智能傳感與檢測技術(shù) 第7章習(xí)題答案

第7章思考題與習(xí)題填空題霍爾傳感器是一種磁敏傳感器，它是把磁學(xué)物理量轉(zhuǎn)換成電信號的裝置，廣泛應(yīng)用于自動控制、信息傳遞、電磁測量、生物醫(yī)學(xué)等各個領(lǐng)域。它的最大特點是非接觸測量。2.霍爾電勢UH與輸入電流I及磁感應(yīng)強度B成正比，其靈敏度KH與霍爾系數(shù)RH成正比而與霍爾片厚度d成反比。所以，為了提高靈敏度，霍爾元件常制成薄片形狀。3.霍爾元件的結(jié)構(gòu)很簡單，它通常由霍爾片、引線和殼體組成。4.半導(dǎo)體材料的電阻率隨磁場強度的增強而變大，這種現(xiàn)象稱為磁阻效應(yīng)，利用磁阻效應(yīng)制成的元件稱為磁敏電阻。二、簡答題1.簡述你理解中的霍爾效應(yīng)。1879年，美國物理學(xué)家霍爾（E.H.Hall）經(jīng)過大量的實驗發(fā)現(xiàn)：如果讓一恒定電流通過一金屬或半導(dǎo)體薄片，并將薄片置于強磁場中，在金屬薄片的另外兩側(cè)將產(chǎn)生與磁場強度成正比的電動勢，這個現(xiàn)象后來被人們稱為霍爾效應(yīng)。假設(shè)霍爾元件為N型半導(dǎo)體薄片，薄片厚度為d，磁感應(yīng)強度為B的磁場方向垂直于薄片。在薄片前后兩端通以控制電流I，那么半導(dǎo)體中的載流子（電子）將沿著與電流I相反的方向運動。由于外磁場B的作用，使電子受到洛侖茲力FL而發(fā)生偏轉(zhuǎn)，結(jié)果在半導(dǎo)體的右端面上電子積累帶負電，而左端面缺少電子帶正電，在半導(dǎo)體的左右端面間形成電場。該電場產(chǎn)生的電場力FE阻止電子繼續(xù)偏轉(zhuǎn)。當(dāng)FE和FL相等時，電子積累達到動態(tài)平衡。這時在半導(dǎo)體左右兩端面之間（即垂直于電流和磁場方向）建立電場，稱為霍爾電場EH，相應(yīng)的電勢UH稱為霍爾電勢。2.制成霍爾元件常用的材料有哪些？1948年以后，由于半導(dǎo)體技術(shù)迅速發(fā)展，人們找到了霍爾效應(yīng)比較明顯的半導(dǎo)體材料，并制成了銻化銦、砷化鎵、砷化銦、硅、鍺等材料的霍爾元件。目前常用的霍爾元件材料是N型硅，它的靈敏度、溫度特性、線性度均較好。3.簡述集成霍爾傳感器的分類、特點及應(yīng)用場合。集成霍爾傳感器的輸出是經(jīng)過處理的霍爾輸出信號。其輸出信號快，傳送過程中無抖動現(xiàn)象，且功耗低，對溫度的變化是穩(wěn)定的，靈敏度與磁場移動速度無關(guān)。按照輸出信號的形式，可以分為開關(guān)集成霍爾傳感器和線性集成霍爾傳感器兩種類型。線性集成霍爾傳感器線性集成霍爾傳感器主要由霍爾元件、恒流源、放大電路組成，由恒流源提供穩(wěn)定的激勵電流，霍爾電勢輸出接入放大電路，輸出電壓較高，應(yīng)用廣泛。集成電路的輸出電壓與霍爾元件感受的磁場變化近似呈線性關(guān)系。它主要用于對被測數(shù)據(jù)進行線性測量的場合，如角位移、壓力、電流等的測量。開關(guān)集成霍爾傳感器開關(guān)集成霍爾傳感器是利用霍爾效應(yīng)與集成電路技術(shù)制成的一種傳感器，以開關(guān)信號形式輸出。霍爾開關(guān)集成器件具有使用壽命長、無觸電磨損、元火花干擾、工作頻率高、溫度特性好及能適應(yīng)惡劣環(huán)境等優(yōu)點。常用的開關(guān)集成霍爾傳感器由霍爾元件、放大電路、施密特觸發(fā)器等部分組成。穩(wěn)壓電路可使傳感器在較寬的電源電壓范圍內(nèi)工作，開關(guān)輸出可使該電路方便地與各邏輯電路連接。4.簡述磁敏二極管的工作原理。當(dāng)磁敏二極管未受到外界磁場作用，且外加如圖7-16a所示的正偏壓時，則有大量的空穴從P區(qū)通過I區(qū)進入N區(qū)，同時也有大量電子注入P區(qū)而形成電流。只有一部分電子和空穴在I區(qū)復(fù)合掉。當(dāng)磁敏二極管受到如圖7-16b所示的外界磁場H+（正向磁場）作用時，電子和空穴受到洛侖茲力的作用而向r區(qū)偏轉(zhuǎn)。由于r區(qū)的電子和空穴復(fù)合速度比光滑面I區(qū)快，所以，內(nèi)部參與導(dǎo)電的載流子數(shù)目減少，因此，外電路電流減小。磁場強度越強，電子和空穴受到洛侖茲力就越大，單位時間內(nèi)進入r區(qū)復(fù)合的電子和空穴數(shù)量就越多，外電路的電流就越小。a)不受磁場作用時b)受正向磁場作用時c)受反向磁場作用時圖7-16磁敏二極管工作原理當(dāng)磁敏二極管受到如圖7-16c所示的外界磁場片H-（反向磁場）作用時，則電子和空穴受到洛侖茲力作用而向I區(qū)偏移；則外電路的電流比不受外界磁場作用時大。利用磁敏二極管的正向?qū)娏麟S磁場強度的變化而變化的特性，即可實現(xiàn)磁電轉(zhuǎn)換。三、綜合應(yīng)用題1.圖7-22是利用霍爾傳感器構(gòu)成的一個自動供水裝置，請分析其工作原理。圖7-22利用霍爾傳感器的自動供水裝置鍋爐中的水由電磁閥控制流出與關(guān)閉。電磁閥的打開與關(guān)閉，則受控于控制電路。打水時，需將鐵制的取水卡從投放口投人，取水卡沿非磁性物質(zhì)制作的滑槽向下滑行，當(dāng)滑行到磁傳感部位時，傳感器輸出信號經(jīng)控制電路驅(qū)動電磁閥打開，讓水從水龍頭流出。延時一定時間后，控制電路使電磁閥關(guān)閉，水流停止。2.設(shè)計一種霍爾式液位控制器，要求：①當(dāng)液位高于某一設(shè)定值時，水泵停止運轉(zhuǎn)。②儲液罐是密閉的，只允許在儲液罐的玻璃連通器外壁和管腔內(nèi)確定磁路和安裝霍爾元件。③畫出磁路和霍爾元件及水泵的設(shè)置圖；畫出控制電路原理框圖；簡要說明該檢測、控制系統(tǒng)的工作過程?；魻栐八玫脑O(shè)置圖：檢測、控制系統(tǒng)的工作過程：液位測量原理是利用漂浮在被測液面的浮子的位置來判斷液面高度的。浮子漂浮在液面上，隨液位高低上下浮動；浮子內(nèi)裝有環(huán)形磁鐵，磁鐵產(chǎn)生了沿不銹鋼保護管軸向的穩(wěn)定磁場；浮球是泡沫材料，可以在液體的浮力作用下隨液位的升高或下降而升降。當(dāng)上升到液位控制器UGN3020調(diào)定好的位置時，控制開關(guān)便發(fā)出控制信號。工作原理:首先閉合隔離開關(guān)Q，220V電源經(jīng)過降壓、整流、濾波和穩(wěn)壓后得到12V直流電壓供給控制電路。控制電路發(fā)出的信號驅(qū)動繼電器kM，然后控制注液電動機啟停。1、液位上升

當(dāng)液面上升時，液體浮力使浮球浮起，霍爾元件的磁場強度隨之增大，當(dāng)浮球（磁鐵）移動到距離霍爾元件UGN3020幾毫米時，霍爾U