安全检测技术-3传感器基础.ppt
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1、物性传感器物性传感器3.3.4 霍尔传感器1 霍尔效应霍尔效应半半导导体体薄薄片片置置于于磁磁场场中中,当当它它的的电电流流方方向向与与磁磁场场方方向向不不一一致致时时,半半导导体体薄薄片片上上平平行行于于电电流流和和磁磁场场方方向向的的两两个面之间产生电动势,这种现象称个面之间产生电动势,这种现象称霍尔效应霍尔效应。产生的电动势称产生的电动势称霍尔电势霍尔电势 半导体薄片称半导体薄片称霍尔元件霍尔元件霍尔效应原理霍尔效应原理载流子受洛仑兹力载流子受洛仑兹力 霍尔电场强度霍尔电场强度q为电子电量1.602*10-19Cv电子迁移速度平衡状态平衡状态 假定流过基片的电流均匀,n为半导体载流子浓度
2、(单位体积电子数)霍尔电势与场强霍尔电势与场强电子受到的电场力电子受到的电场力代人上式得RH=1/nq 称为霍尔系(常)数令令KH=RH/d 则则UH=KHIB,比例系数比例系数KH称为称为霍尔元件灵敏系数霍尔元件灵敏系数。霍尔电势与霍尔电势与I、B成正比,且受薄片厚度、半导体电子浓度影响成正比,且受薄片厚度、半导体电子浓度影响 随随I,B而改变方向而改变方向霍尔常数霍尔常数 霍尔常数大小取决于导体的载流子密度:霍尔常数大小取决于导体的载流子密度:金属的自由电子密度太大,因而霍尔常数小,霍尔电势也小,金属的自由电子密度太大,因而霍尔常数小,霍尔电势也小,所以金属材料不宜制作霍尔元件。所以金属材
3、料不宜制作霍尔元件。霍尔电势与导体厚度霍尔电势与导体厚度d成反比:成反比:为了提高霍尔电势值,为了提高霍尔电势值,霍尔元件制成薄片形状。霍尔元件制成薄片形状。半导体中电子迁移率(电子定向运动平均速度)比空穴迁移率高,半导体中电子迁移率(电子定向运动平均速度)比空穴迁移率高,因此因此N型半导体型半导体较适合于制造灵敏度高的霍尔元件,较适合于制造灵敏度高的霍尔元件,霍尔元件的主要功能霍尔元件的主要功能当当磁场和环境温度一定磁场和环境温度一定时时:霍尔电势与控制电流霍尔电势与控制电流I成正比,可测电流或能转换成电流的成正比,可测电流或能转换成电流的非电量非电量当当控制电流和环境温度一定控制电流和环境
4、温度一定时时:霍尔电势与磁场的磁感应强度霍尔电势与磁场的磁感应强度B成正比,可测磁场(感应)成正比,可测磁场(感应)强度,并得到电流值,如钳形表,雷电流测量强度,并得到电流值,如钳形表,雷电流测量当当环境温度一定环境温度一定时时:输出的霍尔电势与输出的霍尔电势与I和和B的乘积成正比,利用这种乘法关系,的乘积成正比,利用这种乘法关系,可制成模拟运算的乘法、开方、平方、除法等运算器。可制成模拟运算的乘法、开方、平方、除法等运算器。测量以上电量时,应在没有外磁场和室温变化条件下进行。测量以上电量时,应在没有外磁场和室温变化条件下进行。霍尔元件的结构和基本电路霍尔元件的结构和基本电路霍尔元件霍尔元件
5、l图(图(a)中,从矩形薄片半导体基)中,从矩形薄片半导体基片上的两个相互垂直方向侧面上,片上的两个相互垂直方向侧面上,引出一对电极,其中引出一对电极,其中1-1电极用于电极用于加控制电流,称控制(激励)电极。加控制电流,称控制(激励)电极。另一对另一对2-2电极用于引出霍尔电势,电极用于引出霍尔电势,称霍尔电势输出极或霍尔电极。在称霍尔电势输出极或霍尔电极。在基片外面用非磁性金属或陶瓷、环基片外面用非磁性金属或陶瓷、环氧树脂等封装作为外壳。氧树脂等封装作为外壳。lN型硅灵敏系数、温度特性线性度型硅灵敏系数、温度特性线性度较好,常用,还有锑(砷)化铟较好,常用,还有锑(砷)化铟l图(图(b)是
6、霍尔元件通用的图形符)是霍尔元件通用的图形符号。号。霍尔元件的结构和基本电路霍尔元件的结构和基本电路霍尔元件霍尔元件 l图(图(c)所示,霍尔电极在基)所示,霍尔电极在基片上的位置及它的宽度对霍尔片上的位置及它的宽度对霍尔电势数值影响很大。通常霍尔电势数值影响很大。通常霍尔电极位于基片长度的中间,其电极位于基片长度的中间,其宽度远小于基片的长度。宽度远小于基片的长度。l图(图(d)是基本测量电路)是基本测量电路。霍尔式传感器的应用霍尔式传感器的应用优点优点:结结构构简简单单,体体积积小小,重重量量轻轻,频频带带宽宽,动动态态特特性性好好和和寿寿命长命长应用:应用:电电磁磁测测量量:测测量量恒恒
7、定定的的或或交交变变的的磁磁感感应应强强度度、有有功功率、无功功率、相位、电能等参数;功功率、无功功率、相位、电能等参数;自动检测自动检测系统:多用于位移、压力的测量。系统:多用于位移、压力的测量。其他类型传感器其他类型传感器l超声波传感器超声波传感器l微波传感器微波传感器l红外探测器红外探测器l射线传感器射线传感器l离子敏传感器离子敏传感器l谐振式传感器谐振式传感器超声波传感器超声波传感器l声波:声波:1620kHz人耳朵能听见的波人耳朵能听见的波l次声波:次声波:20kHz的波,超声波,一般要求功的波,超声波,一般要求功率密度率密度P=发射功率发射功率/发射面积发射面积2 2l传感器原理:
8、一般有发射和接收两只探头,发传感器原理:一般有发射和接收两只探头,发射探头发出的超声脉冲波在介质中传播到相界射探头发出的超声脉冲波在介质中传播到相界面经过反射后,再返回到接收探头,从而测出面经过反射后,再返回到接收探头,从而测出距离。距离。超声波传感器超声波传感器l发射探头:利用压电材料(压电晶体,陶瓷)的逆压发射探头:利用压电材料(压电晶体,陶瓷)的逆压电效应将高频电振动转换成高频机械振动,以产生超电效应将高频电振动转换成高频机械振动,以产生超声波;声波;l接收探头:利用正压电效应将接收的的超声振动转换接收探头:利用正压电效应将接收的的超声振动转换成电信号。成电信号。超声波传感器又称超声波换
9、能器超声波传感器又称超声波换能器微波传感器微波传感器l微波:红外线波长介于可见光和微波之间,微波波长微波:红外线波长介于可见光和微波之间,微波波长1mm1m(300MHz300GHz),是毫米波、厘米波),是毫米波、厘米波和分米波的总称。比无线电波频率高,故称和分米波的总称。比无线电波频率高,故称“超高频超高频电磁波电磁波”l微波特点:能够穿越塑料、陶瓷,被水吸收,遇金属微波特点:能够穿越塑料、陶瓷,被水吸收,遇金属反射反射l传感器原理:也有发射天线和接收天线分为反射式和传感器原理:也有发射天线和接收天线分为反射式和遮断式。遮断式。反射式:反射式传感器通过检测被测物反射回来的微波功率反射式:反
10、射式传感器通过检测被测物反射回来的微波功率或经过时间间隔,来表达被测物的位置、厚度等参数。或经过时间间隔,来表达被测物的位置、厚度等参数。遮断式:遮断式传感器通过检测接收天线接收到的微波功率遮断式:遮断式传感器通过检测接收天线接收到的微波功率的大小来判断发射天线与接收天线间有无被测物或被测物的的大小来判断发射天线与接收天线间有无被测物或被测物的位置等参数。位置等参数。红外探测器红外探测器l红外线:波长在红外线:波长在770纳米至纳米至1毫米之间,在光谱毫米之间,在光谱上位于红色光外侧。具有很强上位于红色光外侧。具有很强热效应热效应,并易于,并易于被物体吸收,通常被作为热源。透过云雾能力被物体吸
11、收,通常被作为热源。透过云雾能力比可见光强。比可见光强。l结构:由光学系统、敏感元件、前置放大器和结构:由光学系统、敏感元件、前置放大器和信号调制器组成。信号调制器组成。l类型:反射式红外探测器和投射式红外探测器类型:反射式红外探测器和投射式红外探测器 反射式红外探测器反射式红外探测器l它由凹面玻璃反射镜组成,其表面镀金、铝和镍铬等它由凹面玻璃反射镜组成,其表面镀金、铝和镍铬等红外波段反射率很高的材料构成反射式光学系统。红外波段反射率很高的材料构成反射式光学系统。l为了减小像差或使用上的方便,常另加一片次镜,使为了减小像差或使用上的方便,常另加一片次镜,使目标辐射经两次反射聚集到敏感元件上,敏
12、感元件与目标辐射经两次反射聚集到敏感元件上,敏感元件与镜组合一体,前置放大器接收热电转换后的电信号,镜组合一体,前置放大器接收热电转换后的电信号,并对其进行放大。并对其进行放大。透射式红外探测器透射式红外探测器l透射式光学系统的部件用红外光学材料做成,应透射式光学系统的部件用红外光学材料做成,应根据波长选用红外光学材料:根据波长选用红外光学材料:700C以上高温时,波长以上高温时,波长3m范围近红外光,范围近红外光,100700一般用一般用35 m的中红外光,的中红外光,100以下用波长为以下用波长为514 m的中远红外光。的中远红外光。获取透射红外光的光学材料一般比较困难,反射式光获取透射红
13、外光的光学材料一般比较困难,反射式光学系统学系统 较常用。较常用。射线式传感器射线式传感器l由放射源和探测器组成利用射线式传感器进行测由放射源和探测器组成利用射线式传感器进行测量时,都要有发射出量时,都要有发射出或或Y射线的辐射源。射线的辐射源。l射线源:射线源:选择射线源应尽量提高检测灵敏度和减小统计误差选择射线源应尽量提高检测灵敏度和减小统计误差较长的半衰期及合适的放射强度,二十种左右较长的半衰期及合适的放射强度,二十种左右l探测器:核辐射的接收器,如电离室、闪烁等计探测器:核辐射的接收器,如电离室、闪烁等计数器数器 辐射源容器辐射源容器离子敏传感器离子敏传感器l一种对离子具有选择敏感作用
14、的场效应晶体管一种对离子具有选择敏感作用的场效应晶体管(ISFET)l结构结构离子选择性电极(离子选择性电极(ISE)+金属氧化物半导体场效应金属氧化物半导体场效应晶体管(晶体管(MOSFET)构成简称)构成简称ISFET管管l原理:将原理:将ISFET插入溶液时,在被测溶液与敏插入溶液时,在被测溶液与敏感膜接触处会产生一定的界面电势,大小取决感膜接触处会产生一定的界面电势,大小取决于溶液浓度于溶液浓度谐振(频率)式传感器谐振(频率)式传感器l能将被测量转换为频率信号,容易数字化,具能将被测量转换为频率信号,容易数字化,具备数字信号的优点:备数字信号的优点:测量精度和分辨力比模拟式的要高测量精
15、度和分辨力比模拟式的要高抗干扰性和稳定性好;抗干扰性和稳定性好;便于传输、处理和存储;便于传输、处理和存储;易于实现多路检测。易于实现多路检测。l 谐振式传感器原理分为:电的、机械的和原谐振式传感器原理分为:电的、机械的和原子的三类。子的三类。振弦固定在上、下夹块之间,是传感器的敏感元件,对传感器的精度、灵敏度、稳定性很重要。振弦材料要抗拉强度高、弹性模量大、磁性和导电性能好、线膨胀系数小,一般采用含碳量高的含钨、含钛的材料制造。振弦的中部固定着软铁块、永久磁铁和线圈,构成弦的激励器,同时兼作弦的拾振器。磁力线的通路是磁铁一软铁块一振弦一磁铁,形成封闭磁回路。下夹块和膜片相连,感受被测压力P。
16、机械式:振弦式传感器机械式:振弦式传感器机械式:振弦式传感器机械式:振弦式传感器机械式:振弦式传感器机械式:振弦式传感器l原理:以被拉紧了的钢弦作为敏感元件,其振原理:以被拉紧了的钢弦作为敏感元件,其振动频率与拉紧力的大小、弦的长度有关。当振动频率与拉紧力的大小、弦的长度有关。当振弦的长度确定后,弦振动频率的变化量便表示弦的长度确定后,弦振动频率的变化量便表示拉力的大小,且输入是力,输出是频率。拉力的大小,且输入是力,输出是频率。l特点:结构简单牢固、测量范围大、灵敏度高、特点:结构简单牢固、测量范围大、灵敏度高、测量线路简单,广泛用于大压力的测试,也可测量线路简单,广泛用于大压力的测试,也可
17、用来测量位移、扭矩、力和加速度等。其缺点用来测量位移、扭矩、力和加速度等。其缺点是:对传感器材料和加工工艺要求很高,而传是:对传感器材料和加工工艺要求很高,而传感器的精度较低,总精度约感器的精度较低,总精度约15。振筒是敏感元件,壁厚为0.070.12 mm,其一端固定,另一端密封可以自由运动。圆筒材料必须是能够构成闭合磁回路的磁性材料,并且弹性温度系数很低(如用合金材料)。外保护筒用来防止外磁场的干扰并起机械保护作用。振筒和外保护筒之间为真空参考室,作为参考标准。振筒式传感器振筒式传感器振筒式传感器振筒式传感器l用振筒的固有振动频率来测量有关参数,其固有用振筒的固有振动频率来测量有关参数,其
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- 安全 检测 技术 传感器 基础
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