物性傳感器3.3.4霍爾傳感器1霍爾效應(yīng)

半導(dǎo)體薄片置于磁場(chǎng)中，當(dāng)它的電流方向與磁場(chǎng)方向不一致時(shí)，半導(dǎo)體薄片上平行于電流和磁場(chǎng)方向的兩個(gè)面之間產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，這種現(xiàn)象稱霍爾效應(yīng)。產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)稱霍爾電勢(shì)半導(dǎo)體薄片稱霍爾元件霍爾效應(yīng)原理載流子受洛侖茲力霍爾電場(chǎng)強(qiáng)度q為電子電量1.602*10-19Cv電子遷移速度霍爾常數(shù)霍爾常數(shù)大小取決于導(dǎo)體的載流子密度：金屬的自由電子密度太大，因而霍爾常數(shù)小，霍爾電勢(shì)也小，所以金屬材料不宜制作霍爾元件?；魻栯妱?shì)與導(dǎo)體厚度d成反比：為了提高霍爾電勢(shì)值，霍爾元件制成薄片形狀。半導(dǎo)體中電子遷移率（電子定向運(yùn)動(dòng)平均速度）比空穴遷移率高，因此N型半導(dǎo)體較適合于制造靈敏度高的霍爾元件，霍爾元件的主要功能當(dāng)磁場(chǎng)和環(huán)境溫度一定時(shí):霍爾電勢(shì)與控制電流I成正比，可測(cè)電流或能轉(zhuǎn)換成電流的非電量當(dāng)控制電流和環(huán)境溫度一定時(shí):霍爾電勢(shì)與磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度B成正比，可測(cè)磁場(chǎng)（感應(yīng)）強(qiáng)度，并得到電流值，如鉗形表，雷電流測(cè)量當(dāng)環(huán)境溫度一定時(shí):輸出的霍爾電勢(shì)與I和B的乘積成正比，利用這種乘法關(guān)系，可制成模擬運(yùn)算的乘法、開方、平方、除法等運(yùn)算器。測(cè)量以上電量時(shí)，應(yīng)在沒有外磁場(chǎng)和室溫變化條件下進(jìn)行?；魻栐慕Y(jié)構(gòu)和基本電路霍爾元件圖（a）中，從矩形薄片半導(dǎo)體基片上的兩個(gè)相互垂直方向側(cè)面上，引出一對(duì)電極，其中1-1’電極用于加控制電流，稱控制（激勵(lì)）電極。另一對(duì)2-2’電極用于引出霍爾電勢(shì)，稱霍爾電勢(shì)輸出極或霍爾電極。在基片外面用非磁性金屬或陶瓷、環(huán)氧樹脂等封裝作為外殼。N型硅靈敏系數(shù)、溫度特性線性度較好，常用，還有銻（砷）化銦圖（b）是霍爾元件通用的圖形符號(hào)?；魻柺絺鞲衅鞯膽?yīng)用優(yōu)點(diǎn):

結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，重量輕，頻帶寬，動(dòng)態(tài)特性好和壽命長(zhǎng)應(yīng)用：電磁測(cè)量：測(cè)量恒定的或交變的磁感應(yīng)強(qiáng)度、有功功率、無功功率、相位、電能等參數(shù)；自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)：多用于位移、壓力的測(cè)量。其他類型傳感器超聲波傳感器微波傳感器紅外探測(cè)器射線傳感器離子敏傳感器諧振式傳感器超聲波傳感器聲波：16~20kHz人耳朵能聽見的波次聲波：<16kHz的波，亞聲波超聲波：>20kHz的波，超聲波，一般要求功率密度P=發(fā)射功率/發(fā)射面積≥0.3w/cm2傳感器原理：一般有發(fā)射和接收兩只探頭，發(fā)射探頭發(fā)出的超聲脈沖波在介質(zhì)中傳播到相界面經(jīng)過反射后，再返回到接收探頭，從而測(cè)出距離。微波傳感器微波：紅外線波長(zhǎng)介于可見光和微波之間，微波波長(zhǎng)1mm~1m（300MHz~300GHz），是毫米波、厘米波和分米波的總稱。比無線電波頻率高，故稱“超高頻電磁波”微波特點(diǎn)：能夠穿越塑料、陶瓷，被水吸收，遇金屬反射傳感器原理：也有發(fā)射天線和接收天線分為反射式和遮斷式。反射式：反射式傳感器通過檢測(cè)被測(cè)物反射回來的微波功率或經(jīng)過時(shí)間間隔，來表達(dá)被測(cè)物的位置、厚度等參數(shù)。遮斷式：遮斷式傳感器通過檢測(cè)接收天線接收到的微波功率的大小來判斷發(fā)射天線與接收天線間有無被測(cè)物或被測(cè)物的位置等參數(shù)。紅外探測(cè)器紅外線：波長(zhǎng)在770納米至1毫米之間，在光譜上位于紅色光外側(cè)。具有很強(qiáng)熱效應(yīng)，并易于被物體吸收，通常被作為熱源。透過云霧能力比可見光強(qiáng)。結(jié)構(gòu)：由光學(xué)系統(tǒng)、敏感元件、前置放大器和信號(hào)調(diào)制器組成。類型：反射式紅外探測(cè)器和投射式紅外探測(cè)器反射式紅外探測(cè)器它由凹面玻璃反射鏡組成，其表面鍍金、鋁和鎳鉻等紅外波段反射率很高的材料構(gòu)成反射式光學(xué)系統(tǒng)。為了減小像差或使用上的方便，常另加一片次鏡，使目標(biāo)輻射經(jīng)兩次反射聚集到敏感元件上，敏感元件與鏡組合一體，前置放大器接收熱電轉(zhuǎn)換后的電信號(hào)，并對(duì)其進(jìn)行放大。射線式傳感器由放射源和探測(cè)器組成利用射線式傳感器進(jìn)行測(cè)量時(shí)，都要有發(fā)射出αβ或Y射線的輻射源。射線源：選擇射線源應(yīng)盡量提高檢測(cè)靈敏度和減小統(tǒng)計(jì)誤差較長(zhǎng)的半衰期及合適的放射強(qiáng)度，二十種左右探測(cè)器：核輻射的接收器，如電離室、閃爍等計(jì)數(shù)器輻射源容器離子敏傳感器一種對(duì)離子具有選擇敏感作用的場(chǎng)效應(yīng)晶體管（ISFET）結(jié)構(gòu)離子選擇性電極（ISE）+金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管（MOSFET）構(gòu)成簡(jiǎn)稱ISFET管原理：將ISFET插入溶液時(shí)，在被測(cè)溶液與敏感膜接觸處會(huì)產(chǎn)生一定的界面電勢(shì)，大小取決于溶液濃度諧振（頻率）式傳感器能將被測(cè)量轉(zhuǎn)換為頻率信號(hào)，容易數(shù)字化，具備數(shù)字信號(hào)的優(yōu)點(diǎn)：測(cè)量精度和分辨力比模擬式的要高抗干擾性和穩(wěn)定性好；便于傳輸、處理和存儲(chǔ)；易于實(shí)現(xiàn)多路檢測(cè)。諧振式傳感器原理分為：電的、機(jī)械的和原子的三類。機(jī)械式：振弦式傳感器原理：以被拉緊了的鋼弦作為敏感元件，其振動(dòng)頻率與拉緊力的大小、弦的長(zhǎng)度有關(guān)。當(dāng)振弦的長(zhǎng)度確定后，弦振動(dòng)頻率的變化量便表示拉力的大小，且輸入是力，輸出是頻率。特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單牢固、測(cè)量范圍大、靈敏度高、測(cè)量線路簡(jiǎn)單，廣泛用于大壓力的測(cè)試，也可用來測(cè)量位移、扭矩、力和加速度等。其缺點(diǎn)是：對(duì)傳感器材料和加工工藝要求很高，而傳感器的精度較低，總精度約±1．5％。振筒是敏感元件，壁厚為0.07~0.12mm，其一端固定，另一端密封可以自由運(yùn)動(dòng)。圓筒材料必須是能夠構(gòu)成閉合磁回路的磁性材料，并且彈性溫度系數(shù)很低(如用合金材料)。外保護(hù)筒用來防止外磁場(chǎng)的干擾并起機(jī)械保護(hù)作用。振筒和外保護(hù)筒之間為真空參考室，作為參考標(biāo)準(zhǔn)。振筒式傳感器振筒式傳感器用振筒的固有振動(dòng)頻率來測(cè)量有關(guān)參數(shù)，其固有頻率取決于筒的形狀、大小、材料和筒周圍的介質(zhì)等。應(yīng)用均勻薄壁圓筒作敏感元件，是年來新技術(shù)。這種傳感器的優(yōu)點(diǎn)是遲滯誤差和漂移誤差極小、固定性好、分辨率高以及輕便、成本低。主要用于測(cè)量氣體的密度和壓力。傳感器的選用原則傳感器的使用條件所測(cè)量的流體、固體對(duì)傳感器的影響；傳感器對(duì)被測(cè)對(duì)象的質(zhì)量(負(fù)荷)效應(yīng)；安裝現(xiàn)場(chǎng)條件及環(huán)境條件(溫度、濕度、振動(dòng)等)信號(hào)的傳輸距離；傳感器的輸出端的連接方式；傳感器對(duì)所測(cè)量物理量的實(shí)際值的影響；傳感器是否符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)或工業(yè)規(guī)范；傳感器的失效形式；傳感器的維護(hù)、安裝傳感器的標(biāo)定方法；傳感器的安裝方式；過載保護(hù)。使用工作人員所具備的最低技術(shù)能力傳感器的選用原則傳感器所接數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及輔助設(shè)備傳感器所連接數(shù)據(jù)系統(tǒng)的一般性質(zhì)；數(shù)據(jù)系統(tǒng)主要單元的性質(zhì)，其中包括數(shù)據(jù)傳輸連接方式、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方法、數(shù)據(jù)顯示方式；數(shù)據(jù)系統(tǒng)的精確性和頻率的響應(yīng)特性；傳感器系統(tǒng)的負(fù)荷阻抗特性；傳感器的輸出是否需要進(jìn)行頻率濾波和幅值變換及其處理方法；數(shù)據(jù)系統(tǒng)對(duì)傳感器輸出誤差檢測(cè)或校正能力。關(guān)于購(gòu)置與維護(hù)項(xiàng)目傳感器的價(jià)格；出廠日期；服務(wù)體制；備件；保修期間，傳感器的選用-指標(biāo)靈敏度靈敏度高，意味著傳感器感知的變化量小一般來講，檢測(cè)精度越高要求傳感器具有較高的靈敏度當(dāng)靈敏度高時(shí)，與測(cè)量信號(hào)無關(guān)的外界噪聲也容易混入，并且噪聲也會(huì)被放大系統(tǒng)放大。為此，往往要求信噪比越大越好，即要求傳感器本身噪聲小，且不易從外界引入干擾噪聲當(dāng)輸人量增大時(shí)，傳感器不應(yīng)進(jìn)入非線性區(qū)，更不能進(jìn)入飽和區(qū)域檢測(cè)工作在較強(qiáng)的噪聲干擾下進(jìn)行時(shí)，包括干擾量，兩者的疊加不能進(jìn)入非線性區(qū)在保證量程的情況下盡可能提高靈敏度傳感器的選用-指標(biāo)線性范圍任何傳感器都有一定的線性范圍，在線性范圍內(nèi)輸出與輸入成比例關(guān)系。傳感器工作在線性區(qū)域內(nèi)，是保證測(cè)量精度的基本條件。線性范圍越寬，表明傳感器的工作量程越大。任何傳感器都不容易保證其絕對(duì)線性，某些情況下，在保證檢測(cè)精度的前提下，可利用其近似線性區(qū)。例如，變間隙型電容傳感器、電感式傳感器等，均采用在初始間隙附近的近似線性區(qū)內(nèi)工作。選用時(shí)必須考慮被測(cè)物理量的變化范圍，令其非線性誤差在允許的范圍之內(nèi)。自動(dòng)檢測(cè)時(shí)，可利用微機(jī)系統(tǒng)，通過軟件對(duì)傳感器的輸出特性進(jìn)行線性補(bǔ)償，往往可以使其線性范圍擴(kuò)大很多。傳感器的選用-指標(biāo)穩(wěn)定性穩(wěn)定性表示傳感器經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間使用以后，其輸出特性不發(fā)生變化的性能，和傳感器在正常工作條件下，環(huán)境參數(shù)變化對(duì)其輸出特性影響程度的指標(biāo)。為保證穩(wěn)定性，在選定傳感器之前，應(yīng)對(duì)使用環(huán)境進(jìn)行調(diào)查，以選擇較合適的傳感器類型。例如濕度會(huì)影響電阻應(yīng)變式傳感器的絕緣性能；溫度的變化將產(chǎn)生零點(diǎn)漂移等。磁電式傳感器在電場(chǎng)或磁場(chǎng)中工作時(shí)，亦會(huì)帶來測(cè)量誤差等等。傳感器的選用-指標(biāo)精確度傳感器的精確度表示傳感器的輸出與被測(cè)量的對(duì)應(yīng)程度。實(shí)際工作中，并非要求傳感器的精確度越高越好。如果是屬于相對(duì)比較性的試驗(yàn)研究，只需要求傳感器的精密度高，而無需要求絕對(duì)量值。如果是進(jìn)行定量分析，要求傳感器要有足夠高的精確度。例如，超精密切削機(jī)床，為研究其運(yùn)動(dòng)部件的定位精度、主軸回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)誤差、振動(dòng)及熱變形等，往往要求測(cè)量精度在0.15~0.015mm范圍內(nèi)，要測(cè)得這樣的量值，必須選用高精度的傳感器。傳感器的選用-指標(biāo)測(cè)量方法:(非)接觸測(cè)量、（非）在線測(cè)量接觸與非接觸測(cè)量：在機(jī)械系統(tǒng)中，運(yùn)動(dòng)部件的被測(cè)參數(shù)(例如回轉(zhuǎn)軸的運(yùn)動(dòng)誤差、振動(dòng)、扭矩等)往往采用接觸測(cè)量，有許多實(shí)際因素，諸如測(cè)量頭的磨損、接觸狀態(tài)的變動(dòng)等都不易妥善解決，也易造成測(cè)量誤差，同時(shí)給信號(hào)的采集帶來困難。若采用電容式、電渦流式等非接觸傳感器將帶來很大方便。破壞與非破壞測(cè)量：在要求對(duì)測(cè)試件進(jìn)行破壞性檢驗(yàn)，如果合理地選擇檢測(cè)方法，可以把破壞性檢測(cè)用非破壞性檢測(cè)(如渦流探傷、超聲探傷、核輻射探傷、測(cè)厚等)來代替。在線實(shí)時(shí)檢測(cè)，各種新型在線實(shí)時(shí)檢測(cè)傳感器的研制，是當(dāng)前檢測(cè)技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要方向。傳感器的選用-其他在選擇測(cè)量范圍或刻度范圍時(shí)，希望平時(shí)使用的指示是在滿量程的50％以上，以保證其精度。傳感器的響應(yīng)速度要與輸入信號(hào)的頻帶相符，以便得到良好的信噪比。同時(shí)還要考慮傳感器的精度保持范圍。精度高的一般售價(jià)高，而且也不能隨便的使用。除傳感器的設(shè)置場(chǎng)所以外，其安裝方法也要給予注意，有關(guān)的外形尺寸和重量等也有必要了解。對(duì)于傳感器工作在危險(xiǎn)地點(diǎn)和苛刻的環(huán)境，傳感器最重要的是可靠性和安全性。盡可能從已作為標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品的商品中選擇傳感器，無論從價(jià)格上還是從維修上都是上策。某些特殊使用場(chǎng)合，無法選到合適的傳感器，則需自行設(shè)計(jì)傳感器應(yīng)用注意事項(xiàng)使用前必須要認(rèn)真閱讀使用說明書。正確地安裝傳感器注意傳感器的使用安全性傳感器和測(cè)量?jī)x表必須可靠連接，系統(tǒng)應(yīng)有良好的接地，遠(yuǎn)離強(qiáng)電場(chǎng)、強(qiáng)磁場(chǎng)。感器和儀表應(yīng)遠(yuǎn)高強(qiáng)腐蝕性物體，遠(yuǎn)離易燃、易爆物品。儀器輸入端與輸出端必須保持干燥和清潔。傳感器在不用