第八章电容传感器((河南理工大学)).ppt

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1、第八章第八章 电容传感器电容传感器主要内容：主要内容：8.18.1电容传感器原理与类型电容传感器原理与类型 8.28.2电容传感器测量电路电容传感器测量电路 8.38.3电容传感器的应用电容传感器的应用 1电容式传感器的特点特点：电容式传感器的特点特点：电容器容量小（几十几百微法），具有高电容器容量小（几十几百微法），具有高输出阻抗输出阻抗;静电引力小（极板间），无振动；静电引力小（极板间），无振动；功耗小，本身发热影响小；功耗小，本身发热影响小；可以进行非接触测量，使用方便。可以进行非接触测量，使用方便。概述概述28.1 电容传感器工作原理和类型电容传感器工作原理和类型 v 电容式传感器是将

2、被测非电量转换成电容量的一种电容式传感器是将被测非电量转换成电容量的一种传感器。传感器。电容传感器工作原理可以用平板电容说明：电容传感器工作原理可以用平板电容说明：改变下述三个参数之一即可改变电容改变下述三个参数之一即可改变电容 S S 极板面积，变面积型传感器极板面积，变面积型传感器 极板距离，变极距型传感器极板距离，变极距型传感器 介电常数，变介质型传感器介电常数，变介质型传感器 真空介电常数真空介电常数 相对介电常数，相对介电常数，空气介质空气介质:r r =1=13变极距型传感器变极距型传感器1-静极板；静极板；2-动极板；动极板；3-静极板静极板4变面积型传感器变面积型传感器1 1、

3、2-2-为极板为极板5变介质型传感器变介质型传感器68.2 8.2 信号信号转换电转换电路路 1.1.电容传感器的等效电路电容传感器的等效电路 电容式传感器被当作纯电容来看待，但是在高温、电容式传感器被当作纯电容来看待，但是在高温、高湿度和高频激励条件下，则需考虑附加损耗及电感效高湿度和高频激励条件下，则需考虑附加损耗及电感效应等因素的影响。应等因素的影响。C C为传感器的电容，为传感器的电容，RP为并联损耗电阻，为并联损耗电阻，RS为串联损为串联损耗电阻，耗电阻，L L为电感，为电感，CP为寄生电容。为寄生电容。72.2.电桥转换电路电桥转换电路 由电容转换元件组成的变压器式交流电桥测量系统

4、。由电容转换元件组成的变压器式交流电桥测量系统。单臂时，传感器单臂时，传感器C C邻臂接一个固定电容邻臂接一个固定电容C C0与之相匹配；与之相匹配；半桥：半桥：C C1 1、C C2 2组成电桥的两个桥臂组成电桥的两个桥臂 交流电桥的输出电压为：交流电桥的输出电压为：输出电压与电容的关系输出电压与电容的关系8极板在中间位置时极板在中间位置时动片上移时电容变化动片上移时电容变化v 输出电压为：输出电压为：同理，动片下移时，输出电压为：同理，动片下移时，输出电压为：v即：输出电压与位移成线性关系即：输出电压与位移成线性关系93、运算放大器式电路运算放大器式电路 由由于于运运算算放放大大器器的的放

5、放大大倍倍数数非非常常大大，而而且且输输入入阻阻抗抗Zi很很高高,运运算算放放大大器器的的这这一一特特点点可可以以作作为为电电容容式式传传感感器器的的比比较较理理想想的的测测量量电电路路。图图中中Cx为为电电容容式式传传感感器器电电容容；Ui是是交交流流电电源源电电压压;Uo是是输出信号电压输出信号电压;由运算放大器工作原理可得由运算放大器工作原理可得.10如果传感器是一只平板电容，则如果传感器是一只平板电容，则Cx=S/d，可，可得得 式式中中“-”号号表表示示输输出出电电压压Uo的的相相位位与与电电源源电电压压反反相相。式式子子说说明明运运算算放放大大器器的的输输出出电电压压与与极极板板间

6、间距距离离d成成线性关系。线性关系。.11 4 4、C/fC/f转换电路转换电路 电容式传感器与电容式传感器与L L组成并联谐振电路，当组成并联谐振电路，当c cx发生变发生变化时，振荡器的频率化时，振荡器的频率f f发生变化。经限幅、鉴相、放发生变化。经限幅、鉴相、放大等环节后，输出信号的频率随大等环节后，输出信号的频率随c cx x的变化而变化。的变化而变化。125、脉冲宽度调制电路脉冲宽度调制电路 组成：（组成：（1）比较器；（）比较器；（2）双稳态触发器；）双稳态触发器；（3）充放电回路；（）充放电回路；（4）低通滤波电路。）低通滤波电路。13 当当C1=C2时，时，uA、uB 波形宽

7、度相等，则电压波形宽度相等，则电压uAB为正负半波对称，为正负半波对称，输出电压输出电压uO为为0；当当C1C2时，时，uA、uB 波形宽度不相等，则电压波形宽度不相等，则电压uAB为正负半波不对称，为正负半波不对称，输出电压输出电压uO不为不为0；148.38.3 电容式传感器的应用电容式传感器的应用 电容器的容量受三个因素影响，即：极距电容器的容量受三个因素影响，即：极距x、相对面积相对面积A 和极间介电常数和极间介电常数 。固定其中两个变。固定其中两个变 量，量，电容量电容量C 就是另一个变量的一元函数。只要想办就是另一个变量的一元函数。只要想办法将被测非电量转换成极距或者面积、介电常数

8、法将被测非电量转换成极距或者面积、介电常数的变化，就可以通过测量电容量这个电参数来达的变化，就可以通过测量电容量这个电参数来达到非电量电测的目的。到非电量电测的目的。15一、湿敏电容传感器一、湿敏电容传感器 结构结构 特点：特点：（1）电容传感器的介质采用具有吸湿性强的绝缘）电容传感器的介质采用具有吸湿性强的绝缘材料；材料；（2）电极为多孔电极。电极为多孔电极。工作原理：工作原理：当相对湿度增大时，吸湿性介质吸收空气中的水当相对湿度增大时，吸湿性介质吸收空气中的水蒸气，使两块电极之间的介质相对介电常数增加，所蒸气，使两块电极之间的介质相对介电常数增加，所以电容量增大。以电容量增大。16湿敏电容

9、湿敏电容外形外形吸水高分子薄膜吸水高分子薄膜17湿敏电容传感器的安装使用湿敏电容传感器的安装使用在野外的使用在野外的使用带带报警器的家庭使用型报警器的家庭使用型18二、电容式接近开关二、电容式接近开关 被检测物体可以是导电体、介质损耗被检测物体可以是导电体、介质损耗较大的绝缘体、含水的物体（例如饲料、人较大的绝缘体、含水的物体（例如饲料、人体等）体等）；可以是接地的，也可以是不接地；可以是接地的，也可以是不接地的。的。调节接近开关尾部的灵敏度调节电位调节接近开关尾部的灵敏度调节电位器，可以根据被测物不同来改变动作距离。器，可以根据被测物不同来改变动作距离。19 电容式接近开关在电容式接近开关在

10、 物位测量控制中的使用物位测量控制中的使用20三、电容式差压变送器三、电容式差压变送器 高压侧高压侧进气口进气口低压侧低压侧进气口进气口电子电子线路线路位置位置内部不锈钢膜片的位置内部不锈钢膜片的位置21结构结构：（金属弹性膜片）（金属弹性膜片）动片；动片；两两个个玻玻璃璃球球面面上上镀镀有有金金属属定定片片，并并引引出出电电极极；膜膜片片左左右右两两侧侧充充满满硅油。硅油。电容式压力传感器电容式压力传感器工作过程工作过程：当两室分别承受低压（：当两室分别承受低压（PLPL）和高压（）和高压（PHPH）时，硅油能将压差传递到测量膜片，使膜片变形。根时，硅油能将压差传递到测量膜片，使膜片变形。根

11、据压力据压力PH PH 和和PL PL 的不同，变形情况不同。的不同，变形情况不同。22（1 1）当当PH=PLPH=PL时时，膜膜片片不不变变形形，膜片处于中间位置，膜片处于中间位置，C C1 1=C=C2 2；（2 2）PH PH PLPL时时，膜膜片片PLPL向向右右弯弯曲，曲，C C1 1CC2 2；（3 3）PH PH CC2 2。将将这这种种电电容容变变化化通通过过电电路路转转换换为电压输出。为电压输出。23带带材材是是电电容容的的动动极极板板，总电容总电容C C1 1+C+C2 2作为桥臂。作为桥臂。带带材材只只是是上上下下波波动动时时CxCx=C=C1 1+C+C2 2总总的的

12、电电容容量量不不变，电桥输出为变，电桥输出为0 0；带带材材的的厚厚度度变变化化使使电电容容CxCx变变化化。变变压压器器式式电电桥输出电压不为桥输出电压不为0 0。电桥输出电压为电桥输出电压为四、板材厚度测试四、板材厚度测试h-h-板材厚度板材厚度24本章小结本章小结1.电容式传感器的基本原理电容式传感器的基本原理2.电容式传感器的基本形式：电容式传感器的基本形式：（1）变间隙（变极距）变间隙（变极距）（2）变面积）变面积（3）变介质）变介质3 3电容式传感器的信号转换电路电容式传感器的信号转换电路(1)(1)桥式转换电路桥式转换电路(2)(2)运算放大电路运算放大电路(3)C/f(3)C/

13、f转换电路转换电路(4)(4)脉宽调制电路脉宽调制电路25第九章第九章 磁电式传感器磁电式传感器 主要内容：主要内容：9.1 9.1 磁电感应式传感磁电感应式传感器器 9.2 9.2 霍尔式传感器霍尔式传感器 9.3 9.3 磁电式传感器的应用磁电式传感器的应用 269.1 9.1 磁电感应式传感器磁电感应式传感器9.1.1 9.1.1 工作原理工作原理v 根根根根据据据据电电电电磁磁磁磁感感感感应应应应定定定定律律律律：穿穿穿穿过过过过N N N N匝匝匝匝线线线线圈圈圈圈的的的的磁磁磁磁通通通通发发发发生生生生变变变变化化化化时时时时，线线线线圈圈圈圈产生感应电势，其大小为：产生感应电势，

14、其大小为：产生感应电势，其大小为：产生感应电势，其大小为：式中：式中：式中：式中：B B B B 磁感应强度，磁感应强度，磁感应强度，磁感应强度，N N N N 线线线线圈匝数，圈匝数，圈匝数，圈匝数，L L L L 每匝线圈长度，每匝线圈长度，每匝线圈长度，每匝线圈长度，V V V V 运动速度运动速度运动速度运动速度 N N N N匝线圈作切割磁力线运动时，匝线圈作切割磁力线运动时，匝线圈作切割磁力线运动时，匝线圈作切割磁力线运动时，线圈中也产生感应电势，其大小为线圈中也产生感应电势，其大小为线圈中也产生感应电势，其大小为线圈中也产生感应电势，其大小为：27 根据以上原理有两种磁电感应式传

15、感器：根据以上原理有两种磁电感应式传感器：恒磁通式：磁路系统恒定恒磁通式：磁路系统恒定磁场磁场(永久磁场），永久磁场），线圈是运动部件。线圈是运动部件。变磁通式：线圈、磁铁静止不动，转动物变磁通式：线圈、磁铁静止不动，转动物体引起磁阻、磁通变化。体引起磁阻、磁通变化。28 线圈线圈、磁铁静止不动，、磁铁静止不动，测量测量齿轮在转动。齿轮在转动。这这种种传传感感器器结结构构简简单单，但但输输出出信信号号较较小小，且且转转速速高高时时，测测量误差大。量误差大。变磁通式变磁通式1 1（开磁路）（开磁路）29 它它由由装装在在转转轴轴上上的的内内齿齿轮轮和和外外齿齿轮轮、永永久久磁磁铁铁和和感感应应线

16、线圈圈组成，内外齿轮齿数相同。组成，内外齿轮齿数相同。外齿轮外齿轮6不不动，动，内齿轮内齿轮5随随被测轴被测轴而转动。而转动。变磁通式变磁通式2 2（闭磁路）（闭磁路）30 磁磁路路系系统统产产生生恒恒定定的的直直流流磁磁场场，磁磁路路中中的的工工作作气气隙隙固固定定不不变变，因因而而气气隙隙中中磁磁通通也也是是恒恒定定不不变变的的。其其运运动动部部件件可可以以是是线线圈圈（动（动圈式）。圈式）。恒磁通式恒磁通式319.1.2 9.1.2 磁磁电感应传感器的结构及测量电路电感应传感器的结构及测量电路一、传感器的结构一、传感器的结构 (1)(1)磁路系统。它产生一个恒定直流磁场，为了减小磁路系统

17、。它产生一个恒定直流磁场，为了减小传感器体积，一般都采用永久磁铁。传感器体积，一般都采用永久磁铁。(2)(2)线圈。它在变化磁通作用下产生感应电动势。线圈。它在变化磁通作用下产生感应电动势。(3)(3)运动机构。它使线圈与磁场产生相对运动，使线运动机构。它使线圈与磁场产生相对运动，使线圈运动的称为动圈式，使磁铁运动的称为动铁式。圈运动的称为动圈式，使磁铁运动的称为动铁式。32动圈型（永久磁铁与动圈型（永久磁铁与壳固定）壳固定）11骨架；骨架；22弹片；弹片；3-3-线圈；线圈；44磁铁；磁铁；5-5-壳体。壳体。动钢型（线圈与壳动钢型（线圈与壳体固定）体固定）33二、信号二、信号输出输出测量电

18、路测量电路 直接输出电动势测量速度；直接输出电动势测量速度；接入积分电路测量位移；接入积分电路测量位移；接入微分电路测量加速度。接入微分电路测量加速度。349.2 9.2 霍霍尔尔式式传传感器感器 概述概述 霍尔传感器属于磁敏元件，它是基于磁电转换原霍尔传感器属于磁敏元件，它是基于磁电转换原霍尔传感器属于磁敏元件，它是基于磁电转换原霍尔传感器属于磁敏元件，它是基于磁电转换原理而工作的。理而工作的。理而工作的。理而工作的。磁敏传感器是把磁物理量转换成电信号。磁敏传感器是把磁物理量转换成电信号。磁敏传感器是把磁物理量转换成电信号。磁敏传感器是把磁物理量转换成电信号。磁敏传感器磁磁学学量量电电信信号

19、号特点：结构简单、体积小、动态特性好、寿命长。特点：结构简单、体积小、动态特性好、寿命长。特点：结构简单、体积小、动态特性好、寿命长。特点：结构简单、体积小、动态特性好、寿命长。359.2.1 9.2.1 霍尔效应霍尔效应18781878年美国物理学家霍尔首先发现金属中的霍尔效年美国物理学家霍尔首先发现金属中的霍尔效应，因为太弱没有得到应用。随着半导体技术的发展，应，因为太弱没有得到应用。随着半导体技术的发展，人们发现半导体材料的霍尔效应非常明显，并且体积人们发现半导体材料的霍尔效应非常明显，并且体积小有利于小有利于集成化。集成化。霍霍尔尔效效应应：若若在在某某导导体体薄薄片片的的两两端端通通

20、过过电电流流I I，并并在在薄薄片片的的垂垂直直方方向向上上施施加加磁磁感感应应强强度度为为B B的的磁磁场场，则则在在垂垂直直于于电电流流和和磁磁场场方方向向的的平平面面上上产产生生电电动动势势，称称为为霍尔电势或霍尔电压，这种现象称为霍尔效应。霍尔电势或霍尔电压，这种现象称为霍尔效应。36霍尔效应演示霍尔效应演示 当磁场垂直于薄片时，电子受到洛仑兹力的当磁场垂直于薄片时，电子受到洛仑兹力的作用，作用，向内侧偏移，在向内侧偏移，在半导体薄片的内侧面与外半导体薄片的内侧面与外侧面形成电荷的积累，形成电势，建立电场。侧面形成电荷的积累，形成电势，建立电场。37在在磁磁场场作作用用下下导导体体中中

21、的的自自由由电电子子受受到到洛洛仑仑兹兹力力的的作作用用，被被推向导体的推向导体的另一侧，每个电子受力的大小为：另一侧，每个电子受力的大小为：同时，电子还受到霍尔电场的作用，同时，电子还受到霍尔电场的作用，作用力的大小为：作用力的大小为：霍尔电场霍尔电场当两作用力相等时电荷不再当两作用力相等时电荷不再 向两边积累达到动态平衡：向两边积累达到动态平衡：38霍尔电势：霍尔电势：通过（半）导体薄片通过（半）导体薄片的电流密度为：的电流密度为：n e v其中：其中：n-n-载流子浓度。载流子浓度。则电流则电流I I可表示为可表示为 I=n.e.v.b.d 其中：其中：RH-霍尔常数，与材料有关霍尔常数

22、，与材料有关;KH-灵敏度。灵敏度。与与薄片厚度有关薄片厚度有关霍尔灵敏度霍尔灵敏度即：即：39磁场不垂直于霍尔元件时的霍尔电动势磁场不垂直于霍尔元件时的霍尔电动势 若若磁磁感感应应强强度度B B不不垂垂直直于于霍霍尔尔元元件件，而而是是与与其其平平面面的的法法线线成成某某一一角角度度 时时，实实际际上上作作用用于于霍霍尔尔元元件件上上的的有有效效磁磁感感应应强强度度是是其其法法线线方方向向（与与薄薄片片垂垂直直的的方方向向）的分量，即的分量，即B Bcoscos，这时的霍尔电势为，这时的霍尔电势为 UH=KHIBcos 40讨论：讨论：任何材料在一定条件下都能产生霍尔电势，但不是都可任何材料

23、在一定条件下都能产生霍尔电势，但不是都可 以制造霍尔元件以制造霍尔元件;绝缘材料电阻率绝缘材料电阻率很大，电子迁移率很大，电子迁移率很小，不适用；很小，不适用；金属材料电子浓度金属材料电子浓度n n很高，很高，R RH H很小，很小，U UH H很小很小;半半导导体体材材料料电电阻阻率率较较大大 R RH H大大，非非常常适适于于做做霍霍尔尔元元件件，半半导导体体中中电电子子迁迁移移率率一一般般大大于于空空穴穴的的迁迁移移率率，所所以以霍霍尔尔元元件多采用件多采用 N N 型半导体（多电子）型半导体（多电子）;由上式可见，厚度由上式可见，厚度d d越小，霍尔灵敏度越小，霍尔灵敏度 KH 越大，

24、越大，所以霍尔元件做的较薄，通常近似所以霍尔元件做的较薄，通常近似1 1微米微米(d1(d1m)m)。419.2.2 9.2.2 霍尔元件的基本结构与基本霍尔元件的基本结构与基本测量电路测量电路1.1.霍尔元件基本结构霍尔元件基本结构 霍尔元件的结构很简单，它是由霍尔元件的结构很简单，它是由霍尔薄片霍尔薄片、四根引线和壳体、四根引线和壳体组成的。组成的。42 国产霍尔元件别号的命名方法如下：国产霍尔元件别号的命名方法如下：常见的国产霍尔元件型号有常见的国产霍尔元件型号有HZ1HZ1、HZ2HZ2、HZ3HZ3、HT1HT1、HT2HT2、HS1HS1等。等。432.2.霍尔传感器基本电路霍尔传

25、感器基本电路 霍霍尔尔晶晶体体的的外外形形为为矩矩形形薄薄片片加加四四根根引引线线，两两端端加加激激励励，另两端，另两端为输出，为输出，RL为为负载电阻。负载电阻。电源电源E E通过通过R R控制激励电流控制激励电流I I；B B 磁场与元件面垂直（向里）磁场与元件面垂直（向里）实际应用时，可把实际应用时，可把I*BI*B作输入，作输入，也可把也可把I I或或B B单独做输入；单独做输入；通过霍尔电势输出得到结果，通过霍尔电势输出得到结果，输出输出Uo与与I或或B成正比关系，或与成正比关系，或与I*BI*B成正比关系。成正比关系。44 霍尔元件的转换效率较低，实际应用中，为了获得霍尔元件的转换

26、效率较低，实际应用中，为了获得较大的霍尔电压，可将几个霍尔元件的输出较大的霍尔电压，可将几个霍尔元件的输出串联起来。串联起来。霍尔元件的连接霍尔元件的连接 激励电流极应该是并联的，输出是串联的，输出电压激励电流极应该是并联的，输出是串联的，输出电压增大。增大。459.2.3 9.2.3 霍尔元件的主要霍尔元件的主要技术参数技术参数(1)(1)额定激励电流和最大允许激励电流额定激励电流和最大允许激励电流 当霍尔当霍尔元件自身温升元件自身温升1010时所流过的激励电流称时所流过的激励电流称为额定激励电流。为额定激励电流。当元件在允许当元件在允许最大最大温升时所温升时所对应的激励电流称为对应的激励电

27、流称为最大允许激励最大允许激励电流。电流。因因霍尔电势随激励电流增加而线性增加，所以使霍尔电势随激励电流增加而线性增加，所以使用中希望选用尽可能大的用中希望选用尽可能大的激励电流。激励电流。改善霍尔元件的改善霍尔元件的散热条件，可以使激励电流增加。散热条件，可以使激励电流增加。46 (2）输入电阻和输出电阻输入电阻和输出电阻 激励电极间的电阻值称为激励电极间的电阻值称为输入电阻。输入电阻。霍霍尔尔输输出出电电势势对对电电路路外外部部来来说说相相当当于于一一个个电电压压源源，其电源内阻即为输出电阻。其电源内阻即为输出电阻。通通常常输输入入电电阻阻和和输输出出电电阻阻是是在在磁磁感感应应强强度度为

28、为零零，且环境温度在且环境温度在202055时所确定的。时所确定的。47 （3 3）不等位电势和不等位电阻不等位电势和不等位电阻 当当霍霍尔尔元元件件的的激激励励电电流流为为I I时时，若若元元件件所所处处位位置置磁磁感感应应强强度度为为零零，则则它它的的霍霍尔尔电电势势应应该该为为零零，但但实实际际不不为为零零。这这时时测测得得的的空载霍尔电势称为不等位空载霍尔电势称为不等位电势。电势。不等位电阻为：不等位电阻为：R0=U0/IH 产生不等位电势的产生不等位电势的原因有：原因有：霍霍尔尔电电极极安安装装位位置置不不对对称称，造造成成两两电电极极不不在在同一等电位面同一等电位面上；上；48 半

29、导体材料不均匀造成了电阻率不均匀或是几何半导体材料不均匀造成了电阻率不均匀或是几何尺寸尺寸不均匀，相当于霍尔电极不在同一等电位面；不均匀，相当于霍尔电极不在同一等电位面；激励电极接触不良造成激励电流不均匀分布等。激励电极接触不良造成激励电流不均匀分布等。49 (4(4）寄生）寄生直流电势直流电势 在在外外加加磁磁场场为为零零、霍霍尔尔元元件件用用交交流流激激励励时时，霍霍尔尔电电极极输输出出除除了了交交流流不不等等位位电电势势外外，还还有有一一直直流流电电势势，称称为为寄寄生生直流电势。直流电势。其其产生产生的原因：的原因：激励电极与霍尔电极激励电极与霍尔电极接触不良，造成接触不良，造成整流整

30、流效果；效果；两两个个霍霍尔尔电电极极大大小小不不对对称称，则则两两个个电电极极的的散散热热状状态不同而形成极间温差电势。态不同而形成极间温差电势。寄生直流电势一般在寄生直流电势一般在1mV1mV以下，它是影响霍尔片温漂以下，它是影响霍尔片温漂的原因之一。的原因之一。509.2.4 9.2.4 测量误差及误差的补偿测量误差及误差的补偿 1.霍尔元件不等位电势补偿霍尔元件不等位电势补偿 不不等等位位电电势势有有时时与与霍霍尔尔电电势势具具有有相相同同的的数数量量级级，甚甚至至超超过过霍尔电势。减小不霍尔电势。减小不等位等位电势的有效方法是补偿法。电势的有效方法是补偿法。分分析析不不等等位位电电势

31、势时时，可可以以把把霍霍尔尔元元件件等等效效为为一一个个电电桥桥，用用分析电桥平衡来补偿不等位电势。分析电桥平衡来补偿不等位电势。51补偿电路：补偿电路：不不等位电压相当于桥路初始有不平衡输出等位电压相当于桥路初始有不平衡输出U000，可在电，可在电阻大的桥臂上并联阻大的桥臂上并联电阻进行补偿。电阻进行补偿。522.2.温度补偿温度补偿 霍霍尔尔元元件件是是采采用用半半导导体体材材料料制制成成的的，因因此此它它们们的的许许多多参参数数都都具具有有较较大大的的温温度度系系数数。当当温温度度变变化化时时，霍霍尔尔元元件件的的载载流流子子浓浓度度、电电阻阻率率及及霍霍尔尔系系数数都都将将发发生生变变

32、化，从而使霍尔元件产生温度误差。化，从而使霍尔元件产生温度误差。减小减小霍尔元件的霍尔元件的温度误差的方法：温度误差的方法：（1 1）选用）选用温度系数小温度系数小的元件；的元件；（2 2）采用恒温措施；）采用恒温措施；（3 3）采用恒流源供电；）采用恒流源供电；（4 4）温度补偿。）温度补偿。53 霍霍尔尔元元件件的的灵灵敏敏系系数数KH也也是是温温度度的的函函数数，它它随随温温度度变变化化将将引引起起霍霍尔尔电电势势的的变变化化。霍霍尔尔元元件件的的灵灵敏敏度度系系数与温度的关系可写成数与温度的关系可写成 KH=KH0(1+T)大多数霍尔元件的温度系数大多数霍尔元件的温度系数是正值，它们的

33、霍是正值，它们的霍尔电势随温度升高尔电势随温度升高而大。如果在温度升高的同时而大。如果在温度升高的同时让激让激励电流励电流I Is s相应地减小相应地减小，并，并能保持能保持KH I Is s 乘积不变，乘积不变，也就抵消了灵敏系数也就抵消了灵敏系数KH增加的影响。增加的影响。54 Is-为恒流源；为恒流源；Rp-分流电阻（补偿电阻，负温分流电阻（补偿电阻，负温度系数）。度系数）。当霍尔当霍尔元件的输入电阻随温度升高元件的输入电阻随温度升高而增大，则而增大，则UH升高。但升高。但Rp变小，分流变小，分流IP 自动地增大，自动地增大，减小了霍尔减小了霍尔元件的激励电流元件的激励电流IH，不让，不

34、让UH升高，从而升高，从而达到补偿的达到补偿的目的。目的。补偿原理图补偿原理图55 霍尔集成电路可分为线性型和开关型两大类。霍尔集成电路可分为线性型和开关型两大类。1.1.线性型集成电路线性型集成电路 组成：组成：霍尔元件、恒流源霍尔元件、恒流源、线性差、线性差动放大器。将动放大器。将这三部分集成在这三部分集成在一个芯片上，输出电压为伏级，比直一个芯片上，输出电压为伏级，比直接使用霍尔元件方便得多。较典型的线性型霍尔器件接使用霍尔元件方便得多。较典型的线性型霍尔器件如如UGN3501等。等。线性型三端线性型三端 霍尔集成电路霍尔集成电路9.2.5 9.2.5 霍尔霍尔集成传感器集成传感器56线

35、性型霍尔特性线性型霍尔特性 当当磁场为零时，它磁场为零时，它的输出电压等于零；当的输出电压等于零；当感受的磁场为正向（磁感受的磁场为正向（磁钢的钢的S S极对准霍尔器件极对准霍尔器件的正面）时的正面）时，输出，输出为正；为正；磁场反向时，输出为磁场反向时，输出为负。负。线性范围线性范围57开关型霍尔集成电路开关型霍尔集成电路 组成：组成：霍尔霍尔元件、稳压电路、放大器、施密元件、稳压电路、放大器、施密特触发器、特触发器、OC门（集电极开路输出门（集电极开路输出门）。门）。当当外加磁场强度超过规定的工作点时，外加磁场强度超过规定的工作点时，OC门由高阻态变为导通状态，输出变为低门由高阻态变为导通

36、状态，输出变为低电平；电平；当当外加磁场强度低于释放点时，外加磁场强度低于释放点时，OC门重新门重新变为高阻态，输出高变为高阻态，输出高电平。电平。较较典型的开关型霍尔器件如典型的开关型霍尔器件如UGN3020等。等。58开关型霍尔集成电路的外形及内部电路开关型霍尔集成电路的外形及内部电路OCOC门门 施密特施密特 触发电路触发电路 双端输入、双端输入、单端输出运放单端输出运放霍尔霍尔 元件元件.VccVcc59开关型霍尔集成电路的史密特输出特性开关型霍尔集成电路的史密特输出特性 回回差越大差越大，抗干扰抗干扰能力能力就越强。就越强。609.2.6 9.2.6 霍尔传感器的应用霍尔传感器的应用

37、 霍尔电势是关于霍尔电势是关于I、B、三个变三个变量的函数，即量的函数，即 EH=KHIBcos 。利用。利用这个关系可以使其中两个量不变，将这个关系可以使其中两个量不变，将第三个量作为变量，或者固定其中一第三个量作为变量，或者固定其中一个量，其余两个量都作为变量。这使个量，其余两个量都作为变量。这使得霍尔传感器有许多用途。得霍尔传感器有许多用途。61霍尔传感器用于测量磁场强度霍尔传感器用于测量磁场强度 霍尔元件霍尔元件测量铁心测量铁心 气隙的气隙的B值值62霍尔转速表原理霍尔转速表原理 当齿对准霍尔元件时，磁力线集中穿过霍尔当齿对准霍尔元件时，磁力线集中穿过霍尔元件，可产生较大的霍尔电动势，

38、放大、整形后元件，可产生较大的霍尔电动势，放大、整形后输出高电平；反之，当齿轮的空挡对准霍尔元件输出高电平；反之，当齿轮的空挡对准霍尔元件时，输出为低电平。时，输出为低电平。63霍尔式接近开关霍尔式接近开关 当磁铁的有效磁极接当磁铁的有效磁极接近、并达到动作距离时，近、并达到动作距离时，霍尔式接近开关动作。霍霍尔式接近开关动作。霍尔接近开关一般还配一块尔接近开关一般还配一块钕铁硼磁铁。钕铁硼磁铁。64霍尔式接近开关用于霍尔式接近开关用于转速测量演示转速测量演示n=6060f4(r/min)软铁分流翼片 开关型霍尔开关型霍尔IC IC T T65霍尔电流传感器霍尔电流传感器 将被测电流的将被测电

39、流的导线穿过霍尔电流导线穿过霍尔电流传感器的检测孔。传感器的检测孔。当有电流通过导线当有电流通过导线时，在导线周围将时，在导线周围将产生磁场，磁力线产生磁场，磁力线集中在铁心内，并集中在铁心内，并在铁心的缺口处穿在铁心的缺口处穿过霍尔元件，从而过霍尔元件，从而产生与电流成正比产生与电流成正比的霍尔电压。的霍尔电压。66霍尔电流传感器演示霍尔电流传感器演示铁心铁心 线性霍尔线性霍尔IC EH=KH IB 所实现的多媒体界面：所实现的多媒体界面：67本章小结本章小结（1 1）磁电感应式传感器感应电势）磁电感应式传感器感应电势 （线圈运动）（线圈运动）（2 2）磁电感应式传感器的类型）磁电感应式传感

40、器的类型1.1.磁电感应式传感器磁电感应式传感器 （3 3）磁电感应式传感器的结构）磁电感应式传感器的结构 磁路系统、线圈、运动机构磁路系统、线圈、运动机构（磁通变化）（磁通变化）恒磁通式恒磁通式 变磁通式变磁通式68（4 4）磁电感应式传感器测量电路）磁电感应式传感器测量电路 直接电动势输出直接电动势输出-测量速度；测量速度；经积分电路输出经积分电路输出-测量位移；测量位移；经微分电路输出经微分电路输出-测量加速度。测量加速度。69（1 1）霍尔电势霍尔电势 （2 2）霍尔系数：）霍尔系数：(3)(3)霍尔灵敏度霍尔灵敏度2.2.霍尔传感器霍尔传感器 （4 4）霍尔传感器的参数）霍尔传感器的

41、参数 ：电子迁移率：电子迁移率70 第十章第十章 光电传感器光电传感器主要主要内容：内容：10.1 10.1 光电效应光电效应 10.2 10.2 光电器件光电器件10.3 10.3 光纤传感器光纤传感器10.4 CCD10.4 CCD图像传感器图像传感器10.5 10.5 光栅式传感器光栅式传感器 71概概 述述一、光的分类一、光的分类（根据波长分类）（根据波长分类）红620nm-760nm 橙592nm-620nm 黄578nm-592nm 绿500nm-578nm青464nm-500nm 蓝446nm-464nm紫400nm-446nm 可见光红外光近红外中红外远红外72光具有反光具有反

42、光具有反光具有反射、折射、散射、衍射、干涉和吸收等性射、折射、散射、衍射、干涉和吸收等性射、折射、散射、衍射、干涉和吸收等性射、折射、散射、衍射、干涉和吸收等性质。质。质。质。二、光的基本性质二、光的基本性质 光衍射：光在传播路径中，遇到障碍物（不透明或透光衍射：光在传播路径中，遇到障碍物（不透明或透明），绕过障碍物，产生偏离直线传播的现象称为光的明），绕过障碍物，产生偏离直线传播的现象称为光的衍射。衍射。光干涉：光干涉：光干涉：光干涉：多列（两列或两列以上）光波在空间相遇时相互迭加，在某些区域始终加强，在另一些区域则始终削弱，形成稳定的强弱分布的现象。条件：频率相同、振动方向相同以及有恒定的

43、相位差 73 h-h-h-h-普普普普朗克常数，朗克常数，朗克常数，朗克常数，6.6266.6266.6266.62610-34J10-34J10-34J10-34Js s s s；-光光光光的频率（单位的频率（单位的频率（单位的频率（单位s s s s-1-1-1-1）。）。）。）。可见，光的频率愈高（即波长愈短），光子的能量可见，光的频率愈高（即波长愈短），光子的能量可见，光的频率愈高（即波长愈短），光子的能量可见，光的频率愈高（即波长愈短），光子的能量愈大愈大愈大愈大三、光子能量三、光子能量光是以光速运动着的粒子（光子）流。一束光是以光速运动着的粒子（光子）流。一束频率为频率为的光由能量

44、相同的光子所组成，每个的光由能量相同的光子所组成，每个光子的能量为光子的能量为74四、光源四、光源（发光器件）（发光器件）1.1.白炽光源白炽光源 用用钨丝通电加热作为钨丝通电加热作为光辐射源。光辐射源。发光发光范围：可见光、大量红外线和范围：可见光、大量红外线和紫外线。紫外线。特点特点：寿命短而且发热大、效率低、：寿命短而且发热大、效率低、动态特性动态特性差。差。752.2.荧光灯荧光灯 主导商业和工业照明。通过设计的革新、荧光粉的主导商业和工业照明。通过设计的革新、荧光粉的主导商业和工业照明。通过设计的革新、荧光粉的主导商业和工业照明。通过设计的革新、荧光粉的发展，及电子控制线路的应用，荧

45、光灯的性能不断提高。发展，及电子控制线路的应用，荧光灯的性能不断提高。发展，及电子控制线路的应用，荧光灯的性能不断提高。发展，及电子控制线路的应用，荧光灯的性能不断提高。带一体化电路的紧凑型荧光灯的引入，拓宽了荧光灯的带一体化电路的紧凑型荧光灯的引入，拓宽了荧光灯的带一体化电路的紧凑型荧光灯的引入，拓宽了荧光灯的带一体化电路的紧凑型荧光灯的引入，拓宽了荧光灯的应用，包括家居的应用，这种灯替代白炽灯，将节能应用，包括家居的应用，这种灯替代白炽灯，将节能应用，包括家居的应用，这种灯替代白炽灯，将节能应用，包括家居的应用，这种灯替代白炽灯，将节能75%75%，寿命提高，寿命提高，寿命提高，寿命提高8

46、10810倍。倍。倍。倍。波长为750310nm，缺少红光，故合成后略带青色或呈青白色。763.3.发光二极管（发光二极管（LEDLEDLight Emitting DiodeLight Emitting Diode）由半导体由半导体由半导体由半导体PNPNPNPN结构成，其工作电压低、响应速度快、结构成，其工作电压低、响应速度快、结构成，其工作电压低、响应速度快、结构成，其工作电压低、响应速度快、寿命长、体积小、重量轻，因此获得了广泛的应用。寿命长、体积小、重量轻，因此获得了广泛的应用。寿命长、体积小、重量轻，因此获得了广泛的应用。寿命长、体积小、重量轻，因此获得了广泛的应用。LEDLEDL

47、EDLED发光原理：由于发光原理：由于发光原理：由于发光原理：由于空穴和电子的扩散，在空穴和电子的扩散，在空穴和电子的扩散，在空穴和电子的扩散，在PNPNPNPN结处结处结处结处形成势垒，从而抑制了空穴和电子的继续扩散。当形成势垒，从而抑制了空穴和电子的继续扩散。当形成势垒，从而抑制了空穴和电子的继续扩散。当形成势垒，从而抑制了空穴和电子的继续扩散。当PNPNPNPN结结结结上加有正向电压时，势垒降低，电子由上加有正向电压时，势垒降低，电子由上加有正向电压时，势垒降低，电子由上加有正向电压时，势垒降低，电子由N N N N区注入到区注入到区注入到区注入到P P P P区，区，区，区，空穴则由空

48、穴则由空穴则由空穴则由P P P P区注入到区注入到区注入到区注入到N N N N区。区。区。区。所注入到所注入到所注入到所注入到P P P P区里的电子和区里的电子和区里的电子和区里的电子和P P P P区里区里区里区里的空穴复合，注入到的空穴复合，注入到的空穴复合，注入到的空穴复合，注入到N N N N区里的空穴和区里的空穴和区里的空穴和区里的空穴和N N N N区里的电子复合，区里的电子复合，区里的电子复合，区里的电子复合，这种复合同时伴随着以光子形式放出能量，因而有发光这种复合同时伴随着以光子形式放出能量，因而有发光这种复合同时伴随着以光子形式放出能量，因而有发光这种复合同时伴随着以光

49、子形式放出能量，因而有发光现象。现象。现象。现象。774 4、激光器、激光器 激光激光激光激光是是是是20202020世纪世纪世纪世纪60606060年代出现的最重大科技成就之一，年代出现的最重大科技成就之一，年代出现的最重大科技成就之一，年代出现的最重大科技成就之一，具有高方向性、高单色性和高亮度三个重要具有高方向性、高单色性和高亮度三个重要具有高方向性、高单色性和高亮度三个重要具有高方向性、高单色性和高亮度三个重要特性。特性。特性。特性。激光器种类繁多，按工作物质分类：激光器种类繁多，按工作物质分类：激光器种类繁多，按工作物质分类：激光器种类繁多，按工作物质分类：u固体激光器（如红宝石激光

50、器）固体激光器（如红宝石激光器）固体激光器（如红宝石激光器）固体激光器（如红宝石激光器）u气体激光器（如氦气体激光器（如氦气体激光器（如氦气体激光器（如氦-氖气体激光器、二氧化碳激光器）氖气体激光器、二氧化碳激光器）氖气体激光器、二氧化碳激光器）氖气体激光器、二氧化碳激光器）u半导体激光器（如砷化镓激光器）半导体激光器（如砷化镓激光器）半导体激光器（如砷化镓激光器）半导体激光器（如砷化镓激光器）u液体激光器液体激光器液体激光器液体激光器78 五、五、光电传感器光电传感器光电传感器光电传感器 将将将将被测量的变化通过光信号变化转换成电信号，被测量的变化通过光信号变化转换成电信号，被测量的变化通过