第四章 速度的檢測

1、 如果波源和觀察如果波源和觀察者之間有相對運動，者之間有相對運動，那么觀察者接收到的那么觀察者接收到的頻頻率率和波源的頻率就和波源的頻率就不相同了，這種現(xiàn)象不相同了，這種現(xiàn)象叫做多普勒效應。測叫做多普勒效應。測出出 f 就可得到運動速就可得到運動速度。度。2cos21cos2vfvdtdLfvdtOMNOdLdd=+=：若光垂直于反射面，則頻率漂移量：dttutuTRT0021)-()(1) (0lv=)/(sesseeKKKMKM=：游絲扭轉變形的反力矩電磁力矩：mmffmffN+=11)1(0TNf=磁電式傳感器機械能機械能電電 量量 電感式傳感器是把電感式傳感器是把被測量轉換成電感量被測

2、量轉換成電感量的變化，磁電式傳感的變化，磁電式傳感器通過檢測磁場的變器通過檢測磁場的變化測量被測量。化測量被測量。磁電傳感器磁電傳感器deNd t0eBlN 由由 磁電式傳感器靈敏度：磁電式傳感器靈敏度：0eN Blvsv 0SN Bl 電流靈敏度電流靈敏度: :0/IISAc msv電壓靈敏度電壓靈敏度： 0/USVc ms 根據(jù)以上原理有兩種磁電感應式傳感器：根據(jù)以上原理有兩種磁電感應式傳感器： 恒磁通式：磁路系統(tǒng)恒定磁場，運動部件可以是線恒磁通式：磁路系統(tǒng)恒定磁場，運動部件可以是線圈也可以是磁鐵。圈也可以是磁鐵。 變磁通式：線圈、磁鐵靜止不動，轉動物體引起磁變磁通式：線圈、磁鐵靜止不動，

3、轉動物體引起磁阻、磁通變化。阻、磁通變化。 圖為開磁路變磁通式：線圈、磁鐵靜止不動，圖為開磁路變磁通式：線圈、磁鐵靜止不動， 測量齒輪安裝在被測旋測量齒輪安裝在被測旋轉體上，隨被測體一起轉動。每轉動一個齒，轉體上，隨被測體一起轉動。每轉動一個齒， 齒的凹凸引起磁路磁阻變化齒的凹凸引起磁路磁阻變化一次，磁通也就變化一次，一次，磁通也就變化一次， 線圈中產生感應電勢，其變化頻率等于被測轉線圈中產生感應電勢，其變化頻率等于被測轉速與測量齒輪上齒數(shù)的乘積。這種傳感器結速與測量齒輪上齒數(shù)的乘積。這種傳感器結構簡單，但輸出信號較小，且構簡單，但輸出信號較小，且因高速軸上加裝齒輪較危險而不宜測量高轉速的場合

4、。因高速軸上加裝齒輪較危險而不宜測量高轉速的場合。 實際應用中實際應用中磁敏元件主要用磁敏元件主要用于檢測磁場，而于檢測磁場，而與人們相關的磁與人們相關的磁場范圍很寬，一場范圍很寬，一般的磁敏傳感器般的磁敏傳感器檢測的最低磁場檢測的最低磁場只能到只能到 高斯。高斯。 磁場強度與磁場源的分布磁場強度與磁場源的分布610測磁的方法：測磁的方法：利用電磁感應作用的傳感器（強磁場）如：利用電磁感應作用的傳感器（強磁場）如： 磁頭、機磁頭、機 電設備、測轉速、磁性標定、差動變壓器；電設備、測轉速、磁性標定、差動變壓器； 利用磁敏電阻、磁敏二極管、霍爾元件測量磁場；利用磁敏電阻、磁敏二極管、霍爾元件測量磁

5、場； 利用磁作用傳感器，磁針、表頭、繼電器；利用磁作用傳感器，磁針、表頭、繼電器； 利用超導效應傳感器，利用超導效應傳感器，SQVID SQVID 約瑟夫元件；約瑟夫元件； 利用核磁共振的傳感器，有光激型、質子型。利用核磁共振的傳感器，有光激型、質子型。 隨著半導體技術的發(fā)展，磁敏傳感器正向薄膜化，隨著半導體技術的發(fā)展，磁敏傳感器正向薄膜化，微型化和集成化方向發(fā)展。微型化和集成化方向發(fā)展。 霍爾傳感器屬于磁敏元件，霍爾傳感器屬于磁敏元件，磁敏元件也是基于磁電轉磁敏元件也是基于磁電轉換原理，換原理，磁敏傳感器是把磁學物理量轉換成電信號。磁敏傳感器是把磁學物理量轉換成電信號。 隨著半導體技術的發(fā)展

6、，磁敏元件得到應用和發(fā)展，隨著半導體技術的發(fā)展，磁敏元件得到應用和發(fā)展，廣泛用于自動控制、信息傳遞、電磁場、生物醫(yī)學等方廣泛用于自動控制、信息傳遞、電磁場、生物醫(yī)學等方面的電磁、壓力、加速度、振動測量。面的電磁、壓力、加速度、振動測量。 特點：結構簡單、體積小、動態(tài)特性好、壽命長。特點：結構簡單、體積小、動態(tài)特性好、壽命長。磁敏傳感器磁學量磁學量電信號電信號18781878年美國物理學家霍爾首先發(fā)現(xiàn)金屬中的霍爾效應，因為年美國物理學家霍爾首先發(fā)現(xiàn)金屬中的霍爾效應，因為太弱沒有得到應用。隨著半導體技術的發(fā)展，人們發(fā)現(xiàn)半導體太弱沒有得到應用。隨著半導體技術的發(fā)展，人們發(fā)現(xiàn)半導體材料的霍爾效應非常明

7、顯，并且體積小有利于集成化?；魻杺鞑牧系幕魻栃浅Ｃ黠@，并且體積小有利于集成化?；魻杺鞲衅魇腔诨魻栃?。感器是基于霍爾效應。把一個導體（半導體薄片）兩端通以電流把一個導體（半導體薄片）兩端通以電流I I，在垂直方向施加，在垂直方向施加磁感強度磁感強度B B的磁場，在薄片的另外兩側會產生一個與控制電流的磁場，在薄片的另外兩側會產生一個與控制電流I I和和磁場強度磁場強度B B的乘積成比例的電動勢的乘積成比例的電動勢 。 或通電的導體（半導體）放在磁場中，電流或通電的導體（半導體）放在磁場中，電流I I與磁場與磁場B B方向垂方向垂直，在導體另外兩側會產生感應電動勢，這種現(xiàn)象稱霍爾效應。直，在

8、導體另外兩側會產生感應電動勢，這種現(xiàn)象稱霍爾效應。 HU在磁場作用下導體中的自由電子做定向運動。在磁場作用下導體中的自由電子做定向運動。 每個電子受洛侖茲力作用被推向導體的另一側：每個電子受洛侖茲力作用被推向導體的另一側： LFe B霍爾電場作用于電子的力霍爾電場作用于電子的力HHFeE霍爾電場霍爾電場HHUEb當兩作用力相等時電荷不再當兩作用力相等時電荷不再 向兩邊積累達到動態(tài)平衡：向兩邊積累達到動態(tài)平衡：HLFFHeEe B 結論：霍爾電勢與輸入電流結論：霍爾電勢與輸入電流I I、磁感應強度、磁感應強度B B成正比，且當成正比，且當B B的方向改變時，霍爾電勢的方向也隨之改變。如果所施加的

9、磁的方向改變時，霍爾電勢的方向也隨之改變。如果所施加的磁場為交變磁場，則霍爾電勢為同頻率的交變電勢。場為交變磁場，則霍爾電勢為同頻率的交變電勢。 ( (二二) ) 霍爾元件的基本結構與基本測量電路霍爾元件的基本結構與基本測量電路1. 1. 霍爾元件基本結構霍爾元件基本結構 霍爾元件的結構很簡單，它是由霍爾片、四根引線和殼體組成的，霍爾元件的結構很簡單，它是由霍爾片、四根引線和殼體組成的， 如如圖（圖（a a）所示。）所示。 霍爾片是一塊矩形半導體單晶薄片，霍爾片是一塊矩形半導體單晶薄片， 引出四根引線：引出四根引線： 1 1、 11兩根引線加激勵電壓或電流，稱激勵電極（控制電極）；兩根引線加激

10、勵電壓或電流，稱激勵電極（控制電極）； 2 2、 22引線為引線為霍爾輸出引線，霍爾輸出引線， 稱霍爾電極。稱霍爾電極。 霍爾元件的殼體是用非導磁金屬、霍爾元件的殼體是用非導磁金屬、 陶瓷或環(huán)陶瓷或環(huán)氧樹脂封裝的。氧樹脂封裝的。 在電路中，在電路中， 霍爾元件一般可用兩種符號表示，霍爾元件一般可用兩種符號表示， 如圖（如圖（b b）所示。所示。 國產霍爾元件別號的命名方法如下：國產霍爾元件別號的命名方法如下：常見的國產霍爾元件型號有常見的國產霍爾元件型號有HZHZ1 1、HZHZ2 2、HZHZ3 3、HTHT1 1、HTHT2 2、HSHS1 1等。等。 霍爾晶體的外形為矩形薄片有四根引線，

11、霍爾晶體的外形為矩形薄片有四根引線， 兩端加激勵，兩端為輸出，兩端加激勵，兩端為輸出，RLRL為負載電阻為負載電阻 ； 電源電源E E通過通過R R控制激勵電流控制激勵電流I I； B B 磁場與元件面垂直（向里）磁場與元件面垂直（向里） 實測中可把實測中可把I I* *B B作輸入，作輸入， 也可把也可把I I或或B B單獨做輸入；單獨做輸入； 通過霍爾電勢輸出測量結果。通過霍爾電勢輸出測量結果。 輸出輸出UoUo與與I I或或B B成正比關系，或與成正比關系，或與I I* *B B成正比關系。成正比關系。 霍爾元件的轉換效率較低，實際應用中，為了獲得較大的霍爾元件的轉換效率較低，實際應用中

12、，為了獲得較大的霍爾電壓，可將幾個霍爾元件的輸出串聯(lián)起來，如圖所示，在霍爾電壓，可將幾個霍爾元件的輸出串聯(lián)起來，如圖所示，在這種連接方法中，激勵電流極應該是并聯(lián)的，如果將其接成串這種連接方法中，激勵電流極應該是并聯(lián)的，如果將其接成串聯(lián)，霍爾元件將不能正常工作，雖然霍爾元件的串聯(lián)可以增加聯(lián)，霍爾元件將不能正常工作，雖然霍爾元件的串聯(lián)可以增加輸出電壓，但其輸出電阻也將增大。輸出電壓，但其輸出電阻也將增大。( (三三) )霍爾元件的主要技術參數(shù)霍爾元件的主要技術參數(shù)(1) (1) 額定激勵電流和最大允許激勵電流額定激勵電流和最大允許激勵電流 當霍爾元件自身溫升當霍爾元件自身溫升1010時所流過的激勵

13、電時所流過的激勵電流稱為額定激勵電流。流稱為額定激勵電流。 以元件允許最大溫升為限以元件允許最大溫升為限制所對應的激勵電流稱為最大允許激勵電流。因制所對應的激勵電流稱為最大允許激勵電流。因霍爾電勢隨激勵電流增加而線性增加，所以使用霍爾電勢隨激勵電流增加而線性增加，所以使用中希望選用盡可能大的激勵電流，因而需要知道中希望選用盡可能大的激勵電流，因而需要知道元件的最大允許激勵電流。改善霍爾元件的散熱元件的最大允許激勵電流。改善霍爾元件的散熱條件，可以使激勵電流增加。條件，可以使激勵電流增加。 (2） 輸入電阻和輸出電阻輸入電阻和輸出電阻 激勵電極間的電阻值稱為輸入電阻。激勵電極間的電阻值稱為輸入電

14、阻?；魻栯姌O輸出電勢對電路外部來說相霍爾電極輸出電勢對電路外部來說相當于一個電壓源，其電源內阻即為輸當于一個電壓源，其電源內阻即為輸出電阻。出電阻。 以上電阻值是在磁感應強度以上電阻值是在磁感應強度為零，且環(huán)境溫度在為零，且環(huán)境溫度在205時所確時所確定的。定的。 ( (三三) )霍爾元件的主要技術參數(shù)霍爾元件的主要技術參數(shù) (3） 不等位電勢和不等位電阻不等位電勢和不等位電阻 當霍爾元件的激勵電流為當霍爾元件的激勵電流為I時，若元件所處位置磁感應強度時，若元件所處位置磁感應強度為零，為零， 則它的霍爾電勢應該為零，但實際不為零。這時測得的則它的霍爾電勢應該為零，但實際不為零。這時測得的空載霍

15、爾電勢稱為不等位電勢?？蛰d霍爾電勢稱為不等位電勢。 產生這一現(xiàn)象的原因有：產生這一現(xiàn)象的原因有： 霍爾電極安裝位置不對稱或不在同一等電位面上；霍爾電極安裝位置不對稱或不在同一等電位面上； ( (三三) )霍爾元件的主要技術參數(shù)霍爾元件的主要技術參數(shù) 半導體材料不均勻造成了電阻率不均勻或是幾何尺寸半導體材料不均勻造成了電阻率不均勻或是幾何尺寸不均勻；不均勻； 激勵電極接觸不良造成激勵電流不均勻分布等。激勵電極接觸不良造成激勵電流不均勻分布等。 ( (三三) )霍爾元件的主要技術參數(shù)霍爾元件的主要技術參數(shù) (4） 寄生直流電勢寄生直流電勢 在外加磁場為零、霍爾元件用交流激勵時，霍爾電極輸出除在外加

16、磁場為零、霍爾元件用交流激勵時，霍爾電極輸出除了交流不等位電勢外，還有一直流電勢，稱為寄生直流電勢。了交流不等位電勢外，還有一直流電勢，稱為寄生直流電勢。 其產生的原因有：其產生的原因有： 激勵電極與霍爾電極接觸不良，激勵電極與霍爾電極接觸不良， 形成非歐姆接觸，形成非歐姆接觸， 造成造成整流效果；整流效果； 兩個霍爾電極大小不對稱，則兩個電極點的熱容不同，兩個霍爾電極大小不對稱，則兩個電極點的熱容不同， 散熱狀態(tài)不同而形成極間溫差電勢。散熱狀態(tài)不同而形成極間溫差電勢。 寄生直流電勢一般在寄生直流電勢一般在1mV以下，它是影響霍爾片溫漂的原以下，它是影響霍爾片溫漂的原因之一。因之一。 ( (三

17、三) )霍爾元件的主要技術參數(shù)霍爾元件的主要技術參數(shù) 線性型集成電路是將霍爾元件和恒流源、線性差線性型集成電路是將霍爾元件和恒流源、線性差動放大器等做在一個芯片上，輸出電壓為伏級，比直動放大器等做在一個芯片上，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接使用霍爾元件方便得多。較典型的線性型霍爾器件如如UGN3501等。等。 線性型三端線性型三端 霍爾集成電路霍爾集成電路( (五五) )霍爾集成傳感器霍爾集成傳感器OCOC門門 施密特施密特 觸發(fā)電路觸發(fā)電路 雙端輸入、雙端輸入、 單端輸出運放單端輸出運放霍爾霍爾 元件元件. .VccVcc( (六六) )霍爾傳感器的應用

18、霍爾傳感器的應用測量鐵心測量鐵心 氣隙的氣隙的B值值S SN N線性霍爾線性霍爾磁鐵磁鐵帶有微帶有微型磁鐵型磁鐵的霍爾的霍爾傳感器傳感器鋼質鋼質霍爾霍爾汽車點火線圈汽車點火線圈高壓輸出高壓輸出接頭接頭12V低壓電源低壓電源輸入接頭輸入接頭桑塔納汽車霍爾式分電器示意圖桑塔納汽車霍爾式分電器示意圖 1-1-觸發(fā)器葉片觸發(fā)器葉片 2- -槽口槽口 3- -分電器轉軸分電器轉軸 4- -永久磁鐵永久磁鐵 5- -霍爾集成電路（霍爾集成電路（PNP型霍爾型霍爾IC） a a）帶缺口的觸發(fā)器葉片）帶缺口的觸發(fā)器葉片 b）觸發(fā)器葉片與永久磁鐵及霍爾集成電路之間的安裝關系）觸發(fā)器葉片與永久磁鐵及霍爾集成電路之

19、間的安裝關系 c c）葉片位置與點火正時的關系）葉片位置與點火正時的關系 普通直流電動機使用普通直流電動機使用的電刷和換向器的電刷和換向器 在右圖中，當磁鐵隨在右圖中，當磁鐵隨運動部件移動到距霍爾接近運動部件移動到距霍爾接近開關幾毫米時，霍爾開關幾毫米時，霍爾ICIC的輸?shù)妮敵鲇筛唠娖阶優(yōu)榈碗娖剑?jīng)出由高電平變?yōu)榈碗娖?，?jīng)驅動電路使繼電器吸合或釋驅動電路使繼電器吸合或釋放，控制運動部件停止移動放，控制運動部件停止移動（否則將撞壞霍爾（否則將撞壞霍爾ICIC）起到）起到限位的作用。限位的作用。 n= = 6060f4(r/min)軟鐵分流翼片 T T線性霍線性霍爾爾IC EH=KH IB 磁電式

20、振動傳感器的特點：磁電式振動傳感器的特點： u 磁電式振動傳感器是慣性式傳感器，不需要靜止的基準參磁電式振動傳感器是慣性式傳感器，不需要靜止的基準參考，可直接裝在被測體上?？?，可直接裝在被測體上。 u 傳感器是發(fā)電型傳感器，工作時可不加電壓，直接將機械傳感器是發(fā)電型傳感器，工作時可不加電壓，直接將機械能轉化為電能輸出。能轉化為電能輸出。 u 速度傳感器的輸出電壓正比于速度信號，便于直接放大。速度傳感器的輸出電壓正比于速度信號，便于直接放大。 u 輸出阻抗低幾十幾千歐，對后置電路要求低，干擾小。輸出阻抗低幾十幾千歐，對后置電路要求低，干擾小。應用場合應用場合 u航空，發(fā)動機等設備的振動實驗；航空

21、，發(fā)動機等設備的振動實驗； u兵器，坦克、火炮發(fā)射的振動持續(xù)時間影響第二次發(fā)射；兵器，坦克、火炮發(fā)射的振動持續(xù)時間影響第二次發(fā)射； u民用，機床、車輛、建筑、橋梁、大壩振動監(jiān)測。民用，機床、車輛、建筑、橋梁、大壩振動監(jiān)測。光電效應可分為：光電效應可分為： 外光電效應外光電效應 內光電效應內光電效應 光電導效應光電導效應 光生伏特效應光生伏特效應 定義：對不同頻率的光，其光子能量是不相同的，光波定義：對不同頻率的光，其光子能量是不相同的，光波頻率越高，光子能量越大。用光照射某一物體，可以看作是一連頻率越高，光子能量越大。用光照射某一物體，可以看作是一連串能量為串能量為AuAu的光子轟擊在這個物體上，此時光子能量就傳