測(cè)試技術(shù)-第六章霍爾式及其他教材課程

4.5霍爾傳感器

霍爾傳感器是基于霍爾效應(yīng)的一種傳感器。廣泛用于位移、電磁、壓力、加速度、振動(dòng)等方面的測(cè)量。材料：砷化銦（InAs）銻化銦（InSb）鍺（Ge）等

UHIBN型半導(dǎo)體洛倫磁力載流子方向FLFE1）霍爾效應(yīng)

霍爾元件（板，板厚遠(yuǎn)小于板寬和長(zhǎng)）置于一磁場(chǎng)中，在板長(zhǎng)方向通以控制電流I時(shí)，板的側(cè)向（寬度）會(huì)產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)差——霍爾電壓，此現(xiàn)象為霍爾效應(yīng)霍爾系數(shù)，由材料物理性質(zhì)決定，等于霍爾片材料的電阻率與電子遷移率的乘積。金屬材料載流子遷移率很高,但電阻率很小;而絕緣材料電阻率極高,但載流子遷移率極低。只有半導(dǎo)體材料適于制造霍爾片靈敏度系數(shù)，由材料物理性質(zhì)和幾何尺寸決定目前常用的霍爾元件材料有:鍺、硅、砷化銦、銻化銦等半導(dǎo)體材料。3）應(yīng)用

霍爾元件具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、動(dòng)態(tài)特性好和壽命長(zhǎng)的優(yōu)點(diǎn),它首先是用來(lái)測(cè)磁場(chǎng)的，還可用來(lái)測(cè)產(chǎn)生或影響磁場(chǎng)的物理量（如電流）。a.電流傳感器當(dāng)電流流過(guò)導(dǎo)線時(shí)，將在導(dǎo)線周圍產(chǎn)生磁場(chǎng)，磁場(chǎng)大小與流過(guò)導(dǎo)線的電流大小成正比，這一磁場(chǎng)可以通過(guò)軟磁材料來(lái)聚集，然后用霍爾器件進(jìn)行檢測(cè)。b.位移測(cè)量

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。c.轉(zhuǎn)速測(cè)量

案例：汽車速度測(cè)量d.無(wú)損探傷鐵磁材料受到磁場(chǎng)激勵(lì)時(shí)，因其導(dǎo)磁率高，磁阻小，磁力線都集中在材料內(nèi)部。若材料均勻，磁力線分布也均勻。如果材料中有缺陷，如小孔、裂紋等，在缺陷處，磁力線會(huì)發(fā)生彎曲，使局部磁場(chǎng)發(fā)生畸變。用霍爾探頭檢出這種畸變，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理，可辨別出缺陷的位置，性質(zhì)（孔或裂紋）和大?。ㄈ缟疃取挾鹊?霍爾無(wú)損探傷已在炮膛探傷、管道探傷，海用纜繩探傷，船體探傷以及材料檢驗(yàn)等方面得到廣泛應(yīng)用。NS4.6熱敏傳感器

1)雙金屬溫度計(jì)

把兩種膨脹系數(shù)不同的金屬薄片焊接在一起制成。它是一種固體膨脹溫度計(jì)，可將溫度變化轉(zhuǎn)換成機(jī)械量變化。優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單牢固可靠防爆

2）熱電溫度計(jì)(熱電偶)熱電效應(yīng)

將兩種不同材料的導(dǎo)體A和B串接成一個(gè)閉合回路，當(dāng)兩個(gè)接點(diǎn)溫度不同時(shí)，在回路中就會(huì)產(chǎn)生熱電勢(shì)，形成電流，此現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)。熱電偶測(cè)溫基本定律均質(zhì)導(dǎo)體定律

由一種均質(zhì)導(dǎo)體組成的閉合回路，不論導(dǎo)體的橫截面積、長(zhǎng)度以及溫度分布如何均不產(chǎn)生熱電動(dòng)勢(shì)。TT0中間導(dǎo)體定律在熱電偶回路中接入第三種材料的導(dǎo)體，只要其兩端的溫度相等，該導(dǎo)體的接入就不會(huì)影響熱電偶回路的總熱電動(dòng)勢(shì)。TT0V參考電極定律兩種導(dǎo)體A,B分別與參考電極C組成熱電偶，如果他們所產(chǎn)生的熱電動(dòng)勢(shì)為已知，A和B兩極配對(duì)后的熱電動(dòng)勢(shì)可用下式求得：ABTT0=ACTT0—CBTT0由于鉑的物理化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、人們多采用鉑作為參考電極。熱電偶是工業(yè)上最常用的溫度檢測(cè)器件之一。?測(cè)量精度高。因熱電偶直接與被測(cè)對(duì)象接觸，不受中間介質(zhì)的影響。測(cè)量范圍廣。常用的熱電偶從-50～+1600℃均可連續(xù)測(cè)量，某些特殊熱電偶最低可測(cè)到-269℃（如金鐵鎳鉻），最高可達(dá)+2800℃（如鎢-錸）。?構(gòu)造簡(jiǎn)單，使用方便。3）熱敏電阻半導(dǎo)體熱敏電阻的材料是一種由錳、鎳、銅等金屬氧化物按一定比例混合燒結(jié)而成的半導(dǎo)體，熱敏電阻是一種電阻值隨其溫度成指數(shù)變化的半導(dǎo)體熱敏元件。PTC熱敏電阻:具有正溫度系數(shù),靈敏度非常數(shù)。NTC熱敏電阻：隨溫度上升電阻呈指數(shù)關(guān)系減小，具有負(fù)溫度系數(shù)，靈敏度高；——常用CTR熱敏電阻：具有很大的負(fù)溫度系數(shù)和負(fù)電阻突變特性。水溫感應(yīng)塞溫控器還廣泛應(yīng)用于空調(diào)、暖氣、電子體溫計(jì)等4.7氣敏傳感器

氣體與人類日常生活密切相關(guān)，對(duì)氣體的檢測(cè)已經(jīng)是保護(hù)和改善生態(tài)居住環(huán)境不可缺少手段，氣敏傳感器發(fā)揮著極其重要的作用。

如生活環(huán)境中一氧化碳濃度達(dá)0.8～1.15ml/L時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)呼吸急促，脈搏加快，甚至?xí)炟省＿€有易燃、易爆氣體、酒精等的探測(cè)。煙霧報(bào)警器酒精傳感器二氧化碳傳感器

氣敏傳感器是利用氣敏半導(dǎo)體材料，如氧化錫、氧化錳。當(dāng)它們吸收了氣體煙霧，如一氧化碳、醇等時(shí)，電阻發(fā)生變化。從而使氣敏元件電阻值隨被測(cè)氣體的濃度改變而變化。

燃?xì)鈭?bào)警器酒精傳感器4.8

CCD固態(tài)圖象傳感器(電荷耦合器件)

MOS(MetalOxideSemiconductor)光敏元的結(jié)構(gòu)是在半導(dǎo)體(P型硅)基片上形成一種氧化物(如二氧化硅)，在氧化物上再沉積一層金屬電極，以此形成一個(gè)金屬-氧化物-半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)元(MOS)。

在半導(dǎo)體硅片上按線陣或面陣排列MOS單元，如果照射在這些光敏元上的是一幅明暗起伏的圖像，則這些光敏元上就會(huì)感生出一幅與光照強(qiáng)度相對(duì)應(yīng)的光生電荷圖像。特點(diǎn):(1)組成測(cè)試儀器可測(cè)量物位、尺寸、工件損傷、自動(dòng)對(duì)焦;條形碼掃描器應(yīng)用:(1)寬度測(cè)量;（2)外徑測(cè)量;(3)主軸徑向跳動(dòng)測(cè)量(2)作光學(xué)信息處理裝置的輸入環(huán)節(jié)，可用于傳真技術(shù)、光學(xué)文字識(shí)別與圖像識(shí)別、光譜測(cè)量等；(3)作自動(dòng)流水線裝置中的敏感器件，可用于機(jī)床、自動(dòng)售貨、自動(dòng)搬運(yùn)及自動(dòng)監(jiān)視裝置等方面。數(shù)碼相機(jī)1）超聲波及其物理性質(zhì)

聲波是一種能在氣體、液體和固體中傳播的機(jī)械波。次聲波——低于16Hz的機(jī)械波聲波——頻率在16～2×104Hz之間,能為人耳所聞的機(jī)械波超聲波——高于2×104Hz的機(jī)械波微波——頻率在3×108～3×1011

Hz的機(jī)械波4.9超聲波傳感器

超聲波在均勻介質(zhì)中按直線傳播；當(dāng)超聲波由一種介質(zhì)入射到另一種介質(zhì)時(shí),由于在兩種介質(zhì)中傳播速度不同,在介質(zhì)面上會(huì)產(chǎn)生反射、折射和波形轉(zhuǎn)換等現(xiàn)象，符合幾何光學(xué)的定律。

性質(zhì)：2）超聲傳感器超聲波探頭按其工作原理可分為壓電式、磁致伸縮式、電磁式等,而以壓電式最為常用。利用壓電材料的壓電效應(yīng)來(lái)工作的:發(fā)射探頭——產(chǎn)生超聲波；接收探頭——將超聲振動(dòng)波轉(zhuǎn)換成電信號(hào)壓電式：實(shí)際應(yīng)用中，兩者合為一體：將脈沖交流電壓加在壓電元件上，使其向被測(cè)介質(zhì)發(fā)射超聲波，同時(shí)又利用它接收從該介質(zhì)中反射回來(lái)的超聲波，并將該反射波轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸出。3）超聲傳感器的應(yīng)用①物位傳感器

如果從發(fā)射超聲脈沖開(kāi)始,到接收到反射波為止的這個(gè)時(shí)間間隔為已知,就可以求出分界面的位置,利用這種方法可以對(duì)物位進(jìn)行測(cè)量。超聲波在液體中傳播（衰減小）②流量傳感器

超聲波傳輸時(shí)間差法超聲波在靜止流體和流動(dòng)流體中的傳輸速度是不同的,利用這一特點(diǎn)可以求出流體的速度,再根據(jù)管道流體的截面積,便可知道流體的流量。

順流：逆流：倒車?yán)走_(dá)魚(yú)群探測(cè)器4.10其他類型傳感器

1）熱輻射檢測(cè)傳感器——絕對(duì)零度以上的物體都有輻射，其強(qiáng)度依賴于物體溫度(K)，冶金、軋制、磨削加工以及各種熱加工過(guò)程中都涉及到動(dòng)態(tài)溫度場(chǎng)的檢測(cè)問(wèn)題。2）聲發(fā)射檢測(cè)傳感器——材料或結(jié)構(gòu)受外力或內(nèi)力作用產(chǎn)生變形或斷裂，以彈性形式釋放出應(yīng)變能的現(xiàn)象叫聲發(fā)射。可用于材料斷裂等結(jié)構(gòu)檢測(cè)3）生物傳感器——發(fā)酵工業(yè)：谷氨酸－葡萄糖檢測(cè)醫(yī)學(xué)：血糖－乳酸測(cè)定檢測(cè)對(duì)象中含生命物質(zhì)。根據(jù)敏感物質(zhì)不同,生物傳感器分酶?jìng)鞲衅鳌⑽⑸飩鞲衅?、組織傳感器、細(xì)胞器傳感器、免疫傳感器等。熱/光電信號(hào)微生物/酶等熱敏元件光敏元件電化學(xué)器件物理、化學(xué)變化血糖－乳酸測(cè)定流程德國(guó)研發(fā)的環(huán)境廢水BOD分析儀手掌型葡萄糖(glucose)分析儀體育上耐力訓(xùn)練工廠發(fā)酵車間化驗(yàn)員正在分析樣品①集成傳感器多傳感器集成電路集成可進(jìn)行多參數(shù)測(cè)量和綜合處理各種調(diào)節(jié)電路和補(bǔ)償電路信號(hào)放大和阻抗變換電路信號(hào)數(shù)字化