第6章传感器课件
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第6章霍尔传感器
2019/8/16
6
霍尔元件的主要外特性参数
最大磁感应强度BM
线性区
1T=104G
上图所示霍尔元件的线性范围是负的多少
2019/8/16 高斯至正的多少高斯？7Βιβλιοθήκη 霍尔元件的主要外特性参数（续）
最大激励电流IM :
由于霍尔电势随激励电流增大而增大， 故在应用中总希望选用较大的激励电流。但 激励电流增大，霍尔元件的功耗增大，元件 的温度升高，从而引起霍尔电势的温漂增大， 因此每种型号的元件均规定了相应的最大激 励电流，它的数值从几毫安至十几毫安。
上节回顾:
1.压电式传感器
本节主要内容:
1.霍尔传感器
2019/8/16
1
第6章 霍尔传感器
本章主要学习霍尔传感器 的工作原理、霍尔集成电路的特 性及其在检测技术中的应用，还 涉及磁场测量技术。
霍尔元件是 一种四端元件
2019/8/16
2
第一节 霍尔元件的结构及工作原理
半导体薄片置于磁感应强度为B 的磁场中，磁场方向 垂直于薄片，当有电流I 流过薄片时，在垂直于电流和磁 场的方向上将产生电动势EH，这种现象称为霍尔效应。
2019/8/16
22
霍尔转速表的其他安装方法
霍尔元件
磁铁
只要黑色金属旋转体的表面存在缺口或突 起，就可产生磁场强度的脉动，从而引起霍尔 电势的变化，产生转速信号。
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23
霍尔式无触点汽车电子点火装置
汽车点火线圈
高压输出 12V低压电源
接头
输入接头
采用霍尔式无触 点电子点火装置能较 好地克服汽车合金触 点点火时间不准确、 触点易烧坏、高速时
2019/8/16
《传感器技术》教学课件第6章
19
当晶体受到沿y轴方向的压力作用时，晶体的变形如图6-4 （c）所示。与图6-4（b）情况相似，P1增大，P2、P3减小。在x 轴上出现电荷，它的极性为x轴正向为正电荷。在y轴方向上仍 不出现电荷。
如果沿z轴方向施加作用力，因为晶体在x方向和y方向所产 生的形变完全相同，所以正负电荷重心保持重合，电偶极矩矢 量和等于零。这表明沿z轴方向施加作用力，晶体不会产生压电 效应。
a、b——晶体切片的长度和厚度。
电荷qx和qy的符号由受压力还是受拉力决定。
15
上述讨论假设晶体沿x轴和y轴方向受到的是压力， 当晶体沿x轴和y轴方向受到拉力作用时，同样有压电效
应，只是电荷的极性将随之改变。石英晶片上电荷极性 与受力方向的关系如图6-3所示。
图6-3 晶体切片上电荷极性与受力方向的关系
在自然界中大多数晶体都具有压电效应，但压 电效应十分微弱。随着对材料的深入研究，发现石 英晶体、钛酸钡、锆钛酸铅等材料是性能优良的压 电材料。
7
表6-1 常用压电材料的性能参数
8
6.1.1 压电晶体
以石英晶体为例，它是单晶体中具有代表性同时也是应用 最广泛的一种压电晶体，化学式为SiO2。图6-2（a）表示了天 然结构的石英晶体外形是一个正六面体。
当压电元件受外力作用时，两表面产生等量的正、负电荷Q， 压电元件的开路电压（认为其负载电阻为无限大）U为：
压电常数 压电效应强弱：灵敏度 弹性常数（刚度） 固有频率、动态特性 介电常数 固有电容、频率下限 机电耦合系数 机电转换效率 电阻 泄漏电荷、改善低频特性 居里点 丧失压电性的温度
6
压电材料可以分为两大类：压电晶体和压电陶 瓷。压电材料要求具有大的压电系数，机械强度高， 刚度大，具有高电阻率、大介电系数和高居里点， 温度、湿度和时间稳定性好等特点。
当晶体受到沿y轴方向的压力作用时，晶体的变形如图6-4 （c）所示。与图6-4（b）情况相似，P1增大，P2、P3减小。在x 轴上出现电荷，它的极性为x轴正向为正电荷。在y轴方向上仍 不出现电荷。
如果沿z轴方向施加作用力，因为晶体在x方向和y方向所产 生的形变完全相同，所以正负电荷重心保持重合，电偶极矩矢 量和等于零。这表明沿z轴方向施加作用力，晶体不会产生压电 效应。
a、b——晶体切片的长度和厚度。
电荷qx和qy的符号由受压力还是受拉力决定。
15
上述讨论假设晶体沿x轴和y轴方向受到的是压力， 当晶体沿x轴和y轴方向受到拉力作用时，同样有压电效
应，只是电荷的极性将随之改变。石英晶片上电荷极性 与受力方向的关系如图6-3所示。
图6-3 晶体切片上电荷极性与受力方向的关系
在自然界中大多数晶体都具有压电效应，但压 电效应十分微弱。随着对材料的深入研究，发现石 英晶体、钛酸钡、锆钛酸铅等材料是性能优良的压 电材料。
7
表6-1 常用压电材料的性能参数
8
6.1.1 压电晶体
以石英晶体为例，它是单晶体中具有代表性同时也是应用 最广泛的一种压电晶体，化学式为SiO2。图6-2（a）表示了天 然结构的石英晶体外形是一个正六面体。
当压电元件受外力作用时，两表面产生等量的正、负电荷Q， 压电元件的开路电压（认为其负载电阻为无限大）U为：
压电常数 压电效应强弱：灵敏度 弹性常数（刚度） 固有频率、动态特性 介电常数 固有电容、频率下限 机电耦合系数 机电转换效率 电阻 泄漏电荷、改善低频特性 居里点 丧失压电性的温度
6
压电材料可以分为两大类：压电晶体和压电陶 瓷。压电材料要求具有大的压电系数，机械强度高， 刚度大，具有高电阻率、大介电系数和高居里点， 温度、湿度和时间稳定性好等特点。
机器人技术基础课件第六章 机器人传感器
物理量
电量
目前，传感器转换后的信号大多为电信号。 因而从狭义上讲，传感器是把外界输入的非电信 号转换成电信号的装置。
6.1 机器人传感器概述
6.1.1 传感器的基本概念
2、传感器的组成
传感器一般由敏感元件、转换部分组成
基
被 测 量
敏 感 元 件
转 换 元 件
本 转 换 电
电 信 号
路
6.1 机器人传感器概述
6.2 内传感器
增量式编码器
6.2.1 位移（位置）传感器
（1）信号性质
输出信号为一串脉冲，每一个脉
冲对应一个分辨角，对脉冲进行计 数N，就是对 的累加，即，角位移 ＝N。
如： ＝0.352，脉冲N＝1000，
则：
＝ 0.352×1000＝ 352
增量式编码器的信号性质
6.2 内传感器
增量式编码器
6.2 内传感器
6.2.1 位移（位置）传感器
2、光电编码器
光电编码器是角度（角速度）检测装置，通过光 电转换，将输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲 数字量的传感器。具有体积小，精度高，工作可靠 等优点，应用广泛。
编码器
6.2 内传感器
6.2.1 位移（位置）传感器
2、光电编码器
轴式
套式
电信号
二进制编码
• 满足机器人控制的要求 • 满足机器人自身安全和机器人使用者的安全性要求
6.1 机器人传感器概述
6.1.4 机器人传感器的分类
1)按被测物理量分类 常见的被测物理量
机械量:长度,厚度,位移,速度,加速度, 旋转角,转数,质量,重量,力,力矩;
热工量:温度、热量、比热容、热流、 热 分布、压力（压强）、压差、真空度、流 量、流速、物位、 液位、界面、噪声
第六章 电感式传感器
0
3
灵敏度：
L2
L0
0
1
0
0
2
0
3
K
L / L0
1 2
0
L
L1
L2
2L0
0
1
0
2
实际上由于线圈内部的磁场是不均匀的，电感量的增 量ΔL与△x存在着一定的非线性。
为提高灵敏度和线性度，螺线管型自感式传感器常 采用差动结构。
6.1 自感式传感器
广西大学电气工程学院
双螺管型差动型
L1
L2
u
x
特性曲线
等效电路
将传感器两线圈接于电桥 的相邻桥臂时，其输出灵 敏度可提高一倍，并改善 了非线性特性，还能减少 干扰影响。
• 对电源采取稳压、稳频、屏蔽、加滤波电容等 措施，可减弱或消除电源的影响。
• 铁芯磁感应强度的工作点一定要选在磁化曲线 的线性段，以免在电源电压波动时，铁芯磁感 应强度进入饱和区而使导磁率发生很大变动。
6.1 自感式传感器
零点残余电压及其补偿
在电桥预平衡时，无法实 现平衡，最后总要存在着 某个输出值ΔU0，这称为 零点残余电压
应在设计制造时采取措施， 保证两电感线圈的对称。
减少电源中的谐波成分 在测量电桥中接入可调电
位器 采用相敏整流电路
广西大学电气工程学院
理想状态
ΔU0
实际状态
uo
理想状态
实际状态
第六章 电感式传感器
广西大学电气工程学院
第六章-自感式传感器
L0
L10
L20
m
0W
2
mr
rc
l2 c
l2
k1
k2
m0W 2mr rc2
l2
综上所述，螺管式自感传感器的特点： ①结构简单，制造装配容易； ②由于空气间隙大，磁路的磁阻高，因此灵敏度低 ，但线性范围大； ③由于磁路大部分为空气，易受外部磁场干扰； ④由于磁阻高，为了达到某一自感量，需要的线圈 匝数多，因而线圈分布电容大； ⑤要求线圈框架尺寸和形状必须稳定，否则影响其 线性和稳定性。
2
3
（2）单线圈是忽略
0
以上高次项，差动式是忽略
0
以上偶次项，
因此差动式自感式传感器线性度得到明显改善。
*另一种形式： Π型
6 自感式传感器
6.1 工作原理 6.2 变气隙式自感传感器 6.3 变面积式自感传感器 6.4 螺线管式自感传感器 6.5 自感式传感器测量电路 6.6 自感式传感器应用举例
第6章 电感式传感器
电感式传感器是建立在电磁感应基础上，利用 线圈自感或互感的改变来实现测量的一种装置。它 可对直线位移和角位移进行直接测量，也可通过一 定的敏感元件把振动、压力、应变、流量等转换成 位移量而进行测量。通常可由下列方法使线圈的电 感变化：
(1)改变几何形状； (2)改变磁路的磁阻； (3)改变磁芯材料的导磁率； (4)改变一组线圈的两部分或几部分间的耦合度。
1. 交流电桥 2. 变压器电桥 3. 自感传感器的灵敏度
（一）交流电桥式测量电路
分析：
• 衔铁在初始位置时，电桥平衡
L1
L2
L0
W 2m0S 20
• 若衔铁上移，则：
1 0 ,2 0
第六章压电传感器
F Poling axis
应力(106 Pa)
20mm Open circuit Voltage F
Q=kF U=Q/C
19
苏州大学城市轨道交通学院
压电材料的应用 高压打火
压电体
20
苏州大学城市轨道交通学院
压电材料的应用 原子力显微镜中的应用 用作微小位移调节探针
high-voltage amplifier
31
苏州大学城市轨道交通学院
压电传感器的信号调节
电荷放大器(一般情况)
-k
ui 等效电路
Cf
C
Q
uo
Q uo = C + Cf + Cf k
qc + qcf = Q
uo = -kui
32
Cui + Cf(ui - uo )= Q
-Cuo /k + Cf(-uo /k - uo )= Q
苏州大学城市轨道交通学院
压电传感器的信号调节
Q uo = C + Cf + Cf k
选用高增益的运放： 电荷放大器的输出电压
K
Q uo = Cf
只与反馈电容的大小、压电体产生的电荷量有关， 而与压电体的电容、电缆的对地电容等无关。
33
苏州大学城市轨道交通学院
压电振动传感器 压电振动传感器
34
苏州大学城市轨道交通学院
37
苏州大学城市轨道交通学院
Typical Frequency Response Curve
low frequency limit determjned by RC roll-off characteristics
Usable Range
第6章光敏传感器
IA/ μA
100
75
2
50
25
1
0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5
Φ/1m
图6-1 光电管的光照特性 25
(3) 光电管的光谱特性
一般光电阴极材料不同的光电管对应不同 的红限频率，因此它们可用于不同的光谱范围。
另外，同一光电管对于不同频率的光的灵 敏度不同。以GD-4型光电管为例，阴极是用锑
紫外光
可见光
红外光
10 nm 380 nm 780 nm
1000,000 nm
性质：光都具有反射、折射、散射、衍
射、干涉和吸收等性质。
4
6.1.2 光源（发光器件） 1. 白炽光源
最为普通的是用钨丝通电加热作为光辐射源。 一般白炽灯的辐射光谱是连续的。
发光范围：320 nm~2500 nm, 所以任何光敏 元件都能和它配合接收到光信号。 特点：寿命短而且发热大、效率低、动态特性 差，但对接收光敏元件的光谱特性要求不高， 是可取之处。
倍增系数M
106 105 104 103
极间电压/V
25 50 75 100 125
最大灵敏度可达
图6-2 光电倍增管的特性
10A/lm不能受强光照射。
曲线
32
（3）暗电流和本底电流
由于环境温度、热辐射和其它因素的影响，即使 没有光信号输入，加上电压后阳极仍有电流，这 种电流称为暗电流。 在其受人眼看不到的宇宙射线的照射后，光电倍 增管会有电流信号输出—本底脉冲。
半导体激光器（如砷化镓激光器）
14
6.2 光电效应
两类：外光电效应和内光电效应。 6.2.1 外光电效应 在光的作用下，物体内的电子逸出物体表 面向外发射的现象叫做外光电效应。
《传感器技术》教学课件第6章
沿电轴方向施加作用力Fx时，在与电轴x垂直的平面上将产生电
荷， 其大小为
qx d11Fx
(6-2)
式中, d11为x方向受力的压电系数。
14
若在同一切片上，沿机械轴y方向施加作用力Fy，则电荷仍 在与x轴垂直的平面上产生，其大小为
qy
d12
a b
Fy
(6-3)
式中：d12——y轴方向受力的压电系数，根据石英晶体的对称性， 有d12=-d11；
在自然界中大多数晶体都具有压电效应，但压 电效应十分微弱。随着对材料的深入研究，发现石 英晶体、钛酸钡、锆钛酸铅等材料是性能优良的压 电材料。
7
表6-1 常用压电材料的性能参数
8
6.1.1 压电晶体
以石英晶体为例，它是单晶体中具有代表性同时也是应用 最广泛的一种压电晶体，化学式为SiO2。图6-2（a）表示了天 然结构的石英晶体外形是一个正六面体。
16
石英晶体具有压电效应与内部分子结构有关。图6-3 是一个单元组体中构成石英晶体的硅离子和氧离子，将 硅离子和氧离子在垂直于晶体z轴的xy平面上进行投影， 等效为一个正六边形排列。
当石英晶体未受外力作用时，正、负离子正好分布 在正六边形的顶角上，形成三个互成120°夹角的电偶
极矩P1、P2、P3。 如图6-4（a）所示。
29
压电材料的压电特性可以用压电方程表示，其矩阵形式是： 定义压电系数矩阵D为：
30
压电系数矩阵D是正确选择压电元件、受力状态、变形方 式、能量转换率以及晶片几何切型的重要依据。石英晶体压电 系数矩阵可表示为
式中独立的压电系数是d11和d14；压电系数矩阵可表示为：
其中独立的压电系数是d33、d31和d15三个。
(第6章)磁电式传感器
6.2.2 霍尔元件的应用
1．霍尔式微量位移的测量 ．
由霍尔效应可知，当控制电流恒定时， 由霍尔效应可知，当控制电流恒定时， 霍尔电压U与磁感应强度B成正比，若磁感 成正比， 的函数， 应强度B是位置x的函数，即 UH=kx 13） （6-13） 式中： ——位移传感器灵敏度 位移传感器灵敏度。 式中：ｋ——位移传感器灵敏度。
测量转速时，传感器的转轴1 测量转速时，传感器的转轴1与被测物 体转轴相连接，因而带动转子2转动。 体转轴相连接，因而带动转子2转动。当转 的齿与定子5的齿相对时，气隙最小， 子2的齿与定子5的齿相对时，气隙最小， 磁路系统中的磁通最大。而磁与槽相对时， 磁路系统中的磁通最大。而磁与槽相对时， 气隙最大，磁通最小。因此当转子2转动时， 气隙最大，磁通最小。因此当转子2转动时， 磁通就周期性地变化，从而在线圈3 磁通就周期性地变化，从而在线圈3中感应 出近似正弦波的电压信号， 出近似正弦波的电压信号，其频率与转速 成正比例关系。 成正比例关系。
2．霍尔元件基本结构 ．
霍尔元件的外形结构图，它由霍尔片、 霍尔元件的外形结构图，它由霍尔片、 根引线和壳体组成， 4根引线和壳体组成，激励电极通常用红色 而霍尔电极通常用绿色或黄色线表示。 线，而霍尔电极通常用绿色或黄色线表示。
图6-8阻 ）
I v= nebd
得
IB EH = nebd
IB UH = ned
式中： 称之为霍尔常数， 式中：令RH=1/ne，称之为霍尔常数， 其大小取决于导体载流子密度， 其大小取决于导体载流子密度，则
RH IB = K H IB UH = d
（6-12） 12）
称为霍尔片的灵敏度。 式中： 式中：KH=RH/d称为霍尔片的灵敏度。
传感器原理及应用第六章 磁电式传感器
两者工作原理是完全相同的。 当壳体随被测振动体一起 振动时, 由于弹簧较软, 运动部件质量相对较大。当振动频率 足够高（远大于传感器固有频率）时, 运动部件惯性很大, 来 不及随振动体一起振动, 近乎静止不动, 振动能量几乎全被弹 簧吸收, 永久磁铁与线圈之间的相对运动速度接近于振动体振 动速度, 磁铁与线圈的相对运动切割磁力线, 从而产生感应电 势为
（一）磁电感应式传感器的工作原理
电磁式传感器工作原理
当一个W匝线圈相对静止地处于随时间变化的磁场中时，设穿 过线圈的磁通为Ф，则整个线圈中所产生的感应电动势e为
e W d dt
（二）磁电感应式传感器的结构及特点
1、磁电感应式传感器的结构
磁电式传感器基本上由以下三部分组成： ①磁路系统：它产生一个恒定的直流磁场，为了减小传感器 体积，一般都采用永久磁铁； ②线圈：它与磁铁中的磁通相交产生感应电动势； ③运动机构：它感受被测体的运动使线圈磁通发生变化。
式(7 - 7)可得近似值:
γt ≈(-4.5%)/10 ℃
(Hale Waihona Puke - 8)这一数值是很可观的, 所以需要进行温度补偿。 补偿通常采
用热磁分流器。热磁分流器由具有很大负温度系数的特殊磁
性材料做成。它在正常工作温度下已将空气隙磁通分路掉一
小部分。当温度升高时, 热磁分流器的磁导率显著下降, 经它
分流掉的磁通占总磁通的比例较正常工作温度下显著降低, 从
而保持空气隙的工作磁通不随温度变化, 维持传感器灵敏度为
常数。
（三）磁电感应式传感器的转换电路
磁电式传感器直接输出感应电势, 且传感器通常具有较高 的灵敏度, 所以一般不需要高增益放大器。但磁电式传感器是 速度传感器, 若要获取被测位移或加速度信号, 则需要配用积 分或微分电路。 图为一般测量电路方框图
第6章 传感器网络
第6章 传感器网络
3)网络安全 无线传感器网络由于部署环境和传播介质的开放性,很 容易遭受到各种攻击,而作为一种源于军事应用领域的自组 织网络,其安全通信和认证技术显得尤为重要,需要制定一套 完善高效的安全保护机制为网络系统保驾护航。
第6章 传感器网络
3.故障诊断技术 无线传感器网络系统易发的故障类型有网络级故障和节 点级故障两类。网络级故障是指因网络通信协议或协作管理 方面的问题或其他原因造成的较大规模的故障,容易导致整 个网络系统的瘫痪,而且网络级故障的很大一部分诱因是构 成节点的部件本身发生了故障。节点级故障是指故障节点不 能与其他节点进行正常的通信,对网络的连通性和覆盖性造 成了影响,或者指故障节点虽然能够与其他节点进行正常通 信,但是其测量的数据是错误的,也会对整个网络的监测任务 带来影响。
第6章 传感器网络
3)网络层 网络层的主要任务是实现路由生成与路由选择,如分组 路由、网络互连、拥塞控制等。由于大多数传感器节点与基 站之间无法进行直接的通信,所以需要通过中间节点以多跳 路由的方式将数据传输至汇聚节点,在无线传感器网络的传 感器节点和汇聚节点之间根据特殊的路由协议建立传输路径, 保证数据的可靠传输。
第6章 传感器网络
无线传感器网络应用成功的关键,除了依赖上述基础服 务技术外,无线通信网络的功能与性能也非常重要,网络通信 协议、网络拓扑结构控制技术以及网络安全等多个方面的研 究也是无线传感器网络应用研究的核心任务。
第6章 传感器网络
1)网络通信协议 网络通信中最重要的就是网络通信协 议,局 域 网 中 目 前 最 常 用 的 网 络 通 信 协 议 有Microsoft的 NETBEUI、 NOVELL 的IPX/SPX 和 TCP/IP协议。受限于传感器节点的 计算能力、存储能力、通信资源以及能量,每个传感器节点 只能获取庞大网络中的部分拓扑信息,所以与传感器节点通 信的网络通信协议也不能过于复杂。 无线传感器网络通信协议要求使各个独立的传感器节点 相互连接并通信,形成一个多跳的网络结构,保证数据在网络 上的正确传输。
第6章压电式传感器课件
②逆压电效应 在这些电介质的极化方向上施加 电场，它们也会产生变形，电场去掉后，变形随之消 失，这种现象称逆压电效应，或电致伸缩效应。
6.1.1 压电效应
1.石英晶体的压电效应 石英晶体是最常用的压电晶
体 之 一 。 其 化 学 成 分 为 SiO2 ， 是 单晶体结构。它理想的几何形状 为正六面体晶柱，实际上两端为 晶锥形状。通过上下晶锥顶点的z 轴称为光轴，在此方向不产生压 电效应。
为了使压电陶瓷具有压电效 应，就必须在一定温度下对其进 行极化处理，即给压电陶瓷加外 电场，使电畴规则排列，从而具 备压电性能。
6.1.1 压电效应
外加电场的方向即是压电陶瓷的极化方向，通 常取沿z轴方向。左图为施加外电场时的情形。外加 电场去掉后，电畴极化方向基本保持原极化方向，如 右图所示。因此，压电陶瓷的极化强度不恢复为零， 而是存在着很强的剩余极化强度。
6.1.2 压电材料
(4)温度性能 要求压电材料具有较高的居里 点，以便获得较宽的工作温度范围，这是因为居 里点是压电材料开始失去压电效应的温度。
(5)长期稳定性 要求压电材料的压电特性不 随时间蜕变。
6.1.2 压电材料
1.压电晶体 由晶体学可知，无对称中心的晶体通常具有压
电效应，具有压电效应的单晶体统称为压电晶体。 石英晶体是最典型而常用的压电晶体，其特点是
P ql
式中，q为电荷量；l为正负电荷 间的距离。
6.1.1 压电效应
当石英晶体沿x轴方向被压缩时，沿y方向产生 拉伸变形，使正负离子的相对位置改变。P1、P2、P3 的矢量和不再为零，在x轴方向的分量小于零，因而 在x轴正方向的晶体表面上产生负电荷，在相对表面 上产生正电荷。
然而，电偶极矩的矢量和在 y轴和z轴的分量还是零，所以在 垂直于y轴和z轴的晶体表面上不 会出现电荷，d21＝d31＝0。
6.1.1 压电效应
1.石英晶体的压电效应 石英晶体是最常用的压电晶
体 之 一 。 其 化 学 成 分 为 SiO2 ， 是 单晶体结构。它理想的几何形状 为正六面体晶柱，实际上两端为 晶锥形状。通过上下晶锥顶点的z 轴称为光轴，在此方向不产生压 电效应。
为了使压电陶瓷具有压电效 应，就必须在一定温度下对其进 行极化处理，即给压电陶瓷加外 电场，使电畴规则排列，从而具 备压电性能。
6.1.1 压电效应
外加电场的方向即是压电陶瓷的极化方向，通 常取沿z轴方向。左图为施加外电场时的情形。外加 电场去掉后，电畴极化方向基本保持原极化方向，如 右图所示。因此，压电陶瓷的极化强度不恢复为零， 而是存在着很强的剩余极化强度。
6.1.2 压电材料
(4)温度性能 要求压电材料具有较高的居里 点，以便获得较宽的工作温度范围，这是因为居 里点是压电材料开始失去压电效应的温度。
(5)长期稳定性 要求压电材料的压电特性不 随时间蜕变。
6.1.2 压电材料
1.压电晶体 由晶体学可知，无对称中心的晶体通常具有压
电效应，具有压电效应的单晶体统称为压电晶体。 石英晶体是最典型而常用的压电晶体，其特点是
P ql
式中，q为电荷量；l为正负电荷 间的距离。
6.1.1 压电效应
当石英晶体沿x轴方向被压缩时，沿y方向产生 拉伸变形，使正负离子的相对位置改变。P1、P2、P3 的矢量和不再为零，在x轴方向的分量小于零，因而 在x轴正方向的晶体表面上产生负电荷，在相对表面 上产生正电荷。
然而，电偶极矩的矢量和在 y轴和z轴的分量还是零，所以在 垂直于y轴和z轴的晶体表面上不 会出现电荷，d21＝d31＝0。
第6章 电动势式传感器
成形工艺性好，成本低廉，得到了广泛 的应用。
6.1.1 压电式传感器的工作原理
3．新型压电材料-压电半导体
有些晶体材料既有半导体性质，又具有压电 效应，如硫化锌（ZnS）、碲化镉（CdTe）、 氧化锌（ZnO）、硫化镉（CdS）、碲化锌 （ZnTe）和砷化镓（GaAs）等。
因此既可利用其压电效应制成传感器，又可 利用其半导体特性制成电子器件，也可以两 者结合，集元件与线路于一体，研制成新型 集成压电式传感器测试系统。近些年，就利 用氧化锌的压电效应来制作纳米发电机，实 现了纳米机器的自我供电。
结束
6.1 压电式传感器
压电式传感器是一种典型的自发电式传 感器（也称有源传感器），它的工作原 理基于压电效应，即某些材料受力后在 其表面产生电荷的现象。压电式传感器 主要用于力的测量和可以转变为力的非 电量的测量。因此，压电元件是一种力 敏感元件，可以测量那些可以转换为力 的非电物理量，如力、压力、加速度、 力矩等。
6.1.1 压电式传感器的工作原理
1．压电效应-正压电效应
Hale Waihona Puke 图6.1分别绘出了某种压电材料在各种受力条件下产生电荷的 情况。从图6.1中可以看出，改变压电材料的受力方向，可以 改变其产生的电荷的极性。实验表明，压电材料的线应变、 剪应变、体积应变都可以使其表面产生电荷，利用压电效应 可以制造出感受各种外力的传感元件，用压电材料制造的传 感元件称作压电元件。
如果外加电场以很高的频率按正弦规律变化， 压电元件的机械形变也将按正弦规律快速变 化，使压电元件产生机械振动，超声波发射 元件就是利用这种效应制作的。
6.1.1 压电式传感器的工作原理
1．压电效应-逆压电效应
利用正压电效应制成的压电式传感器，可将 力、压力、振动、加速度等非电量转换为电 量，从而进行精密测量。
6.1.1 压电式传感器的工作原理
3．新型压电材料-压电半导体
有些晶体材料既有半导体性质，又具有压电 效应，如硫化锌（ZnS）、碲化镉（CdTe）、 氧化锌（ZnO）、硫化镉（CdS）、碲化锌 （ZnTe）和砷化镓（GaAs）等。
因此既可利用其压电效应制成传感器，又可 利用其半导体特性制成电子器件，也可以两 者结合，集元件与线路于一体，研制成新型 集成压电式传感器测试系统。近些年，就利 用氧化锌的压电效应来制作纳米发电机，实 现了纳米机器的自我供电。
结束
6.1 压电式传感器
压电式传感器是一种典型的自发电式传 感器（也称有源传感器），它的工作原 理基于压电效应，即某些材料受力后在 其表面产生电荷的现象。压电式传感器 主要用于力的测量和可以转变为力的非 电量的测量。因此，压电元件是一种力 敏感元件，可以测量那些可以转换为力 的非电物理量，如力、压力、加速度、 力矩等。
6.1.1 压电式传感器的工作原理
1．压电效应-正压电效应
Hale Waihona Puke 图6.1分别绘出了某种压电材料在各种受力条件下产生电荷的 情况。从图6.1中可以看出，改变压电材料的受力方向，可以 改变其产生的电荷的极性。实验表明，压电材料的线应变、 剪应变、体积应变都可以使其表面产生电荷，利用压电效应 可以制造出感受各种外力的传感元件，用压电材料制造的传 感元件称作压电元件。
如果外加电场以很高的频率按正弦规律变化， 压电元件的机械形变也将按正弦规律快速变 化，使压电元件产生机械振动，超声波发射 元件就是利用这种效应制作的。
6.1.1 压电式传感器的工作原理
1．压电效应-逆压电效应
利用正压电效应制成的压电式传感器，可将 力、压力、振动、加速度等非电量转换为电 量，从而进行精密测量。
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第 6 章
霍尔传感器
3. 磁场垂直于霍尔薄片， 磁感应强度为______， 但磁场 方向与图6-1 相反（q=180 °）时， 霍尔电势______， 因此霍 尔元件可用于测量交变磁场。 A. 绝对值相同， 符号相反 B. 绝对值相同， 符号相同 C. 绝对值相反， 符号相同 D. 绝对值相反， 符号相反
第 6 章
霍尔传感器
第6章 霍尔传感器
6.1 6.2 6.3 习题 实验、 实验、 实训建议 工作原理 霍尔集成电路 霍尔式位移传感器
本章小结
第 6 章
霍尔传感器
6.1 工作原理
6.1.1 霍尔元件的结构 霍尔元件的结构
金属或半导体薄片置于磁感应强度为B的磁场中， 磁场 方向垂直于薄片， 如图6-1(a)所示。 当有电流I流过薄片时， 在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势EH， 这种现象 称为霍尔效应， 该电动势称为霍尔电动势（Hall emf）。 上 述半导体薄片称为霍尔元件。
图6-1 霍尔元件示意图 (a） 霍尔效应原理图; (b） 薄膜型霍尔元件结构示意图; (c） 图形符号; (d） 外形
第 6 章
霍尔传感器
6.1.2 霍尔式传感器的工作原理
用霍尔元件做成的传感器称为霍尔传感器（Hall Transducer）。 由实验可知， 流入激励电流端的电流 I 越大、 作用在薄 片上的磁场强度B越强， 霍尔电动势也就越高。 霍尔电动势EH可用下式表示： EH=kHIB 式中， kH为霍尔元件的灵敏度。 （6-1）
第 6 章
霍尔传感器
图6-12 霍尔应力检测装置 (a) 剪切应力； (b) 压应力
第 6 章
霍尔传感器
本 章 小 结
霍尔式传感器是基于霍尔效应原理而将被测量， 如电流、 磁场、 位移、 压力、 压差、转速等转换成电动势输出的一种 传感器。 虽然它的转换率较低， 温度影响大， 要求转换精 度较高时必须进行温度补偿， 但霍尔式传感器结构简单， 体 积小， 坚固， 频率响应宽（从直流到微波）， 动态范围（输 出电动势的变化）大， 无触点， 使用寿命长， 可靠性高， 易 于微型化和集成电路化， 因此在测量技术、 自动化技术和信 息处理等方面得到广泛的应用。
图6-11 基于位移传感的霍尔流量计
第 6 章
霍尔传感器
5. 霍尔应力检测装置 图6-12所示为用来进行钢界面上的法向和切向应力检测的 霍尔传感器装置。 箭头所指是施加的外力方向。 在图6-12(a) 中， 仪器上用钢制作成上下两个块， 它们之间有两条较细的 梁支撑， 在钢块上置一销柱， 销柱上贴两对永磁体， 形成均 匀梯度磁场， 在上块上贴两个霍尔传感器， 受剪切力作用后， 支撑梁发生形变， 使霍尔传感器和磁场间发生位移， 传感器 输出发生变化。
第 6 章
霍尔传感器
图6-3 开关型霍尔集成电路 （a） 外形尺寸；（b） 内部电路框图
第 6 章
霍尔传感器
图6-4 线性型霍尔集成电路输பைடு நூலகம்特性
第 6 章
霍尔传感器
图6-5 开关型霍尔集成电路的史密特输出特性
第 6 章
霍尔传感器
第 6 章
霍尔传感器
6.3 霍尔式位移传感器 霍尔式位移传感器
第 6 章
霍尔传感器
目前最常用的霍尔元件材料是由锗（Ge）、 硅（Si）、 锑化铟（InSb）、 砷化铟（InAs）以及不同比例的亚砷酸铟 和磷酸铟组成的In（AsyP1-y）型固熔体（其中y表示百分比） 等半导体材料。 其中N型锗容易加工制造， 其霍尔系数、 温 度性能和线性度都较好。 N型硅的线性度最好， 其霍尔系数、 温度性能同N型锗， 但其电子迁移率比较低， 带负载能力较 差， 通常不用作单个霍尔元件。
第 6 章
霍尔传感器
图6-2、 图6-3分别是线性型霍尔集成电路UNG3501和开 关型霍尔集成电路UNG3020的外形及内部电路框图， 图6-4、 图6-5分别是其输出电压与磁场的关系曲线。 表6-1示出 UNG3020（OC门）的输出状态与磁感应强度的关系。
第 6 章
霍尔传感器
图6-2 线性型霍尔集成电路内部电路框图
第 6 章
霍尔传感器
其焊接处称为控制电流极（或称激励电极）， 要求焊接 处接触电阻很小， 并呈纯电阻， 即欧姆接触（无PN结特 性）。 在薄片的另两侧端面的中间以点的形式对称地焊有 c、 d两根霍尔输出引线， 通常用绿色导线。 其焊接处称为霍 尔电极， 要求欧姆接触， 且电极宽度与基片长度之比要小于 0.1， 否则影响输出。 霍尔元件的壳体是用非导磁金属、 陶瓷 或环氧树脂封装。
第 6 章
霍尔传感器
锑化铟对温度最敏感， 尤其在低温范围内温度系数大， 但在室温时其霍尔系数较大。 砷化铟的霍尔系数较小， 温度 系数也较小， 输出特性线性度好。 In（AsyP1-y）型固熔体的 热稳定性最好。 图6-1（c）为霍尔元件符号， 图6-1（d）是 它封装后的外形。
第 6 章
霍尔传感器
第 6 章
第 6 章
霍尔传感器
7. OC门的基极输入为低电平， 其集电极不接上拉电阻时， 集电极的输出为______。 A. 高电平 B. 低电平 C. 高阻态 D. 对地饱和导通 8. 为保证测量精度， 图6-3 中的线性霍尔IC的磁感应强度 不宜超过 ______为宜。 A. 0T B. +0.10T C. +0.15T D. +100Gs
第 6 章
霍尔传感器
习
一、 单项选择题 1. 属于四端元件的是 A. 应变片 D. 热敏电阻
题
______。 C. 霍尔元件 ______。
B. 压电晶片
2. 公式EH = kHIB cosθ中的角θ是指
A. 磁力线与霍尔薄片平面之间的夹角 B. 磁力线与霍尔元件内部电流方向的夹角 C. 磁力线与霍尔薄片的垂线之间的夹角
第 6 章
霍尔传感器
霍尔元件属于四端元件： 其中一对（即a、b端）称为激 励电流端， 另外一对（即c、d端）称为霍尔电动势输出端， c、d端一般应处于侧面的中点。 霍尔元件的外形如图6-1（b）所示， 它是由霍尔片、 4根 引线和壳体组成。 霍尔片是一块矩形半导体单晶薄片（一般 为4×2×0.1 mm3）， 在它的长度方向两端面上焊有a、 b两 根引线， 称为控制电流端引线， 通常用红色导线。
第 6 章
霍尔传感器
图6-9 霍尔加速度传感器的结构及其静态特性
第 6 章
霍尔传感器
3． 霍尔振动传感器 图6-10所示为一种霍尔机械振动传感器。 图中， 1为霍尔 元件， 固定在非磁性材料的平板2 上， 平板2 紧固在顶杆3 上， 顶杆3通过触点4与被测对象接触， 随之做机械振动。 元件1 置于磁系统6 中。 当触头4靠在被测物体上时， 经顶杆3、 平板2使霍尔元件在磁场中按被测物的振动频率振动， 霍尔元 件输出的霍尔电压的频率和幅度反映了被测物的振动规律。
第 6 章
霍尔传感器
6.2 霍尔集成电路 霍尔集成电路
6.2.1 霍尔集成电路的特点 霍尔集成电路的特点
随着微电子技术的发展, 目前霍尔器件多已集成化。 霍 尔集成电路（又称霍尔IC）有许多优点， 如体积小、 灵敏度 高、 输出幅度大、 温漂小、 对电源稳定性要求低等。
第 6 章
霍尔传感器
第 6 章
霍尔传感器
图6-6
第 6 章
霍尔传感器
若令霍尔元件的工作电流保持不变， 而使其在一个均匀 梯度磁场中移动， 它输出的霍尔电压UH值只由它在该磁场中 的位移量∆Z 来决定。 图6-7示出三种产生梯度磁场的磁系统 及其与霍尔器件组成的位移传感器的输出特性曲线， 将它们 固定在被测系统上， 可构成霍尔微位移传感器。 从曲线可见， 结构（b）在∆Z<2 mm时， UH与∆Z有良好的线性关系， 且分 辨力可达1 µm， 结构（c）的灵敏度高， 但工作距离较小。
图6-6是一种霍尔效应位移传感器工作原理。 将霍尔元 件置于磁场中， 左半部磁场方向向上， 右半部磁场方向向下， 从 a端通入电流i， 根据霍尔效应， 左半部产生霍尔电 势UH1， 右半部产生霍尔电势UH2， 其方向相反。
第 6 章
霍尔传感器
因此， c、 d两端电势为UH1－UH2。 如果霍尔元件在初始 位置时UH1=UH2， 则输出为零； 当改变磁极系统与霍尔元件 的相对位置时， 即可得到输出电压， 其大小正比于位移量。
第 6 章
霍尔传感器
图6-7 三种产生梯度磁场的磁系统和几种霍尔位移传感器的静态特性
第 6 章
霍尔传感器
6.3.2 霍尔位移传感器的特性及应用
用霍尔元件测量位移的优点很多： 惯性小、 频响快、 工 作可靠、 寿命长。 以微位移检测为基础， 可以构成压力、 应力、 应变、 机 械振动、 加速度、 重量、 称重等霍尔传感器。
第 6 章
霍尔传感器
4. 霍尔元件采用恒流源激励是为了 ______。 A. 提高灵敏度 B. 克服温漂 C. 减小不等位电势
5. 减小霍尔元件的输出不等位电势的办法是 ______。 A. 减小激励电流 B. 减小磁感应强度
C. 使用电桥调零电位器
第 6 章
霍尔传感器
6. 多将开关型霍尔 IC制作成具有史密特特性是为了 ______*， 其回差（迟滞）越大， 它的______*能力就越强。 ( 注： *表示填写的内容相同。) A. 增加灵敏度 B. 减小温漂 C. 抗机械振动干扰
第 6 章
霍尔传感器
若磁感应强度B不垂直于霍尔元件， 而是与其法线成某一 角度θ时， 实际上作用于霍尔元件上的有效磁感应强度是其法 线方向（与薄片垂直的方向）的分量， 即B cosθ， 这时的 霍尔电动势为 EH=kHIB cosθ （6-2） 从式（6-2）可知， 霍尔电动势与输入电流 I、 磁感应强度B 成正比， 且当B的方向改变时， 霍尔电动势的方向也随之改 变。 如果所施加的磁场为交变磁场， 则霍尔电动势为同频率 的交变电动势。