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1、西 安 工 業(yè) 大 學(xué) 機(jī) 電 學(xué) 院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 等 方 面 的 測 量 。材 料 ： 砷 化 銦 （ InAs） 銻 化 銦 （ InSb） 鍺 （ Ge） 等 西 安 工 業(yè) 大 學(xué) 機(jī) 電 學(xué) 院 UH IB N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 ） 置 于 一 磁 場 中 ， 在 板 長 方 向 通 以控 制 電 流
2、I時 ， 板 的 側(cè) 向 （ 寬 度 ） 會 產(chǎn) 生 電 動 勢 差 霍 爾 電 壓 ， 此 現(xiàn) 象為 霍 爾 效 應(yīng) 西 安 工 業(yè) 大 學(xué) 機(jī) 電 學(xué) 院IBKdIBRU HHH HR 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 HK 靈 敏 度 系 數(shù) ， 由 材 料 物 理 性
3、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 。 西 安 工 業(yè) 大 學(xué) 機(jī) 電 學(xué) 院 2） 霍 爾 元 件 基 本 結(jié) 構(gòu) 2、 2 兩 根 引 線 加 激 勵 電 壓 或 電 流 ， 稱 為 激 勵 電 極 ； 1、 1 引 線 為 霍 爾 輸出 引 線 ， 稱 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 脂封 裝 而 成 。 在 電 路 中 霍 爾 元 件 可 用 兩 種 符 號 表 示 由 霍 爾 片 、 引 線 和 殼 體 組
4、 成 。 霍 爾 片 是 一 塊 矩 形 半 導(dǎo) 體單 晶 薄 片 ， 引 出 四 個 引 線 。 西 安 工 業(yè) 大 學(xué) 機(jī) 電 學(xué) 院 3） 應(yīng) 用 霍 爾 元 件 具 有 結(jié) 構(gòu) 簡 單 、 體 積 小 、 動 態(tài) 特 性 好 和 壽 命 長 的優(yōu) 點 ,它 首 先 是 用 來 測 磁 場 的 ， 還 可 用 來 測 產(chǎn) 生 或 影 響 磁 場的 物 理 量 （ 如 電 流 ） 。a.電 流 傳 感 器當(dāng) 電 流 流 過 導(dǎo) 線 時 ， 將 在 導(dǎo) 線 周 圍 產(chǎn) 生 磁 場 ， 磁 場 大 小 與 流 過 導(dǎo) 線 的 電流 大 小 成 正 比 ， 這 一 磁 場 可 以 通 過 軟 磁
5、 材 料 來 聚 集 ， 然 后 用 霍 爾 器 件 進(jìn)行 檢 測 。 西 安 工 業(yè) 大 學(xué) 機(jī) 電 學(xué) 院b.位 移 測 量 西 安 工 業(yè) 大 學(xué) 機(jī) 電 學(xué) 院 西 安 工 業(yè) 大 學(xué) 機(jī) 電 學(xué) 院磁 性 轉(zhuǎn) 盤 的 輸 入 軸 與 被 測 轉(zhuǎn)軸 相 連 , 當(dāng) 被 測 轉(zhuǎn) 軸 轉(zhuǎn) 動 時 , 磁 性 轉(zhuǎn) 盤 隨 之 轉(zhuǎn) 動 , 固 定 在磁 性 轉(zhuǎn) 盤 附 近 的 霍 爾 傳 感 器便 可 在 每 一 個 小 磁 鐵 通 過 時產(chǎn) 生 一 個 相 應(yīng) 的 脈 沖 , 檢 測出 單 位 時 間 的 脈 沖 數(shù) , 便 可知 被 測 轉(zhuǎn) 速 。c.轉(zhuǎn) 速 測 量 西 安 工 業(yè) 大 學(xué)
6、 機(jī) 電 學(xué) 院案 例 ： 汽 車 速 度 測 量 西 安 工 業(yè) 大 學(xué) 機(jī) 電 學(xué) 院d.無 損 探 傷 鐵 磁 材 料 受 到 磁 場 激 勵 時 ， 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 發(fā) 生 彎 曲 ， 使 局 部 磁 場 發(fā) 生 畸 變 。 用 霍 爾探 頭 檢 出 這 種 畸 變 ， 經(jīng) 過 數(shù) 據(jù) 處 理 ， 可 辨 別 出 缺 陷 的 位 置 ， 性 質(zhì) （ 孔
7、或裂 紋 ） 和 大 小 （ 如 深 度 、 寬 度 等 )霍 爾 無 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 等 方 面 得 到 廣 泛 應(yīng) 用 。 西 安 工 業(yè) 大 學(xué) 機(jī) 電 學(xué) 院N S 西 安 工 業(yè) 大 學(xué) 機(jī) 電 學(xué) 院4.6 熱 敏 傳 感 器 1)雙 金 屬 溫 度 計 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 ， 可 將 溫 度 變 化 轉(zhuǎn) 換 成 機(jī) 械 量 變化 。 優(yōu) 點 ：結(jié) 構(gòu) 簡 單牢 固
8、可 靠防 爆 西 安 工 業(yè) 大 學(xué) 機(jī) 電 學(xué) 院2） 熱 電 溫 度 計 (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 閉 合回 路 ， 當(dāng) 兩 個 接 點 溫 度 不 同 時 ， 在 回 路 中 就 會 產(chǎn)生 熱 電 勢 ， 形 成 電 流 ， 此 現(xiàn) 象 稱 為 熱 電 效 應(yīng) 。 西 安 工 業(yè) 大 學(xué) 機(jī) 電 學(xué) 院熱 電 偶 測 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 度 以 及 溫 度 分 布 如 何 均 不 產(chǎn) 生 熱
9、 電 動 勢 。T T0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 影 響 熱 電 偶 回 路 的 總 熱 電 動 勢 。 T T0 V 西 安 工 業(yè) 大 學(xué) 機(jī) 電 學(xué) 院參 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 勢 為 已 知 ， A和 B兩 極 配 對 后 的 熱 電 動 勢 可用 下 式 求 得 ： ),(),(),( 000 TTETTETTE CBACA
10、B ABT T0= ACT T0 CBT T0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 。 西 安 工 業(yè) 大 學(xué) 機(jī) 電 學(xué) 院熱 電 偶 是 工 業(yè) 上 最 常 用 的 溫 度 檢 測 器件 之 一 。測 量 精 度 高 。 因 熱 電 偶 直 接 與 被 測 對 象接 觸 ， 不 受 中 間 介 質(zhì) 的 影 響 。測 量 范 圍 廣 。 常 用 的 熱 電 偶 從-50 +1600 均 可 連 續(xù) 測 量 ，某 些 特 殊 熱 電 偶 最 低 可 測 到 -269 （ 如 金 鐵 鎳 鉻 ） ， 最 高 可達(dá) +2800 （ 如
11、鎢 -錸 ） 。 構(gòu) 造 簡 單 ， 使 用 方 便 。 西 安 工 業(yè) 大 學(xué) 機(jī) 電 學(xué) 院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 。 西 安 工 業(yè) 大 學(xué) 機(jī) 電 學(xué) 院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)
12、 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 。 西 安 工 業(yè) 大 學(xué) 機(jī) 電 學(xué) 院水 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 等 西 安 工 業(yè) 大 學(xué) 機(jī) 電 學(xué) 院4.7氣 敏 傳 感 器 氣 體 與 人 類 日 常 生 活 密 切 相 關(guān) ， 對 氣 體 的 檢 測 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
13、化 碳 濃 度 達(dá) 0.8 1.15 ml/L時 ， 就 會出 現(xiàn) 呼 吸 急 促 ， 脈 搏 加 快 ， 甚 至 暈 厥 。 還 有 易 燃 、 易 爆 氣 體 、酒 精 等 的 探 測 。 煙 霧 報 警 器 酒 精 傳 感 器 二 氧 化 碳 傳 感 器 西 安 工 業(yè) 大 學(xué) 機(jī) 電 學(xué) 院 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 ， 電 阻 發(fā) 生 變 化 。從 而 使 氣 敏 元 件 電 阻 值 隨 被 測 氣 體 的 濃 度 改 變 而 變 化
14、 。 西 安 工 業(yè) 大 學(xué) 機(jī) 電 學(xué) 院燃 氣 報 警 器 酒 精 傳 感 器 西 安 工 業(yè) 大 學(xué) 機(jī) 電 學(xué) 院4.8 CCD固 態(tài) 圖 象 傳 感 器 (電 荷 耦 合 器 件 ) MOS(Metal Oxide Semiconductor)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 金 屬 -氧 化 物 -半 導(dǎo) 體 結(jié) 構(gòu) 元 (MOS)。 西 安 工 業(yè) 大 學(xué) 機(jī) 電 學(xué) 院 在 半 導(dǎo) 體 硅 片 上 按 線 陣
15、 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 感 生 出 一 幅 與 光 照 強(qiáng) 度相 對 應(yīng) 的 光 生 電 荷 圖 像 。 西 安 工 業(yè) 大 學(xué) 機(jī) 電 學(xué) 院特 點 : (1) 組 成 測 試 儀 器 可 測 量 物 位 、 尺 寸 、 工 件 損 傷 、 自動 對 焦 ; 條 形 碼 掃 描 器應(yīng) 用 :(1) 寬 度 測 量 ; （ 2) 外 徑 測 量 ; (3) 主 軸 徑 向 跳 動 測 量 (2) 作 光 學(xué) 信 息 處 理 裝 置 的 輸 入 環(huán) 節(jié) ，
16、可 用 于傳 真 技 術(shù) 、 光 學(xué) 文 字 識 別 與 圖 像 識 別 、 光 譜 測量 等 ； (3) 作 自 動 流 水 線 裝 置 中 的 敏 感 器 件 ， 可 用于 機(jī) 床 、 自 動 售 貨 、 自 動 搬 運 及 自 動 監(jiān) 視 裝 置等 方 面 。 西 安 工 業(yè) 大 學(xué) 機(jī) 電 學(xué) 院數(shù) 碼 相 機(jī) 西 安 工 業(yè) 大 學(xué) 機(jī) 電 學(xué) 院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 16 Hz的 機(jī) 械 波聲 波 頻 率 在 16 2 104 Hz之 間 , 能 為 人
17、 耳 所 聞 的 機(jī) 械 波超 聲 波 高 于 2 104 Hz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 西 安 工 業(yè) 大 學(xué) 機(jī) 電 學(xué) 院超 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 , 由 于 在 兩 種 介 質(zhì) 中 傳播 速 度 不 同 , 在 介 質(zhì) 面 上 會 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) ： 西 安 工 業(yè) 大 學(xué) 機(jī) 電 學(xué) 院2） 超 聲 傳
18、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 工 作 的 :發(fā) 射 探 頭 產(chǎn) 生 超 聲 波 ；接 收 探 頭 將 超 聲 振 動 波 轉(zhuǎn) 換 成 電 信 號 壓 電 式 ：實 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 介 質(zhì) 發(fā) 射 超 聲 波 ， 同 時 又 利 用 它 接 收 從該 介 質(zhì) 中 反 射 回 來 的 超 聲 波 ， 并 將 該 反
19、 射 波 轉(zhuǎn) 換 為 電 信 號 輸 出 。 西 安 工 業(yè) 大 學(xué) 機(jī) 電 學(xué) 院3） 超 聲 傳 感 器 的 應(yīng) 用 物 位 傳 感 器 如 果 從 發(fā) 射 超 聲 脈 沖 開始 , 到 接 收 到 反 射 波 為止 的 這 個 時 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 物 位 進(jìn) 行 測 量 。 超 聲 波 在 液 體 中 傳 播 （ 衰 減 小 ） 西 安 工 業(yè) 大 學(xué) 機(jī) 電 學(xué) 院 流 量 傳 感 器 超 聲 波 傳 輸 時 間 差 法超 聲 波 在 靜 止 流 體 和 流 動 流 體 中 的 傳 輸 速 度 是
20、 不 同 的 , 利 用 這一 特 點 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 。 vcLt 1順 流 ： vcLt 2逆 流 ： 2212 2 vc Lvttt tLcv 22 西 安 工 業(yè) 大 學(xué) 機(jī) 電 學(xué) 院倒 車 雷 達(dá) 西 安 工 業(yè) 大 學(xué) 機(jī) 電 學(xué) 院魚 群 探 測 器 西 安 工 業(yè) 大 學(xué) 機(jī) 電 學(xué) 院4.10 其 他 類 型 傳 感 器 1） 熱 輻 射 檢 測 傳 感 器 絕 對 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
21、、 軋 制 、 磨 削 加 工 以 及 各種 熱 加 工 過 程 中 都 涉 及 到 動 態(tài) 溫 度 場 的 檢 測 問 題 。2） 聲 發(fā) 射 檢 測 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 ?？?用 于 材 料 斷 裂 等 結(jié) 構(gòu) 檢 測 西 安 工 業(yè) 大 學(xué) 機(jī) 電 學(xué) 院3） 生 物 傳 感 器 發(fā) 酵 工 業(yè) ： 谷 氨 酸 葡 萄 糖 檢 測 醫(yī) 學(xué) ： 血 糖 乳 酸 測 定檢 測 對 象 中 含 生 命 物 質(zhì) 。 根 據(jù) 敏 感 物 質(zhì) 不 同 ,生
22、 物 傳 感 器 分酶 傳 感 器 、 微 生 物 傳 感 器 、 組 織 傳 感 器 、 細(xì) 胞 器 傳 感 器 、免 疫 傳 感 器 等 。 熱 /光 電 信 號微 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 西 安 工 業(yè) 大 學(xué) 機(jī) 電 學(xué) 院血 糖 乳 酸 測 定 流 程 德 國 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 西 安 工 業(yè) 大 學(xué) 機(jī) 電 學(xué) 院工 廠 發(fā) 酵 車 間 化 驗員 正 在 分 析 樣 品 西 安 工 業(yè) 大 學(xué) 機(jī) 電 學(xué) 院 集
23、成 傳 感 器 多 傳 感 器 集 成電 路 集 成 可 進(jìn) 行 多 參 數(shù) 測 量 和 綜 合 處 理各 種 調(diào) 節(jié) 電 路 和 補(bǔ) 償 電 路信 號 放 大 和 阻 抗 變 換 電 路信 號 數(shù) 字 化 和 信 號 處 理 電 路4） 智 能 傳 感 器 將 傳 感 器 與 微 型 計 算 機(jī) 集 成 在 一 塊芯 片 上 ， 其 主 要 特 征 是 將 敏 感 技 術(shù) 和 信 息 處 理 技 術(shù) 相結(jié) 合 西 安 工 業(yè) 大 學(xué) 機(jī) 電 學(xué) 院嵌 入 式 計 算 機(jī) 智 能 傳 感 器 智 能 傾 角 RS232傳 感 器 等條 件 調(diào) 節(jié) 和 環(huán) 境 補(bǔ) 償 能 力 （ 溫 度 、 壓 力 ） 自 動 校 正 、 自 選 量 程 、 輸 出 線 性 化 通 訊 能 力故 障 診 斷 處 理 能 力邏 輯 和 判 斷 能 力 等智 能 傾 角 RS232傳 感 器嵌 入 式 計 算 機(jī) 智 能 壓 力 網(wǎng) 絡(luò)傳 感 器
測試技術(shù) 第六章霍爾式及其他
