第3章 常用传感器的工作原理(2)

3.9霍尔式传感器一、霍尔元件霍尔传感器是利用霍尔效应原理将被测物理量转换为电动势的传感器。半导体薄片置于磁场中，当它的电流方向与磁场方向不一致时，在半导体薄片垂直于电流和磁场方向上产生电动势，这种现象称为霍尔效应，该电动势称为霍尔电势，半导体薄片称为霍尔元件。1、霍尔效应在垂直于外磁场B方向上放置半导体薄片，当半导体薄片流有电流I（称为控制电流、激励电流）时，在半导体薄片前后两个端面之间产生霍尔电势UH，其大小为：原因：运动电荷在磁场中受洛伦兹力作用的结果。dIBRUHHdRKHHRH：霍尔常数d：霍尔元件的厚度霍尔元件的特性常用灵敏度KH表示，即：IBKUHH此时：当载流材料和几何尺寸确定后，霍尔电势的大小只和控制电流和磁感应强度有关，因此霍尔传感器可用来探测磁场和电流，由此可测量压力、振动等。霍尔电势的大小正比于控制电流和磁感应强度。灵敏度表示在单位磁感应强度和单位控制电流时输出霍尔电势的大小，一般要求越大越好，元件的厚度越薄，越大，所以霍尔元件的厚度都很薄。若磁场方向与元件平面成一角度时，则作用在元件上的有效磁场是其法线方向的分量即，则有:当控制电流的方向或磁场方向改变时，输出电势的方向也将改变，若电流和磁场同时改变方向时，霍尔电势方向不变。下图是线性磁系统：cosIBKUHH2、霍尔元件的材料及结构霍尔片材料常用的主要有锗、硅、砷化铟、锑化铟等半导体材料，霍尔元件壳体由不具有导磁性的金属、陶瓷或环氧树脂封装而成。霍尔元件的结构很简单，它由霍尔片、引线和壳体三部分构成。霍尔片是一块矩形半导体薄片，在它的四个端面引出四根引线，其中引线1和3为激励电压或电流引线，称为激励电极。引线2和4为霍尔电势输出引线，称为霍尔电极。1324图3.89霍尔元件外形示意图R1R2R1R4R32431Ha)b)a)霍尔元件的等效电路b)图形符号霍尔元件的等效电路及符号霍尔元件等效电路及符号：•①输入电阻与输出电阻：输入电阻指控制电流极之间的阻值；输出电阻指霍尔电极之间的阻值。和可用直流电桥或欧姆表（在无外磁场和室温条件下）测量。•②最大激励电流(mA)：霍尔电动势随激励电流增大而增大，但电流增大，导致霍尔元件功耗增大，元件温度升高，从而引起霍尔电势的温漂。因此，每种型号的霍尔元件都规定了其最大的激励电流。•③不等位电势和不等位电阻：在额定控制电流下，不加外磁场时，霍尔电极间的空载电势称为不等位电势（mV）。可以在不加外磁场的条件下，将元件通以控制电流，用直流电位差计测得空载霍尔电势值。不等位电势与额定控制电流I之比，为元件的不等位电阻（）。iR)(R0iR0R0U0r0U0U0r3、霍尔元件的技术参数•④霍尔电动势温度系数：在一定磁感应强度和激励电流下，温度每变化1度时，霍尔电势变化的百分率称霍尔温度系数。下表列出了部分国产霍尔元件的有关参数。参数名称符号单位电阻率几何尺寸输入电阻灵敏度不等位电阻寄生直流电压额定控制电流霍尔电压温度系数内阻温度系数热阻工作温度表7—1常用霍尔元件的参数HZ-1型HZ-2型HZ-3型HZ-4型HT-1型HT-2型HS-1型材料（N型）Ge111Ge111Ge111Ge100InSbInSbInAs输出电阻cmdblmmi0Rv0RHKTmAmV0R0UVCImAQRmVCC1C1TC0.8~1.22048.%20110%20100%20100%20100%20110%20110%2045%.2080%.2080%.2021%2040%.2050%.2050%2011212124%.2081%.281%201070.050.070.020.0050.0050.0030.4540~4540~4540~7540~400~6040~40.250.20.10.%.50%.50%.50%.30%.50%.50%.040%.040%.040%.030%.51%.51202505025152003001502001501000.8~1.20.8~1.20.003~0.010.4~0.50.003~0.050.012048.2048.2048.2048.2024.2036.400~4、霍尔元件的温度补偿和不等位电动势补偿霍尔式传感器在实际使用中常常有很多因素影响其测量精度，造成测量误差。常见的主要因素有半导体本身固有的特性，半导体制造的工艺水平，环境温度的变化情况，霍尔传感器的安装是否合理等。测量误差一般表现为温差电动势和不等位电势。当温度变化时，霍尔元件的一些特性参数，如霍尔电势、输入电阻、输出电阻、灵敏度等都要发生变化，从而使霍尔传感器的输出产生温度误差。P100，图3－107，内阻与温度的关系。P100，图3－108，霍尔电势与温度的关系。（1）温度补偿为了减小由温度变化所引起的温差电动势对霍尔元件输出的影响，可根据情况采取一些补偿方法。a、采用恒流源供电的方式，防止输入阻抗发生变化，引起控制电流的变化。b、也可采用恒压源供电和输入回路串联电阻的方法：当霍尔元件采用恒压源供电时，可在输入回路中串联补偿电阻R来进行补偿，要求R要大于霍尔元件的输入电阻。补偿电路如图所示。图3.97恒压源温度补偿电路I=IHRUHABE（2）不等位电动势补偿不等位电势（零位误差）的产生有两个原因：（1）引出电极不在同一等位线上；（2）制造霍尔片的材料不均匀，造成等位线不均匀。R1R2R1R4R32431Ha)b)a)霍尔元件的等效电路b)图形符号霍尔元件的等效电路及符号霍尔元件的等效电路要降低不等位电势，除了在工艺上采取措施以外，还需采用补偿电路加以补偿。霍尔元件的不等位电势的几种补偿电路如图所示，霍尔元件可以等效为一个四臂电阻电桥。图a是不对称补偿电路这种电路结构简单易调整，但工作温度变化后原补偿关系遭到破坏；图b、c、d是对称电路，因而在温度变化时补偿的稳定性要好些，但这种电路减小了霍尔元件的输入电阻，增大了输入功率，降低了霍尔电势的输出。5、霍尔元件的基本测量电路VHRERL图7—3霍尔元件基本电路图I为得到较大的霍尔输出，当元件的工作电流为直流时，可把几个霍尔元件输出串连起来，输出霍尔电势为两者之和，但控制电流极应并联。R1R2VHVE图7—4霍尔元件连接图I（a）2个霍尔元件串联（b）控制极串联是错的二、霍尔集成传感器霍尔集成元件是霍尔元件与集成运放、电源、补偿电路等一体化的结构，是一种传感器模块，又称霍尔集成电路。霍尔传感器的霍尔材料以半导体硅为主要材料，按其输出信号的形式可分为线性型和开关型两类。1、霍尔集成传感器的分类随着微电子技术的发展，目前，霍尔器件大多已集成化。霍尔集成电路有许多优点，例如：体积小、灵敏度高、输出幅度大、温漂小、对电源稳定性要求低等。6、霍尔元件使用注意事项驱动方式（P102，图3-115）、散热、安装。2、线性型霍尔集成传感器线性输出型是将霍尔元件和恒流源、线性放大器等做在一个芯片上，输出电压较高，使用非常方便，已得到广泛的应用。较典型的线性霍尔器件如UGN3501等。（输出特性曲线见P103）UGN3501M是具有双端差动输出特性的线性霍尔器件。当线性霍尔器件UGN3501M感受的磁场为零时，第一脚相对于第八脚的输出电压等于零；当线性霍尔器件UGN3501M感受的磁场为正向（磁钢的S极对准3501M的正面）时，输出为正；磁场为反方向时，输出为负，因此，使用起来更为方便。线性霍尔器件UGN3501M的第5、6、7脚外接一只微调电位器后，就可以微调并消除不等位电势引起的差动输出零点漂移。稳压20UO18576+Ucc3GND4图7—10差动输出线性霍尔集成电路3、开关型霍尔集成传感器开关输出型是将霍尔元件、稳压电路、放大器、施密特触发器、OC门等电路做在同一个芯片上。当外加磁场强度超过规定的工作点时，OC门由高电阻状态变为到通状态，输出变为低电平，当外加磁场强度低于释放点时，OC门重新变为高电阻状态，输出高电平。较典型的开关型霍尔器件如UGN3020等。开关输出型霍尔集成元件与微型计算机等数字电路兼容，因此，应用相当广泛。下图为UGN3020的内部结构图。稳压1(+Ucc)2GNDRL3(Uo)图7—8开关型霍尔集成内部电路图由于增设了施密特电路，使他具有时滞特性，提高了抗噪声的性能。该电路主要用于接近开关，但以0磁场为中心的霍尔集成元件也用于无刷电动机中。三、霍尔传感器的应用1、钢球计数装置（P105）2、霍尔转速表3、电流检测4、霍尔集成传感器3.10光纤传感器•3.10.1光纤的结构和传光原理•3.10.2光纤传感器基本原理及类型•3.10.3光纤传感器的调制•3.10.4光纤传感器的应用3.10光纤传感器光纤有很多的优点：电绝缘性能好、抗电磁干扰能力强、高灵敏度、耐腐蚀、可挠曲、体积小、结构简单、以及与光纤传输线路相容等。光纤传感器可应用于位移、振动、转动、压力、弯曲、应变、速度、加速度、电流、磁场、电压、湿度、温度、声场、流量、浓度、pH值等70多个物理量的测量，且具有十分广泛的应用潜力和发展前景。光纤传感器(FOS,FiberOpticalSensor)是20世纪70年代中期发展起来的一种基于光导纤维的新型传感器。它是光纤和光通信技术迅速发展的产物，它与以电为基础的传感器有本质区别。光纤传感器用光作为敏感信息的载体，用光纤作为传递敏感信息的媒质。光纤——光导纤维，是由石英、玻璃、塑料等光折射率高的介质材料制成的极细的纤维，是一种理想的光传输线路。光纤传感器系统包括光源、光纤、传感头、光探测器和信号处理电路等5个部分。一、光纤传感器的组成传光原理：光在光纤界面内产生全反射。光纤通常由纤芯、包层、涂覆层及护套组成。纤芯是由玻璃、石英或塑料等材料制成的圆柱体，直径约为5～150μm。包层的材料也是玻璃或塑料等，但纤芯的折射率n1稍大于包层的折射率n2，两层之间形成良好的光学界面，光线在这个界面上反射传播。外套起保护光纤的作用。较长的光纤又称为光缆。纤芯包层涂覆层护套光纤信号处理光接收器敏感元件光发送器（b）光纤传感器信号处理电源信号接收敏感元件（a）传统传感器导线光纤按照折射变化情况分为：（1）阶跃型：纤芯与包层之间的折射率是突变的（直线传播）；（2）渐变型：纤芯在横截面中心处折射率最大，并由中心向外逐渐变小，到纤芯边界时减小为包层折射率。这类光纤有自聚焦作用，也称自聚焦光纤。（曲线传播）光纤的分类光纤按照传输模式分为：（1）单模光纤：纤芯直径很小，接受角小，传输模式很少。这类光纤传输性能好，频带宽，具有很好的线性和灵敏度，但制造困难。（2）多模光纤：纤芯尺寸较大，传输模式多，容易制造，但性能较差，带宽较窄。光波可分解为沿轴向和沿截面径向传播的两种平面波成分。沿截面径向传播的光波在纤芯与包层的界面上产生全反射，因此当它在径向每一次往返传输的相位变化是2π的整数倍时，就在截面内形成驻波。这种驻波光线组又称为“模”。某一种光纤只能形成特定数目的“模”式来传输光波，传播速度最快的模式称为基模或主模。纤芯直径越大，传播模式越多。光纤的分类二、光纤传感器的分类按照光纤在传感器中的作用，通常将光纤传感器分为两种类型：非功能型（或称传光型、结构型）和功能型（或称传感型、探测型）。非功能型光纤传感器：利用其它敏感元件感受被测量，光纤仅作为传输介质，依靠光传输或光反射引起的强度调制来工作；光纤是不连续的,中断处要接上其他介质的敏感元件；多使用多模光纤。功能型光纤传感器：把光纤作为敏感元件，被测量对光纤内传输光的强度、相位、偏振态等进行调制，再通过解调得到被测信号；常使用单模光纤。根据光被调制的原理，光纤传感器分为：强度调制型、频率调制型、波长调制型、相位调制型及偏振态调制型。光纤传感器的核心就是光被外界输入参数的调制。外界信号可能引起光的某些特性(如强度、波长、频率、相位、偏振态等)变化，从而构成强度、波长、频率、相位和偏振态等调制器。根