rlCR r 41.1.極距極距 變化型變化型+0rAC +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 ：00AC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 ：0XACx電容量電容量C C與與x x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5002000020000(1)(1)(1)(1)(1)(1)XxxAAAACxxxxx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)：22011x0000(1)(1)XxAxCC此時(shí)此時(shí)C C與與x x便呈線性關(guān)系，但量程縮小很多。便呈線性關(guān)系，但量程縮小很多。6000

3、 xAACCC100000(1)1CC 當(dāng)當(dāng) 時(shí)時(shí)01 00C C 靈敏度為靈敏度為:0020SCCA 2300000001()()1CC7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+0(1)( )(1)ACFC9平面線位移型平面線位移型00000()(1)xb lllCCl靈敏度靈敏度 00bCSl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柱面線位移型柱面線位移型. .113. 3. 介質(zhì)變化型介質(zhì)變化型0AC 因?yàn)楦鞣N介質(zhì)的相對(duì)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。124. 4. 差動(dòng)電容

4、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13當(dāng)動(dòng)片向上移動(dòng)當(dāng)動(dòng)片向上移動(dòng) 1010120202CCCCCC，則移動(dòng)則移動(dòng) 10100000202000001(1/)1/1(1/)1/AACCCCAACCCC 12002CCCC002CCS143.1.3 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：將傳感器產(chǎn)生的電容量變化轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)輸出主要作用：將傳感器產(chǎn)生的電容量變化轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)輸出v測量電路：最常用的是測量電路：最常用的是交流電橋交流電橋。還包括信號(hào)放大部分。還包括信號(hào)放大部分- -交流交流放大電路放大電路、交流信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷餍盘?hào)部分、交流信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)?/p>

5、直流信號(hào)部分- -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15當(dāng)電橋平衡時(shí)，當(dāng)電橋平衡時(shí)，CDCD兩點(diǎn)的電勢在任一兩點(diǎn)的電勢在任一瞬間都相等，由歐瞬間都相等，由歐姆定律得：姆定律得：1423Z ZZ ZjiiiiiZRjXZZ e16161313242413132424R RX XR RX XR XX RR XX R用極坐標(biāo)形式表示為：用極坐標(biāo)形式表示為： 23142314ZZZZ可以表示為：可以表示為： 交流電橋至少應(yīng)有兩個(gè)可調(diào)節(jié)的標(biāo)準(zhǔn)元件，通常交流電橋至少應(yīng)有兩個(gè)可調(diào)節(jié)的標(biāo)準(zhǔn)元件，通常是用一個(gè)是用一個(gè)可變

6、電阻可變電阻和一個(gè)和一個(gè)可變電抗可變電抗，調(diào)節(jié)交流電調(diào)節(jié)交流電橋平衡要比調(diào)節(jié)直流電橋平衡復(fù)雜橋平衡要比調(diào)節(jié)直流電橋平衡復(fù)雜。jiiiiiZRjXZZ e17交流電橋與直流電橋?qū)Ρ冉涣麟姌蚺c直流電橋?qū)Ρ?18 電容電容傳感器傳感器平衡條件平衡條件4231ZZZZ19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(hào)為交流信號(hào)，被測電橋輸出信號(hào)為交流信號(hào)，被測電容量會(huì)改變輸出交流信號(hào)的幅電容量會(huì)改變輸出交流信號(hào)的幅值，因此可以通過測量輸出信號(hào)值，因此可以通過測量輸出信號(hào)幅值得到被測電容量的值。幅值得到被測電容量的值。maxcosUUt&

7、amp;304max034/cos(1/1/)()XoXRj CRj CUUtj Cj CRR&340max034cos()()XoXR CR CUUtCCRR&LM324LM324管腳連接圖管腳連接圖 特點(diǎn)：每級(jí)之間有電容器隔直，每一級(jí)電路的靜態(tài)工作點(diǎn)與前后級(jí)無關(guān)；缺點(diǎn):輸入輸出的隔直電容的頻帶有限，會(huì)造成信號(hào)一定的變形，級(jí)聯(lián)越多是失真也就越大。反相交流放大器反相交流放大器 fUiRAR 同相交流放大器同相交流放大器 41fURAR 2323（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)中為什么要采用信號(hào)調(diào)制和解調(diào)？在檢測系統(tǒng)中為什么要采用信號(hào)調(diào)制和解調(diào)？ 在檢測系統(tǒng)

8、中，傳感器的輸出信號(hào)一般很微在檢測系統(tǒng)中，傳感器的輸出信號(hào)一般很微弱，從放大處理來看，弱，從放大處理來看，直流放大直流放大有零漂和級(jí)間耦有零漂和級(jí)間耦合等問題。為此，往往把緩變信號(hào)先變?yōu)轭l率適合等問題。為此，往往把緩變信號(hào)先變?yōu)轭l率適當(dāng)?shù)慕涣餍盘?hào)，然后利用交流放大器放大，最后當(dāng)?shù)慕涣餍盘?hào)，然后利用交流放大器放大，最后再恢復(fù)為原緩變信號(hào)。這樣的變換過程稱為調(diào)制再恢復(fù)為原緩變信號(hào)。這樣的變換過程稱為調(diào)制與解調(diào)與解調(diào)2424什么是信號(hào)調(diào)制？什么是信號(hào)調(diào)制？ 調(diào)制調(diào)制就是用一個(gè)信號(hào)（稱為調(diào)制信號(hào)）去控就是用一個(gè)信號(hào)（稱為調(diào)制信號(hào)）去控制另一個(gè)做為載體的信號(hào)（稱為載波信號(hào)），讓制另一個(gè)做為載體的信號(hào)（稱

9、為載波信號(hào)），讓后者（載波信號(hào)）的某一特征參數(shù)（幅值、相位后者（載波信號(hào)）的某一特征參數(shù)（幅值、相位、頻率）按前者（調(diào)制信號(hào)）變化。、頻率）按前者（調(diào)制信號(hào)）變化。 什么是解調(diào)？什么是解調(diào)？ 在將測量信號(hào)調(diào)制，并將它和噪聲分離，放在將測量信號(hào)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(hào)中提取反映大等處理后，還要從已經(jīng)調(diào)制的信號(hào)中提取反映被測量值的測量信號(hào)，這一過程稱為被測量值的測量信號(hào)，這一過程稱為解調(diào)解調(diào)。25調(diào)制解調(diào)電路的作用：調(diào)制解調(diào)電路的作用：4/14/20224/14/20222626調(diào)制信號(hào)、載波信號(hào)、已調(diào)信號(hào)？調(diào)制信號(hào)、載波信號(hào)、已調(diào)信號(hào)？v調(diào)制是給測量信號(hào)賦予一定

10、特征，這個(gè)調(diào)制是給測量信號(hào)賦予一定特征，這個(gè)特征由作為載體的信號(hào)提供。常以一個(gè)特征由作為載體的信號(hào)提供。常以一個(gè)高頻正弦信號(hào)或脈沖信號(hào)高頻正弦信號(hào)或脈沖信號(hào)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(hào)。載波信號(hào)。載波信號(hào)載波信號(hào))2cos()(ftAtzz(t)z(t)0 0t t27v用來改變載波信號(hào)的某一參數(shù)，如幅值、用來改變載波信號(hào)的某一參數(shù)，如幅值、頻率、相位的信號(hào)稱為頻率、相位的信號(hào)稱為調(diào)制信號(hào)調(diào)制信號(hào)。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(hào)作調(diào)制測量信號(hào)作調(diào)制信號(hào)信號(hào)。經(jīng)過調(diào)制的載波信號(hào)叫。經(jīng)過調(diào)制的載波信號(hào)叫已調(diào)信號(hào)已調(diào)信號(hào)。調(diào)制信號(hào)調(diào)制信號(hào)x(t)x(t

11、)0 0t t28（2 2）調(diào)制方法）調(diào)制方法29a) a) 幅度調(diào)制幅度調(diào)制(AM)(AM)( )*( )cos(2)tAtx tyfb) b) 頻率調(diào)制頻率調(diào)制(FM)(FM)0( )cos()*2 ( )fy tAttxc) c) 相位調(diào)制相位調(diào)制(PM(PM)0( )cos( )*2)y tAftx t30載波信號(hào)：載波信號(hào)：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

12、 3100( )cos(2* ()Axtty tf緩變信號(hào)緩變信號(hào)調(diào)制調(diào)制高頻信號(hào)高頻信號(hào)放大放大放大高放大高頻信號(hào)頻信號(hào)解調(diào)解調(diào)放大緩變放大緩變信號(hào)信號(hào)v調(diào)幅是將一個(gè)高頻正弦信號(hào)（或稱載波）與測調(diào)幅是將一個(gè)高頻正弦信號(hào)（或稱載波）與測試信號(hào)相乘，試信號(hào)相乘，使載波信號(hào)幅值隨測試信號(hào)的變使載波信號(hào)幅值隨測試信號(hào)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4/14/202232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)調(diào)制調(diào)制解調(diào)解調(diào)4/14/202233幅度調(diào)制與解調(diào)過程（

13、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)(tx0( )( ) cos(2)mxtx tf t( )y t( )y t20( )( )cos 2mxtx tf t11022( )( )cos(4)x tx tf t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。 調(diào)制調(diào)制解調(diào)解調(diào)34 先將微弱的緩變信號(hào)加載到高頻交流信號(hào)中先將微弱的緩變信號(hào)加載到高頻交流信號(hào)中去，然后利用交流放大器進(jìn)行放大，最后再從放去，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(hào)中取出放大了的緩變信號(hào)。大器的輸出信號(hào)中取出放大了的

14、緩變信號(hào)。 例：交流電橋例：交流電橋VinVoR1R3R2R4max0cos2UUf t調(diào)幅電路調(diào)幅電路0max0max01cos241( )cos24RUUf tRSUtf t( )RStRv從已調(diào)信號(hào)中檢出調(diào)制信號(hào)的過程稱為從已調(diào)信號(hào)中檢出調(diào)制信號(hào)的過程稱為解調(diào)解調(diào)或或檢波檢波。v幅值調(diào)制就是讓已調(diào)信號(hào)的幅值隨調(diào)制幅值調(diào)制就是讓已調(diào)信號(hào)的幅值隨調(diào)制信號(hào)的值變化，因此調(diào)幅信號(hào)的包絡(luò)線信號(hào)的值變化，因此調(diào)幅信號(hào)的包絡(luò)線形狀與調(diào)制信號(hào)一致。只要能檢出調(diào)幅形狀與調(diào)制信號(hào)一致。只要能檢出調(diào)幅信號(hào)的包絡(luò)線即能實(shí)現(xiàn)解調(diào)。這種方法信號(hào)的包絡(luò)線即能實(shí)現(xiàn)解調(diào)。這種方法稱為稱為包絡(luò)檢波包絡(luò)檢波。4/14/202

15、235a). a). 包絡(luò)檢波包絡(luò)檢波 解調(diào)原理解調(diào)原理包絡(luò)檢波包絡(luò)檢波原理圖：原理圖：原理：疊加一直流分量 被測量信號(hào)直流分量極性全為正高頻載波信號(hào)調(diào)幅波包絡(luò)檢波疊加極性相反的直流分量被還原的信號(hào)a) 包絡(luò)檢波解調(diào)原理圖及實(shí)際電路圖直流偏置電壓能否使調(diào)制信號(hào)電壓都在零線一側(cè)在解調(diào)過程中有一加減直流過程，兩個(gè)直流成分能否完全對(duì)稱結(jié)果：原波形與恢復(fù)后的波形在分界正負(fù)極性的零點(diǎn)上可能有漂移，使分辨原波形正負(fù)極性上可能有誤。 4/14/202238b). b). 相敏檢波相敏檢波相敏檢波電路波形分析：高頻調(diào)幅波頻率f0被測量信號(hào)高頻載波信號(hào)頻率f0被解調(diào)信號(hào)二極管相敏檢波電路高頻參考信號(hào)頻率f0調(diào)制

16、調(diào)制解調(diào)解調(diào)20( )( )cos 2mxtx tf t開關(guān)式全波相敏檢波電路常用的相敏檢波電路：u：輸入信號(hào)端（已調(diào)制信號(hào)）；：交流參考電壓輸入端（載波信號(hào)-相敏檢波）；：檢波信號(hào)輸出端（被解調(diào)的信號(hào)）；：直流參考電壓輸入端（載波信號(hào)-包絡(luò)檢波）。u當(dāng)、端輸入控制電壓信號(hào)時(shí)，通過差動(dòng)電路的作用使D和J處于開或關(guān)的狀態(tài)，從而把端輸入的正弦信號(hào)轉(zhuǎn)換成全波整流信號(hào)。開關(guān)二極管場效應(yīng)管：硅結(jié)構(gòu)過零比較器 實(shí)驗(yàn)用相敏檢波電路：相敏檢波電路選頻和鑒相能力：二極管相敏檢波電路u相敏檢波電路的選頻特性:對(duì)不同頻率的輸入信號(hào)有不同的傳遞特性。*當(dāng)輸入信號(hào)（已調(diào)制信號(hào)us）的頻率是參考信號(hào)uc偶數(shù)倍時(shí)，它的平均

17、輸出uo為零，即相敏檢波電路有抑制偶次諧波的功能。參考（載波）信號(hào)已調(diào)制信號(hào)輸出解調(diào)信號(hào)二極管相敏檢波電路*當(dāng)輸入信號(hào)（已調(diào)制信號(hào)us）的頻率是參考信號(hào)uc奇數(shù)倍時(shí)，它的平均輸出信號(hào)uo會(huì)衰減到1/n（n為奇次倍的倍數(shù)），相敏檢波電路對(duì)奇次諧波有一定抑制作用。 參考（載波）信號(hào)已調(diào)制信號(hào)輸出解調(diào)信號(hào)二極管相敏檢波電路u 相敏檢波電路的鑒相特性 如果輸入信號(hào) 為與參考信號(hào) 同頻信號(hào)，但有一定相位差，這時(shí)輸出電壓 結(jié)論：可以根據(jù)輸出信號(hào)的大小確定相位差的值。參考（載波）信號(hào)已調(diào)制信號(hào)輸出解調(diào)信號(hào)=0O=-180O=90Ocos()ccmcuUt201cos() cos() () (cos )/ 2

18、2ocmccccmuUtt dtUcos()scut=45O4/14/202244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(hào)相位鑒別調(diào)制信號(hào)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，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(hào)外，還要是，除了所需解調(diào)的調(diào)幅信號(hào)外，還要輸入輸入一個(gè)參考信號(hào)一個(gè)參考信號(hào)。有了參考信號(hào)就可以用它來。有了參考信號(hào)就可

19、以用它來鑒別輸入信號(hào)的相位和頻率。鑒別輸入信號(hào)的相位和頻率。45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)(2)寄生電容影響大寄生電容影響大461. 1. 電容式液位計(jì)電容式液位計(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

20、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。hhx214747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： 1212()lnxhhCRR氣液體介質(zhì)間的電容量液體介質(zhì)間的電容量C C油油為為: :2212lnxhCRR油48因此，總電容量為兩電容并聯(lián)，由上兩式得：12121222211112()222()lnlnlnlnxxxhhhhhCCCRRRRRRRR 氣油121221122,()lnlnhABRRRR 令：xCABh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：21212 ()ln(

21、/)xdCKdhRR 340max034()cos()()xoxRRP CR CUUtCCRRRP502.2.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：全密封防水式51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52 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533.3.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543.2 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

22、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553.2.1 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56c cd da ab b霍爾效應(yīng)演示霍爾效應(yīng)演示57 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

23、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)。 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 b58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 作用在半導(dǎo)體薄片上的磁場強(qiáng)度作用在半導(dǎo)體薄片上的磁場強(qiáng)度B B越強(qiáng)，霍越強(qiáng)，霍爾電勢也就越高。霍爾電勢爾電勢也就越高?；魻栯妱軺 UH H可用下式表示：可用下式表示： U UH H= = K KH H IB/dIB/d59霍爾常數(shù)霍爾常數(shù) 1HKne霍

24、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?；魻栯妱菖c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。霍爾元件制成薄片形狀。 HHHKUBIS BId1HHKSdned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，

25、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， 60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)，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： U UH H= =S SH HIBIBcoscos 611 元件材料元件材料3.2.2 霍爾

26、元件霍爾元件u霍爾元件的材料1.金屬材料不能用來制作霍爾元件。2.霍爾元件宜用N型半導(dǎo)體（載流子濃度小、且遷移率大），如：鍺、銻化銦和砷化銦等半導(dǎo)體單晶材料。不宜用P型半導(dǎo)體。具體使用根據(jù)具體應(yīng)用場合和要求來選用。例如：一般測量指示儀表中，大多采用鍺和砷化銦元件；作為敏感元件時(shí)，則采用銻化銦元件。3.霍爾元件越?。磀越?。?，KH也越大，所以一般霍爾元件的厚度d=0.10.2mm，薄膜型霍爾元件只有1微米左右。2 霍爾元件的結(jié)構(gòu)霍爾元件的結(jié)構(gòu)及基本電路及基本電路1.霍爾元件由霍爾片、引線和殼體組成。2.霍爾元件幾何形狀為長方形，在薄片相對(duì)兩側(cè)上有兩對(duì)電極引出線。一對(duì)為控制電流端，另一對(duì)為霍爾電

27、勢輸出端。3.霍爾片一般用非磁性金屬、陶瓷或環(huán)氧樹脂封裝。電路中用H代表，后面字母代表元件材料，數(shù)字代表產(chǎn)品序號(hào)。HZ-1元件：鍺材料制成的霍爾元件。HT-1元件，說明是用銻化銦材料制成的元件。64643 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

28、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) （3 3）最大磁感應(yīng)強(qiáng)度最大磁感應(yīng)強(qiáng)度BM BM 上圖所示霍爾元件線性范圍是負(fù)的多少高斯至正的多少高斯？線性區(qū)線性區(qū)（4 4）最大激勵(lì)電流最大激勵(lì)電流I IM Mu霍爾電勢隨激勵(lì)電流增大而增大，在應(yīng)用中希望選用較大激勵(lì)電流。u激勵(lì)電流增大，霍爾元件功耗增大，元件溫度升高，從而引起霍爾電勢溫漂增大，u每種型號(hào)元件均規(guī)定相應(yīng)的最大激勵(lì)電流，數(shù)值從幾毫安至十幾毫安。 以下哪一個(gè)激勵(lì)電流的數(shù)值較為妥當(dāng)？5A 0.1mA 2mA 80mA 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)電壓，經(jīng)電壓電壓跟隨

29、器跟隨器A1A1加加到三極管到三極管VT1VT1上上，使霍爾元，使霍爾元件兩端加上恒定件兩端加上恒定2V2V電壓。電壓。v特點(diǎn)：施加電壓恒定不變，不平衡電壓的溫度變化小，但特點(diǎn)：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。674 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HUv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VT1VT

30、1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)：即使霍爾元件的內(nèi)阻隨外部各種條件變化，特點(diǎn)：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)變但霍爾電流保持恒定，因此輸出電壓的溫度系數(shù)變小。小。68685.1V/ (mA)HEIRHIERBEUv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(duì)霍接成射極跟隨器方式，對(duì)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

31、便與后級(jí)信號(hào)處理。便與后級(jí)信號(hào)處理。v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，可獲得較大的霍爾輸出電壓，減小波形失真，有利于后級(jí)電路設(shè)計(jì)。霍爾輸出電壓，減小波形失真，有利于后級(jí)電路設(shè)計(jì)。69（2 2） 放大電路放大電路705 .霍爾元件電磁特性霍爾元件電磁特性v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v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v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

32、電勢與輸出的霍爾電勢與I I和和B B的乘積的乘積成正比成正比 HHUS BI713.2.33.2.3 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.線性型集成電路：線性型集成電路： 將將霍爾元件和恒流源、線性差動(dòng)放大器霍爾元件和恒流源、線性差動(dòng)放大器等做在一等做在一個(gè)芯片上，輸出電壓為伏級(jí)。較典型的線性型霍爾器個(gè)芯片上，輸出電壓為伏級(jí)。較典型的線性型霍爾器件如件如UGN3501UGN3501、DN835DN835、CS825CS825等。等。72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(duì)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)。 732. 開關(guān)型霍爾集成器件開關(guān)型霍爾集成器件u將霍爾元件、穩(wěn)壓電路、放大器、施密特觸發(fā)器、OC門（集電極開路輸出門）等電路做在同一個(gè)芯片上