第3章 電抗式與霍爾傳感器 -2014

1第三章電抗式和霍爾傳感器

1．電容傳感器的基本工作原理2．交流電橋3．調(diào)制解調(diào)電路4.霍爾傳感器的基本工作原理5.霍爾傳感器的應(yīng)用23.1.1電容式傳感器工作原理由兩平行極板組成一個(gè)電容器，若忽略其邊緣效應(yīng)，它的電容量可用下式表示：+++δA3.1電容式傳感器3思考：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？δ、A或ε發(fā)生變化時(shí)，都會(huì)引起電容的變化。圓筒形電容器的電容為41.極距δ

變化型++++++設(shè)動(dòng)片未動(dòng)時(shí)的電容量為：設(shè)動(dòng)片移動(dòng)x時(shí)的電容量為：電容量C與x不是線性關(guān)系。3.1.2電容式傳感器結(jié)構(gòu)形式5量程x遠(yuǎn)小于極板初始距離δ0時(shí)：此時(shí)C與x便呈線性關(guān)系，但量程縮小很多。6當(dāng)時(shí)靈敏度為:7應(yīng)用舉例82.面積變化型角位移型+++9平面線位移型靈敏度

增加b0值或減少δ0值諧可提高傳感器的靈敏度

10柱面線位移型.113.介質(zhì)變化型

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.差動(dòng)電容傳感器變距離型變面積型13當(dāng)動(dòng)片向上移動(dòng)

則移動(dòng)

143.1.3電容式傳感器的測(cè)量電路主要作用：將傳感器產(chǎn)生的電容量變化轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)輸出測(cè)量電路：最常用的是交流電橋。還包括信號(hào)放大部分-交流放大電路、交流信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷餍盘?hào)部分-解調(diào)電路、高頻干擾的濾除部分-濾波電路等。電容式傳感器測(cè)量電路15當(dāng)電橋平衡時(shí)，CD兩點(diǎn)的電勢(shì)在任一瞬間都相等，由歐姆定律得：

1、

交流電橋（1）.交流電橋及其平衡條件16用極坐標(biāo)形式表示為：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，通常是用一個(gè)可變電阻和一個(gè)可變電抗，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。17交流電橋與直流電橋?qū)Ρ?/p>

18(2)、交流電橋用于電容的測(cè)量

電容傳感器●平衡條件19電容電橋交流電源化簡(jiǎn)得到，電橋輸出：不平衡交流電橋電橋輸出信號(hào)為交流信號(hào)，被測(cè)電容量會(huì)改變輸出交流信號(hào)的幅值，因此可以通過(guò)測(cè)量輸出信號(hào)幅值得到被測(cè)電容量的值。2、

交流放大器LM324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(wú)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。反相交流放大器同相交流放大器233調(diào)制解調(diào)電路

（1）調(diào)制解調(diào)基本概念①在檢測(cè)系統(tǒng)中為什么要采用信號(hào)調(diào)制和解調(diào)？

在檢測(cè)系統(tǒng)中，傳感器的輸出信號(hào)一般很微弱，從放大處理來(lái)看，直流放大有零漂和級(jí)間耦合等問(wèn)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，最后再恢復(fù)為原緩變信號(hào)。這樣的變換過(guò)程稱為調(diào)制與解調(diào)24②什么是信號(hào)調(diào)制？調(diào)制就是用一個(gè)信號(hào)（稱為調(diào)制信號(hào)）去控制另一個(gè)做為載體的信號(hào)（稱為載波信號(hào)），讓后者（載波信號(hào)）的某一特征參數(shù)（幅值、相位、頻率）按前者（調(diào)制信號(hào)）變化。

③什么是解調(diào)？在將測(cè)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)中提取反映被測(cè)量值的測(cè)量信號(hào)，這一過(guò)程稱為解調(diào)。25調(diào)制解調(diào)電路的作用：2/3/202326④調(diào)制信號(hào)、載波信號(hào)、已調(diào)信號(hào)？調(diào)制是給測(cè)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)高頻正弦信號(hào)或脈沖信號(hào)作為載體，這個(gè)載體稱為載波信號(hào)。載波信號(hào)z(t)0t27用來(lái)改變載波信號(hào)的某一參數(shù)，如幅值、頻率、相位的信號(hào)稱為調(diào)制信號(hào)。在檢測(cè)系統(tǒng)中，通常就用測(cè)量信號(hào)作調(diào)制信號(hào)。經(jīng)過(guò)調(diào)制的載波信號(hào)叫已調(diào)信號(hào)。調(diào)制信號(hào)x(t)0t28（2）調(diào)制方法29a)幅度調(diào)制(AM)b)頻率調(diào)制(FM)c)相位調(diào)制(PM)30載波信號(hào)：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：d)脈沖寬度調(diào)制理想的脈沖周期序列中（如方波），正脈沖的持續(xù)時(shí)間與脈沖總周期的比值31緩變信號(hào)調(diào)制高頻信號(hào)放大放大高頻信號(hào)解調(diào)放大緩變信號(hào)調(diào)幅是將一個(gè)高頻正弦信號(hào)（或稱載波）與測(cè)試信號(hào)相乘，使載波信號(hào)幅值隨測(cè)試信號(hào)的變化而變化．①調(diào)制原理(3)調(diào)制與解調(diào)電路2/3/202332幅度調(diào)制與解調(diào)過(guò)程（波形分析）乘法器放大器X(t)Y(t)Xm(t)乘法器濾波器Y(t)x(t)調(diào)制解調(diào)2/3/202333幅度調(diào)制與解調(diào)過(guò)程（數(shù)學(xué)分析）乘法器放大器X(t)Y(t)Xm(t)乘法器濾波器Y(t)x(t)結(jié)論：調(diào)幅過(guò)程在時(shí)域是調(diào)制波與載波相乘的運(yùn)算。

調(diào)制解調(diào)34

先將微弱的緩變信號(hào)加載到高頻交流信號(hào)中去，然后利用交流放大器進(jìn)行放大，最后再?gòu)姆糯笃鞯妮敵鲂盘?hào)中取出放大了的緩變信號(hào)。例：交流電橋VinVoR1R3R2R4調(diào)幅電路從已調(diào)信號(hào)中檢出調(diào)制信號(hào)的過(guò)程稱為解調(diào)或檢波。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)。這種方法稱為包絡(luò)檢波。2/3/202335a).包絡(luò)檢波

②解調(diào)原理包絡(luò)檢波原理圖：原理：疊加一直流分量被測(cè)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(guò)程中有一加減直流過(guò)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。2/3/202338b).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(cè)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)制解調(diào)開(kāi)關(guān)式全波相敏檢波電路常用的相敏檢波電路：①：輸入信號(hào)端（已調(diào)制信號(hào)）；②：交流參考電壓輸入端（載波信號(hào)-相敏檢波）；③：檢波信號(hào)輸出端（被解調(diào)的信號(hào)）；④：直流參考電壓輸入端（載波信號(hào)-包絡(luò)檢波）。當(dāng)②、④端輸入控制電壓信號(hào)時(shí)，通過(guò)差動(dòng)電路的作用使D和J處于開(kāi)或關(guān)的狀態(tài)，從而把①端輸入的正弦信號(hào)轉(zhuǎn)換成全波整流信號(hào)。開(kāi)關(guān)二極管場(chǎng)效應(yīng)管：硅結(jié)構(gòu)過(guò)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∮=90O∮=45O2/3/202344相敏檢波與包絡(luò)檢波的主要區(qū)別相敏檢波電路能夠鑒別調(diào)制信號(hào)相位，從而判別被測(cè)量變化的方向。相敏檢波電路具有選頻的能力，從而提高測(cè)控系統(tǒng)的抗干擾能力。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，還要輸入一個(gè)參考信號(hào)。有了參考信號(hào)就可以用它來(lái)鑒別輸入信號(hào)的相位和頻率。45優(yōu)點(diǎn)：

(1)溫度穩(wěn)定性好

(2)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單

(3)動(dòng)態(tài)響應(yīng)好

(4)可實(shí)現(xiàn)非接觸式測(cè)量缺點(diǎn)：

(1)輸出阻抗高，負(fù)載能力差

(2)寄生電容影響大3.1.4電容式傳感器的應(yīng)用

461.電容式液位計(jì)

設(shè)容器中介質(zhì)是非導(dǎo)電的（如果液體是導(dǎo)電的，則電極需要絕緣），容器中液體介質(zhì)浸沒(méi)電極2的高度為hx，這時(shí)總的電容C等于氣體介質(zhì)間的電容量和液體介質(zhì)間電容量之和。hhx47氣體介質(zhì)間的電容量C氣為：

液體介質(zhì)間的電容量C油為:48因此，總電容量為兩電容并聯(lián)，由上兩式得：令：則：電容量C與液體深度hx成比例關(guān)系。電容靈敏度：502.電容式接近開(kāi)關(guān)

電容式接近開(kāi)關(guān)外形：全密封防水式51電容式接近開(kāi)關(guān)在液位測(cè)量控制中的使用52

電容式接近開(kāi)關(guān)在物位測(cè)量控制中的使用演示533.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霍爾式傳感器霍爾傳感器工作原理霍爾元件的結(jié)構(gòu)和基本電路霍爾元件的主要特性參數(shù)霍爾式傳感器的應(yīng)用553.2.1

霍爾傳感器工作原理半導(dǎo)體薄片置于磁場(chǎng)中，當(dāng)它的電流方向與磁場(chǎng)方向不一致時(shí)，半導(dǎo)體薄片上平行于電流和磁場(chǎng)方向的兩個(gè)面之間產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，這種現(xiàn)象稱霍爾效應(yīng)產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)稱霍爾電勢(shì)半導(dǎo)體薄片稱霍爾元件56cdab霍爾效應(yīng)演示57

半導(dǎo)體薄片置于磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的磁場(chǎng)中，磁場(chǎng)方向垂直于薄片，當(dāng)有電流I流過(guò)薄片時(shí)，在垂直于電流和磁場(chǎng)的方向上將產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)UH，這種現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)。

磁感應(yīng)強(qiáng)度B為零時(shí)的情況cdab58磁感應(yīng)強(qiáng)度B較大時(shí)的情況

作用在半導(dǎo)體薄片上的磁場(chǎng)強(qiáng)度B越強(qiáng)，霍爾電勢(shì)也就越高?；魻栯妱?shì)UH可用下式表示：

UH=KHIB/d59霍爾常數(shù)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(shì)也小，所以金屬材料不宜制作霍爾元件?；魻栯妱?shì)與導(dǎo)體厚度d成反比：為了提高霍爾電勢(shì)值，霍爾元件制成薄片形狀。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）比空穴遷移率高，因此N型半導(dǎo)體較適合于制造靈敏度高的霍爾元件，60磁場(chǎng)不垂直于霍爾元件時(shí)的霍爾電動(dòng)勢(shì)

若磁感應(yīng)強(qiáng)度B不垂直于霍爾元件，而是與其法線成某一角度

時(shí)，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（與薄片垂直的方向）的分量，即Bcos，這時(shí)的霍爾電勢(shì)為：

UH=SHIBcos

611

元件材料

3.2.2

霍爾元件霍爾元件的材料1.金屬材料不能用來(lái)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(chǎng)合和要求來(lái)選用。例如：一般測(cè)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=0.1～0.2mm，薄膜型霍爾元件只有1微米左右。2霍爾元件的結(jié)構(gòu)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(zhǎng)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)為霍爾電勢(shì)輸出端。3.霍爾片一般用非磁性金屬、陶瓷或環(huán)氧樹(shù)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(shuō)明是用銻化銦材料制成的元件。643霍爾元件特性參數(shù)(1)輸入阻抗和輸出阻抗

輸入阻抗Ri：控制電流進(jìn)出端之間的阻抗

輸出阻抗Ro：霍爾電極輸出的正負(fù)端子間的內(nèi)阻(2)溫度系數(shù)

在一定磁場(chǎng)強(qiáng)度和控制電流作用下，溫度每變化1℃時(shí)霍爾電勢(shì)變化的百分?jǐn)?shù)稱為霍爾電勢(shì)溫度系數(shù)（3）最大磁感應(yīng)強(qiáng)度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)（4）最大激勵(lì)電流IM霍爾電勢(shì)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。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(shì)溫漂增大，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)？5μA0.1mA2mA80mA

恒壓

用穩(wěn)壓二極管VDZ獲得基準(zhǔn)電壓，經(jīng)電壓跟隨器A1加到三極管VT1上，使霍爾元件兩端加上恒定2V電壓。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，輸出電壓的溫度變化大。674

霍爾元件驅(qū)動(dòng)和放大電路（1）

驅(qū)動(dòng)電路恒流用穩(wěn)壓二極管VDZ獲得基準(zhǔn)電壓，通過(guò)霍爾元件的電流由VDZ的電壓和電阻決定：

電路中，三極管VT1接在運(yùn)算放大器A1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。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)變小。68霍爾元件輸出端接NPN型三極管VT1和VT2上，VT1和VT2接成射極跟隨器方式，對(duì)霍爾元件的阻抗進(jìn)行變換，以便與后級(jí)信號(hào)處理。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)。69（2）放大電路705.霍爾元件電磁特性當(dāng)磁場(chǎng)和環(huán)境溫度一定時(shí):霍爾電勢(shì)與控制電流I成正比當(dāng)控制電流和環(huán)境溫度一定時(shí):霍爾電勢(shì)與磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度B成正比當(dāng)環(huán)境溫度一定時(shí):輸出的霍爾電勢(shì)與I和B的乘積成正比713.2.3

集成霍爾器件

霍爾集成器件分為線性型和開(kāi)關(guān)型兩大類1.線性型集成電路：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(jí)。較典型的線性型霍爾器件如UGN3501、DN835、CS825等。72線性型霍爾特性

當(dāng)磁場(chǎng)為零時(shí)，輸出電壓等于零；當(dāng)感受的磁場(chǎng)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(chǎng)反向時(shí)，輸出為負(fù)。732.開(kāi)關(guān)型霍爾集成器件將霍爾元件、穩(wěn)壓電路、放大器、施密特觸發(fā)器、OC門（集電極開(kāi)路輸出門）等電路做在