3.13
综合传感器实验(1)
传感器是实验测量获取信息的重要环节, 通常传感器是指一个完整的测量系统或装置, 它能感受规 定的被测量并按一定规律转换成输出信号, 传感器给出的信号是电信号, 而它感受的信号不必是电信号 , 因此这种转换在非电量的电测法中应用极为广泛. 目前传感器技术发展极为迅速, 已经逐渐形成为一门新的学科, 其应用领域十分广泛, 如现代飞行技术 , 计算机技术,工业自动化技术以及基础研究等,传感技术已成为现代信息技术的三大基础之一. ZCY—Ⅱ综合传感器实验仪,内含配备有十三种传感器和产生位移,应变,振动,转动,热学量等多种 物理量的试验台,电压/频率表和直流毫伏表等多种测量仪表,音频信号源,低频信号源以及直流稳压 电源等多种激励源, 以及十余种信号调理单元等几大部分, 此外还配备数据采集器及微机接口和实验处 理软件. 各单元部件的多种组合可以进行几十种传感器的实验; 在外配双线示波器的情况下可以进行各 种动态演示实验;在外配计算机的情况可以进行数据采集,实验数据处理,打印等多种功能,从而实现 从测量到处理的整个实验系统一体化. 综合传感器实验主要是列举出其中的某个传感器做综合实验, 用 以了解传感器的特点和特性,具有举一反三的作用. 【实验目的】 (l)了解霍尔式传感器的结构,工作原理和工作情况. (2)了解霍尔式传感器直流激励下的静态位移性能. (3)了解霍尔式传感器直流激励下振动时的幅频特性及工作情况. 【实验原理】 传感器由敏感元件和转换元件构成. 敏感元件是指传感器中能直接感受或响应被测量的部分; 转换 元件是指传感器中能将敏感元件感受或响应到的量转换成电信号(见图 1) .
图1
传感器的输入量可分为静态量和动态量两类. 静态量指稳定状态的信号或变化极其缓慢的信号 (准 静态) .动态量通常指周期信号,瞬变信号或随机信号.无论对动态量或静态量,传感器输出电量都应 当不失真地复现输入量的变化. 这主要取决于传感器的静态特性和动态特性. 本实验主要研究霍尔传感 器在直流激励下的静态特性及振动时的动态特性. 1.霍尔效应 在与磁场垂直的半导体薄片(霍尔片)上通以电流 I,假设载流子为电子(n 型半导体材料) ,它沿 与电流 I 相反的方向运动,由于洛仑兹力 f 的作用电子将向一侧偏转,并使该侧形成电子的积累,而另 一侧形成正电荷积累,于是元件的横向便形成了电场.该电场阻止电子继续向侧面偏移,当电子所受到 的电场力 F 与洛仑兹力 f 相等时,电子的积累达到动态平衡.这时在两横端面之间建立的电场称为霍尔 电场 E,相应的电势称为霍尔电势 U.这一现象称为霍尔效应,利用霍尔效应制成的传感元件称霍尔传 感器.
图 2 霍尔效应原理图
设电子以相同的速度 v 运动, 在磁感应强度 B 的磁场作用下, 并设其正电荷所受洛仑兹力方向为正 , 则电子受到的洛仑兹力可用下式表示:
f = evB
其中 e 为电子电量. 与此同时,霍尔电场作用于电子的力 F 可表示为
(1)
F =e
其中 b 为霍尔元件的宽度.
U b
(2)
当 f,F 达到动态平衡时,二力代数和为零,即 F + f = 0 ,于是得
vB =
是电流强度 I 可表示为
U b
(3)
又因为:电流密度 j = nev ,n 为单位体积中的电子数,负号表示电子运动方向与电流方向相反.于
I = nevbd
式(4)中 d 为霍尔元件的厚度.那么,
(4)
v = I nebd
综合式(3)和式(5) 得 ,
(5)
U = IB ned
若设 K = 1 ned ,则
(6)
(7) K 为霍尔元件的灵敏度,表示霍尔元件在单位磁感应强度和单位控制电流作用下霍尔电势的大小. 当控制电流的方向或磁场方向改变时,输出电势的方向也将改变,若电流和磁场同时改变方向时, 霍尔电势方向不变. 霍尔电势的大小正比于控制电流 I 和磁感应强度 B, 灵敏度 K 表示在单位磁感应强度和单位控制电 流时输出霍尔电势的大小,一般要求越大越好,元件的厚度 d 越薄,K 越大,所以霍尔元件的厚度都很 薄. 当载流材料和几何尺寸确定后,霍尔电势的大小只和控制电流 I 和磁感应强度 B 有关,因此霍尔传 感器可用来探测磁场和电流,由此可测量压力,振动等. 2.霍尔传感器在直流激励下的静态特性
U = KIB
图 3 是霍尔式位移传感器的磁路结构示意图, 在极性相反, 磁场强度相同的两个磁钢气隙中放置一 块霍尔片,当控制电流恒定不变时,若磁场在一定范围内沿 x 方向的变化率 dB dx 为一常数,如图 4 所示.

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