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4.9 霍尔传感器 利用半导体的霍尔效应进行测量的一种非接触式传感器 一. 霍耳效应 长为l、宽为b、厚为d的半导体薄片置于磁场中，当长度方向有电流通过时，在垂直于电流和磁场的方向上(即宽度方向)将产生横向电场，这种物理现象称为霍尔效应，相应的电压称为霍尔电压。 二. 霍耳传感器 基于霍尔效应工作的半导体器件称为霍尔元件，霍尔元件多采用N型半导体材料。霍尔元件越薄(d越小)，KH就越大，薄膜霍尔元件厚度只有1μm左右。 目前最常用的霍尔元件材料有锗(Ge)、硅(Si)、锑化铟(InSb)、砷化铟(InAs)等半导体材料。 三. 霍耳传感器的特点与应用 霍尔元件在静止状态下，具有感受磁场的独特能力； 具有结构简单、体积小、噪声小、频率范围宽、动态范围大(输出电势变化范围可达1000:1)、寿命长等特点，获得广泛应用。 在测量技术中用于将位移、力、加速度等量转换为电量的传感器；在计算技术中用于作加、减、乘、除、开方、乘方以及微积分等运算的运算器等。 4.10 数字式传感器 4.11 传感器信号处理电路 电桥电路 电桥电路具有灵敏度高、测量范围宽、容易实现补偿等优点； 是传感器电路中应用极为普通的基本电路。 直流电桥 输入端(供桥端) AC：接入直流电源U0(供桥电压)； 输出端(测量端) BD：输出电压UBD。 测量时常用全等臂电桥，即 R1 = R2=R3 = R4 ， 1. 直流电桥的输出特性 2. 直流电桥的基本特性 3. 电桥常用工作方式 单臂测量 半桥双臂测量 半桥对臂测量 全桥测量 交流电桥 例1 例2 结构型和物性型的传感器 结构型传感器：依靠传感器结构参数的变化实现信号转换。例如，电容式传感器依靠极板间距离变化引起电容量变化；电感式传感器依靠衔铁位移引起自感或互感变化等 物性型传感器：依靠敏感元件材料本身物理性质的变化来实现信号变换。例如利用水银的热胀冷缩现象制成水银温度计来测温；利用石英晶体的压电效应制成压电测力计等。 能量型(有源)和参数型(无源)的传感器 能量 (有源)型传感器：将机械量直接转换成电量。常见的有磁电式、电动式、压电式等。 参数 (无源)型传感器：将机械参数的变化转换成电参量的变化。如电阻、电感和电容等的变化，常见的有电阻式、电感式、电容式等。 传感器的选用原则 灵敏度 响应特性 线性范围 稳定性 精确度 工作方式 灵敏度 灵敏度越高，则： 可以感知的变化量越小； 外界干扰噪声被放大； 传感器的测量范围越小。 响应特性 在所测频率范围里尽量保持不失真； 滞后时间尽量小； 工作频率范围尽量宽。 线性范围 线性范围越宽，则工作量程越大； 工作在线性区域内是保证测量精度的基本条件； 在许可限度内，传感器也可工作在近似线性区域。 稳定性 稳定性是指经长期使用后，输出特性不发生变化； 影响因素：时间与环境。 精确度 表示传感器输出与被测量的对应程度； 选择时应考虑经济性。 工作方式 接触或非接触测量； 破坏或非破坏测量； 在线或非在线测量。 结果不仅实现了温度补偿，而且使电桥的输出为单片测量时的4倍 合理利用电桥的加减特性，可通过不同的组桥方式来消除不需要的成分，提高测量灵敏度。 * * 霍尔电压为： 若磁场方向与半导体薄片法线方向不垂直，夹角α，则： RH——霍尔系数，反应霍尔效应的强弱，由材料物理性质决定。 KH——霍尔元件灵敏度，与元件材料及尺寸有关；表示霍尔元件在单位磁感应强度和单位激励电流下霍尔电压的大小。 转速测量——霍尔转速传感器(图4-61) 位移测量——霍尔位移传感器(图4-62) 接近开关 (图4-63) 数字式传感器直接将非电量转换为数字量，采集时不需要进行A/D转换； 具有使用方便、抗干扰能力强、适用于远距离传输等优点； 数字传感器分为两类： 代码型：以编码形式产生数字信号； 计数型：将连续信号处理后输出为离散脉冲信号 测量系统的性能不仅取决于传感器本身，而且也取决于信号处理电路的性能，好的信号处理电路甚至可以在一定程度上弥补传感器本身的不足。 信号处理电路对传感器输出信号进行各种形式的处理，将信号调制成能被数据采集系统接受或能驱动记录设备的标准信号； 良好的信号处理电路应该对有用信号起增益作用，对噪声干扰起屏蔽或过滤的作用。 电桥电路：可方便地检测出某些电参量的微小变化，将其转换为电压或电流输出；基本的信号处理电路。 放大器：将微弱的输出信号放大以方便于进行采集；重要的信号处理电路。 滤波器：消除或抑制测量中可能出现的噪声信号；重要的信号处理电路。 常用的传感器信号处理电路 直流电桥：只能用于测量电阻的变化。 交流电桥：可用于测量电阻、电感和电容的变化。 —输入为直流电源，桥臂为纯电阻 桥臂1为工作片称为单臂测量； 相邻桥臂1