传感器_08磁电式传感器.ppt

传感器原理及应用 机械与汽车工程学院 主 讲：黄海鸿 电 邮：allenhuanghaihong@163.com 地 址：机械楼417室 有源 vs 无源传感器 传感器按照能量关系分类 有源传感器：传感器直接由被测对象输入能量使其工作，属于能量转换型。如：压电式传感器、光电池等。 无源传感器：传感器从外部获得能量使其工作，由被测量的变化控制外部供给能量的变化。由于不能直接转换能量形式，必须通过由外部提供激励源（电源等），传感器控制对应的输出值，从而反映被测量的某种特性，属于能量控制型。如：电阻式、电感式等。 光生伏特效应 光线照射半导体的PN结 光生伏特效应 将掺有不同杂质的P、N型半导体置于同一块硅片上，在它们的交界处形成的空间电荷区称为PN结 P型半导体中有许多带正电荷的空穴和带负电荷的电离杂质。空穴在电场作用下可以自由移动，但电离杂质（离子）始终固定不动。N型半导体中有许多负电子和正离子 当P、N型半导体接触时，在界面附近空穴从P-N区域扩散，而电子从N-P区域扩散；空穴和电子相遇而复合，载流子消失。在界面附近的结区中，没有载流子，但分布着带电的固定离子，该区域称为空间电荷区。正、负离子在界面附近产生电场，阻止载流子进一步扩散，达到平衡，形成耗尽区 光生伏特效应 平衡状态（无外加电压） 加正向偏压：电流从P-N，空穴和电子都向界面运动，空间电荷区变窄甚至消失，电流通过 加反向偏压：空穴和电子向反方向运动，空间电荷区变宽，电流不能通过 光电池和光敏二极管的比较 光电池 硅光电池使用一个PN结。当光照到PN结区时，如果光子能量足够大，将在结区附近激发出电子-空穴对，界面层附近的电子和空穴在复合之前，将通过空间电荷的电场作用被相互分离。在内电场作用下，在N区聚积负电荷，P区聚积正电荷，使N区和P区之间出现电位差。若将PN结两端用导线连起来，电路中有电流流过，电流的方向由P区流经外电路至N区。若将外电路断开，就可测出光生电动势 由于PN结面积较大，极间电容大，因此频率特性较差（硅光电池的频率特性较好） 光电池和光敏二极管的比较 光电池的光照特性 短路电流与光强基本成线性关系，而开路电压与光强成非线性关系。因此，在作为测量元件时，应将其作为电流源使用，而不是电压源 内阻抗无穷大，能够输出一定电流信号的电源装置称为“电流源”。而当电源内阻大于负载阻抗十倍以上时，即可将其视为电流源 内阻抗等于零，能够输出一定电压信号的电源装置称为“电压源”。而当电源内阻小于负载阻抗十倍以上时，即可将其视为电压源 光电池和光敏二极管的比较 光敏二极管 基本结构也是一个PN结，在电路中一般是处于反向工作状态 在没有光照射时，反向电阻很大，反向电流很小，光敏二极管处于截止状态 受光照射时，PN结附近受光子轰击，吸收其能量而产生电子-空穴对，从而使P区和N区的少数载流子浓度大大增加。在外加反向偏压和内电场的作用下，P区的少数载流子渡越阻挡层进入N区，N区的少数载流子渡越阻挡层进入P区，从而使通过PN结的反向电流大为增加，形成了光电流，光敏二极管处于导通状态 光电池和光敏二极管的比较 光电池 vs 光敏二极管 光敏二极管的PN结的面积小，因此频率特性特别好 均应用光生伏特效应，光照时在PN结之间产生光生电势，但光敏二极管的输出电流普遍比光电池小，一般为几μA到几十μA 光电池相当于一个大面积的光敏二极管 光敏二极管的光照特性是线性的，所以适合检测等方面的应用 第八章 磁电式传感器 以电磁感应原理为基础，以霍尔效应、压磁效应或动生电动势为依据，将磁信号转变成电信号的器件 测量对象：电流、磁场、位移、压力、压差、转速等物理量 第一节 霍尔传感器 第二节 磁电感应式传感器 8.1 霍尔传感器 利用半导体材料的霍尔效应进行测量的一种传感器。它可以直接测量磁场及微位移量，也可以间接测量液位、压力等工业生产过程参数 霍尔效应 在置于磁场的导体或半导体中通入电流，若电流与磁场垂直，则在与磁场和电流都垂直的方向上产生电势差 8.1 霍尔传感器 产生的霍尔电势EH与作用于半导体薄片上的磁场强度B之间的关系为： EH = KH IB 式中，I为控制电流；KH为灵敏度系数 当磁场垂直于薄片时，电子受到洛仑兹力的作用，向内侧偏移，在薄片c、d方向的端面之间产生霍尔电势 8.1 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? 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，此时霍尔电势为 EH=KHIBcos? 霍尔电势与输入电流I、磁感应强度B成正比，且当B的方向改