傳感器與檢測(cè)技術(shù)

1、1傳感器與檢測(cè)技術(shù) 同濟(jì)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系同濟(jì)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系主講教師：蘇永清 電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系物理現(xiàn)象觀察霍爾效應(yīng) 電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系 電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系第8章 霍爾傳感器 霍爾傳感器是基于霍爾效應(yīng)的一種傳感器。1879年美國(guó)物理學(xué)家霍爾首先在金屬材料中發(fā)現(xiàn)了霍爾效應(yīng), 但由于金屬材料的霍爾效應(yīng)太弱而沒(méi)有得到應(yīng)用。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展, 開(kāi)始用半導(dǎo)體材料制成霍爾元件, 由于它的霍爾效應(yīng)顯著而得到應(yīng)用和

2、發(fā)展?；魻杺鞲衅鲝V泛用于電磁測(cè)量、壓力、加速度、振動(dòng)等方面的測(cè)量。 霍爾元件是一霍爾元件是一種四端元件種四端元件 電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系fLfEvEHdIbB定向運(yùn)動(dòng)的電子除受到洛侖茲力外，還受到霍爾電場(chǎng)的作用，定向運(yùn)動(dòng)的電子除受到洛侖茲力外，還受到霍爾電場(chǎng)的作用，當(dāng)當(dāng)f fl l=f=fE E時(shí)，達(dá)到平衡，此時(shí)時(shí)，達(dá)到平衡，此時(shí)BVeFLbUeeEFHHEbUeevBHbvBUHnebdIvnevbdIIBkdIBRnedIBUHHHneRH1dRkHH霍爾系數(shù)，材料確定后為常數(shù)靈敏度系數(shù) 對(duì)于導(dǎo)體，霍爾系數(shù)一般較小，故霍耳元件一般對(duì)于導(dǎo)體，霍爾

3、系數(shù)一般較小，故霍耳元件一般用半導(dǎo)體制作，且愈?。ū。?，靈敏度愈高用半導(dǎo)體制作，且愈小（?。`敏度愈高 電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系 霍爾元件基本結(jié)構(gòu) 由霍爾片、引線(xiàn)和殼體組成, 如圖所示。 霍爾片是一塊矩形半導(dǎo)體單晶薄片，引出四個(gè)引線(xiàn)。1、1兩根引線(xiàn)加激勵(lì)電壓或電流，稱(chēng)為激勵(lì)電極；2、2引線(xiàn)為霍爾輸出引線(xiàn)，稱(chēng)為霍爾電極。 霍爾元件殼體由非導(dǎo)磁金屬、陶瓷或環(huán)氧樹(shù)脂封裝而成。 在電路中霍爾元件可用兩種符號(hào)表示。 電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系 基本電路nRW調(diào)節(jié)控制電流的大小。nRL為負(fù)載電阻，可以是放大器的內(nèi)阻或指

4、示器內(nèi)阻。n霍爾效應(yīng)建立的時(shí)間極短（10-1210-14S），I即可以是直流，也可以是交流。n若被測(cè)物理量是I、B或者IB乘積的函數(shù)，通過(guò)測(cè)量霍爾電勢(shì)UH就可知道被測(cè)量的大小。 電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系二、元件特性及其補(bǔ)償（1）UH-I特性分析：分析：1.1.U UH H-I-I特性曲線(xiàn)是線(xiàn)性的；特性曲線(xiàn)是線(xiàn)性的；2.2.k kI I-k-kH H成正比成正比 k kI I1/d1/d，k kI I大大的元件，的元件，d d小，不能通過(guò)較大電小，不能通過(guò)較大電流，流，U UH HII不一定高，不一定高，BkdIdUkIBknedIBUHcBHIHH

5、電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系（2）UH-B特性n當(dāng)控制電流恒定時(shí)，霍爾元件的當(dāng)控制電流恒定時(shí)，霍爾元件的輸出隨輸出隨B B增加并不完全是線(xiàn)性關(guān)增加并不完全是線(xiàn)性關(guān)系，系，B B0.5T0.5T時(shí)，時(shí)， U UH H-B-B才呈較好才呈較好線(xiàn)性。其中線(xiàn)性。其中Hz-4Hz-4型元件線(xiàn)性度高型元件線(xiàn)性度高。n當(dāng)磁場(chǎng)為交變、電流是直流時(shí)，當(dāng)磁場(chǎng)為交變、電流是直流時(shí)，由于交變磁場(chǎng)在導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生渦流由于交變磁場(chǎng)在導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生渦流而輸出附加霍爾電勢(shì)，因此霍爾而輸出附加霍爾電勢(shì)，因此霍爾元件只能在幾千元件只能在幾千HzHz頻率的交變磁頻率的交變磁場(chǎng)內(nèi)工作。場(chǎng)內(nèi)工作。)()

6、(0BUBUkHHB 電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系2、性能補(bǔ)償（1）溫度補(bǔ)償n霍爾元件是采用半導(dǎo)體材料制成的, 因此它們的許多參數(shù)都具有較大的溫度系數(shù)。當(dāng)溫度變化時(shí), 霍爾元件的載流子濃度、遷移率、電阻率及霍爾系數(shù)都將發(fā)生變化, 從而使霍爾元件產(chǎn)生溫度誤差。1）采用恒溫措施 電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系2）UH=KHIB：采用恒流源供電, 可以使霍爾電勢(shì)穩(wěn)定（減小由于輸入電阻R隨溫度t變化而引起的激勵(lì)電流I變化所帶來(lái)的影響。） 電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系3）熱敏電阻補(bǔ)償霍爾

7、元件一般具有正溫度系數(shù)，即輸出隨溫度升高而下霍爾元件一般具有正溫度系數(shù)，即輸出隨溫度升高而下降，若能使控制電流隨溫度升高而上升。降，若能使控制電流隨溫度升高而上升。輸入回路串熱敏電阻（當(dāng)溫度上升時(shí)其阻值下降，使輸入回路串熱敏電阻（當(dāng)溫度上升時(shí)其阻值下降，使控制電流上升。）控制電流上升。）輸出回路補(bǔ)償負(fù)載上得到的霍爾電勢(shì)隨溫度上升而下輸出回路補(bǔ)償負(fù)載上得到的霍爾電勢(shì)隨溫度上升而下降被熱敏電阻阻值減小所補(bǔ)償。降被熱敏電阻阻值減小所補(bǔ)償。在使用時(shí)，熱敏電阻或電阻絲最好和霍爾元件封在一起在使用時(shí)，熱敏電阻或電阻絲最好和霍爾元件封在一起或靠近，使它們溫度變化一致?；蚩拷?，使它們溫度變化一致。 電子與信息

8、工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系（2）不等位電勢(shì)補(bǔ)償n當(dāng)霍爾元件B=0，I0，UH=U00。n這時(shí)測(cè)得的空載霍爾電勢(shì)稱(chēng)不等位電勢(shì)。n產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因有: 霍爾電極安裝位置不對(duì)稱(chēng)或不在同一等電位面上； 半導(dǎo)體材料不均勻造成了電阻率不均勻或是幾何尺寸不均勻；兩電極電不在同一等電位面上兩電極電不在同一等電位面上等電位面歪斜等電位面歪斜 電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系n不等位電勢(shì)補(bǔ)償?shù)姆椒ɡ硐肭闆r下, R1=R2=R3=R4, U00由于不等位電阻的存在,說(shuō)明此四個(gè)電阻值不相等, 則電橋不平衡。為使其達(dá)到平衡，可在阻值較大的橋臂上并聯(lián)電

9、阻，或在兩個(gè)橋臂上同時(shí)并聯(lián)電阻。 電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系四、霍爾傳感器的應(yīng)用 霍爾電勢(shì)是關(guān)于I、B、 三個(gè)變量的函數(shù)，即 EH=KHIBcos 。利用這個(gè)關(guān)系可以使其中兩個(gè)量不變，將第三個(gè)量作為變量，或者固定其中一個(gè)量，其余兩個(gè)量都作為變量。這使得霍爾傳感器有許多用途。 電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系1、霍爾轉(zhuǎn)速表60 22fn 在被測(cè)轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)軸上安裝一個(gè)齒盤(pán)，也可選取機(jī)械系統(tǒng)中的一個(gè)齒輪，將線(xiàn)性型霍爾器件及磁路系統(tǒng)靠近齒盤(pán)。齒盤(pán)的轉(zhuǎn)動(dòng)使磁路的磁阻隨氣隙的改變而周期性地變化，霍爾器件輸出的微小脈沖信號(hào)經(jīng)隔直、放

10、大、整形后可以確定被測(cè)物的轉(zhuǎn)速。S SN N線(xiàn)性霍爾線(xiàn)性霍爾磁鐵磁鐵ptNnnptNnpf/= 電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系霍爾轉(zhuǎn)速表原理霍爾轉(zhuǎn)速表原理 當(dāng)齒對(duì)準(zhǔn)霍爾元件時(shí)，磁力線(xiàn)集中穿過(guò)霍爾元件，可產(chǎn)生較大的霍爾電動(dòng)勢(shì)，放大、整形后輸出高電平；反之，當(dāng)齒輪的空擋對(duì)準(zhǔn)霍爾元件時(shí)，輸出為低電平。 電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系霍爾轉(zhuǎn)速傳感器在汽車(chē)防抱死裝置（ABS）中的應(yīng)用 若汽車(chē)在剎車(chē)時(shí)車(chē)輪被抱死，將產(chǎn)生危險(xiǎn)。用霍爾轉(zhuǎn)速傳感器來(lái)檢測(cè)車(chē)輪的轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)有助于控制剎車(chē)力的大小。帶有微帶有微型磁鐵型磁鐵的霍爾的霍爾傳感器傳感器

11、鋼質(zhì)鋼質(zhì)霍爾霍爾 電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系另一種轉(zhuǎn)速測(cè)量安裝方法n磁性轉(zhuǎn)盤(pán)的輸入軸與被測(cè)轉(zhuǎn)軸相連, 當(dāng)被測(cè)轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí), 磁性轉(zhuǎn)盤(pán)隨之轉(zhuǎn)動(dòng), 固定在磁性轉(zhuǎn)盤(pán)附近的霍爾傳感器便可在每一個(gè)小磁鐵通過(guò)時(shí)產(chǎn)生一個(gè)相應(yīng)的脈沖, 檢測(cè)出單位時(shí)間的脈沖數(shù), 便可知被測(cè)轉(zhuǎn)速。磁性轉(zhuǎn)盤(pán)上小磁鐵數(shù)目的多少?zèng)Q定了傳感器測(cè)量轉(zhuǎn)速的分辨率。ptNnnptNnpfN計(jì)數(shù)值 電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系5、霍爾式無(wú)刷電動(dòng)機(jī) 霍爾式無(wú)刷電動(dòng)機(jī)取消了換向器和電刷，而采用霍爾元件來(lái)檢測(cè)轉(zhuǎn)子和定子之間的相對(duì)位置，其輸出信號(hào)經(jīng)放大、整形后觸發(fā)電子線(xiàn)路，

12、從而控制電樞電流的換向，維持電動(dòng)機(jī)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。由于無(wú)刷電動(dòng)機(jī)不產(chǎn)生電火花及電刷磨損等問(wèn)題，所以它在錄像機(jī)、CD唱機(jī)、光驅(qū)等家用電器中得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。 普通直流電動(dòng)機(jī)使普通直流電動(dòng)機(jī)使用的電刷和換向器用的電刷和換向器 電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系無(wú)刷電動(dòng)機(jī)在電動(dòng)自行車(chē)上的應(yīng)用 電動(dòng)自行車(chē)可充電電池組可充電電池組無(wú)刷電動(dòng)機(jī)無(wú)刷電動(dòng)機(jī) 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的外轉(zhuǎn)子采用高性能釹鐵硼稀土永磁材外轉(zhuǎn)子采用高性能釹鐵硼稀土永磁材料；三個(gè)霍爾位置傳感器產(chǎn)生六個(gè)狀態(tài)編碼信號(hào)，控制逆料；三個(gè)霍爾位置傳感器產(chǎn)生六個(gè)狀態(tài)編碼信號(hào)，控制逆變橋各功率管通斷，使三相內(nèi)定子線(xiàn)圈與外轉(zhuǎn)子之間產(chǎn)生變橋各功率管通斷，使三相內(nèi)定子線(xiàn)圈與外轉(zhuǎn)子之間產(chǎn)生連續(xù)轉(zhuǎn)矩，具有效率高、無(wú)火花、可靠性強(qiáng)等特點(diǎn)。連續(xù)轉(zhuǎn)矩，具有效率高、無(wú)火花、可靠性強(qiáng)等特點(diǎn)。 電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系光驅(qū)用的無(wú)刷電動(dòng)機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu) 電子與信息工程學(xué)院控制科