《传感器：第八章固态传感器.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《传感器：第八章固态传感器.ppt（161页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。
1、 第八章第八章 固态传感器固态传感器 固态传感器是指利用材料的物理性质在外部因固态传感器是指利用材料的物理性质在外部因固态传感器是指利用材料的物理性质在外部因固态传感器是指利用材料的物理性质在外部因素作用发生变化，这一原理做成的传感器。这类传素作用发生变化，这一原理做成的传感器。这类传素作用发生变化，这一原理做成的传感器。这类传素作用发生变化，这一原理做成的传感器。这类传感器主要以半导体、电介质、铁电体等为敏感材料。感器主要以半导体、电介质、铁电体等为敏感材料。感器主要以半导体、电介质、铁电体等为敏感材料。感器主要以半导体、电介质、铁电体等为敏感材料。与其它传感器相比有以下特点：与其它传感器相
2、比有以下特点：与其它传感器相比有以下特点：与其它传感器相比有以下特点：1.1.基于物性变化，无运动部件，结构简单，体基于物性变化，无运动部件，结构简单，体基于物性变化，无运动部件，结构简单，体基于物性变化，无运动部件，结构简单，体积小；积小；积小；积小；2.2.动态响应好、且输出为电量；动态响应好、且输出为电量；动态响应好、且输出为电量；动态响应好、且输出为电量；3.3.易于集成化、智能化；易于集成化、智能化；易于集成化、智能化；易于集成化、智能化；4.4.低功耗、安全可靠；低功耗、安全可靠；低功耗、安全可靠；低功耗、安全可靠；主要缺点有：线性度差、温漂大、过载能力差、主要缺点有：线性度差、温
3、漂大、过载能力差、主要缺点有：线性度差、温漂大、过载能力差、主要缺点有：线性度差、温漂大、过载能力差、性能参数离散性大。性能参数离散性大。性能参数离散性大。性能参数离散性大。一、霍尔元件一、霍尔元件一、霍尔元件一、霍尔元件（一）霍尔效应（一）霍尔效应（一）霍尔效应（一）霍尔效应 如图，在与磁场垂直的半导体薄片上通以电流如图，在与磁场垂直的半导体薄片上通以电流如图，在与磁场垂直的半导体薄片上通以电流如图，在与磁场垂直的半导体薄片上通以电流I I，垂直于电流方向出现电压垂直于电流方向出现电压垂直于电流方向出现电压垂直于电流方向出现电压U UH H，这一现象称为霍尔效应。，这一现象称为霍尔效应。，这
4、一现象称为霍尔效应。，这一现象称为霍尔效应。8.1 8.1 磁敏传感器磁敏传感器 半导体中形成电流的定向移动电荷，受洛仑兹力半导体中形成电流的定向移动电荷，受洛仑兹力半导体中形成电流的定向移动电荷，受洛仑兹力半导体中形成电流的定向移动电荷，受洛仑兹力作用，产生偏移，电荷受到的洛仑兹力作用，产生偏移，电荷受到的洛仑兹力作用，产生偏移，电荷受到的洛仑兹力作用，产生偏移，电荷受到的洛仑兹力由于电荷偏移产生霍尔电场，霍尔电场对电荷的作用由于电荷偏移产生霍尔电场，霍尔电场对电荷的作用由于电荷偏移产生霍尔电场，霍尔电场对电荷的作用由于电荷偏移产生霍尔电场，霍尔电场对电荷的作用力为力为力为力为随着电荷在洛仑
5、兹力作用下偏转，霍尔电场加强，最随着电荷在洛仑兹力作用下偏转，霍尔电场加强，最随着电荷在洛仑兹力作用下偏转，霍尔电场加强，最随着电荷在洛仑兹力作用下偏转，霍尔电场加强，最终达到动态平衡，两力值相等，即终达到动态平衡，两力值相等，即终达到动态平衡，两力值相等，即终达到动态平衡，两力值相等，即又因为又因为又因为又因为于是电流强度可表示为于是电流强度可表示为于是电流强度可表示为于是电流强度可表示为代入前面式子得代入前面式子得代入前面式子得代入前面式子得（二）霍尔系数和灵敏度（二）霍尔系数和灵敏度（二）霍尔系数和灵敏度（二）霍尔系数和灵敏度设设设设 ，则上式变为，则上式变为，则上式变为，则上式变为 称
6、为霍尔系数，由材料性质决定。称为霍尔系数，由材料性质决定。称为霍尔系数，由材料性质决定。称为霍尔系数，由材料性质决定。由电阻率公式由电阻率公式由电阻率公式由电阻率公式 ，得，得，得，得一般电子的迁移率大于空穴的迁移率，因此多采用一般电子的迁移率大于空穴的迁移率，因此多采用一般电子的迁移率大于空穴的迁移率，因此多采用一般电子的迁移率大于空穴的迁移率，因此多采用N N型半导体材料作为霍尔元件。型半导体材料作为霍尔元件。型半导体材料作为霍尔元件。型半导体材料作为霍尔元件。定义霍尔元件灵敏度定义霍尔元件灵敏度定义霍尔元件灵敏度定义霍尔元件灵敏度于是于是于是于是由前面公式可看出：由前面公式可看出：由前面
7、公式可看出：由前面公式可看出：1.1.由于金属的电子浓度很高，它的霍尔系数很小，不由于金属的电子浓度很高，它的霍尔系数很小，不由于金属的电子浓度很高，它的霍尔系数很小，不由于金属的电子浓度很高，它的霍尔系数很小，不适合制作霍尔元件；适合制作霍尔元件；适合制作霍尔元件；适合制作霍尔元件；2.2.元件厚度越小，灵敏度越高；元件厚度越小，灵敏度越高；元件厚度越小，灵敏度越高；元件厚度越小，灵敏度越高；当磁感应强度与霍尔平面法线成角度当磁感应强度与霍尔平面法线成角度当磁感应强度与霍尔平面法线成角度当磁感应强度与霍尔平面法线成角度 时，霍时，霍时，霍时，霍尔电压为尔电压为尔电压为尔电压为 通常霍尔元件使
8、用时两端加的电压为通常霍尔元件使用时两端加的电压为通常霍尔元件使用时两端加的电压为通常霍尔元件使用时两端加的电压为E E ，将前面，将前面，将前面，将前面公式中的电流改写为电压更方便。根据电阻公式公式中的电流改写为电压更方便。根据电阻公式公式中的电流改写为电压更方便。根据电阻公式公式中的电流改写为电压更方便。根据电阻公式上面霍尔电压公式可写为上面霍尔电压公式可写为上面霍尔电压公式可写为上面霍尔电压公式可写为（三）材料及结构特点（三）材料及结构特点（三）材料及结构特点（三）材料及结构特点 霍尔元件一般采用霍尔元件一般采用霍尔元件一般采用霍尔元件一般采用N N型锗（型锗（型锗（型锗（GeGe）、锑
9、化铟）、锑化铟）、锑化铟）、锑化铟（InSbInSb）和砷化铟（）和砷化铟（）和砷化铟（）和砷化铟（InAsInAs）。锑化铟元件霍尔电压输）。锑化铟元件霍尔电压输）。锑化铟元件霍尔电压输）。锑化铟元件霍尔电压输出大，但受温度影响也大；锗输出小，温度性能和线出大，但受温度影响也大；锗输出小，温度性能和线出大，但受温度影响也大；锗输出小，温度性能和线出大，但受温度影响也大；锗输出小，温度性能和线性较好。性较好。性较好。性较好。霍尔元件结构参见下图。霍尔元件结构参见下图。霍尔元件结构参见下图。霍尔元件结构参见下图。（四）基本电路形式（四）基本电路形式（四）基本电路形式（四）基本电路形式 基本电路图
10、见右基本电路图见右基本电路图见右基本电路图见右图。图。图。图。2007.10.25JGLX303-2007.10.25JGLX303-（五）电磁特性（五）电磁特性（五）电磁特性（五）电磁特性1.1.U UH HI I 特性特性特性特性 当磁场恒定时，在一定温度下控制电流当磁场恒定时，在一定温度下控制电流当磁场恒定时，在一定温度下控制电流当磁场恒定时，在一定温度下控制电流I I与霍尔电与霍尔电与霍尔电与霍尔电压压压压U UH H的关系，称为的关系，称为的关系，称为的关系，称为U UH HI I 特性。参见下图。特性。参见下图。特性。参见下图。特性。参见下图。定义定义定义定义U UH HI I 特
11、性直线的特性直线的特性直线的特性直线的斜率为控制电流灵敏度，斜率为控制电流灵敏度，斜率为控制电流灵敏度，斜率为控制电流灵敏度，即即即即由前面公式得由前面公式得由前面公式得由前面公式得2.U2.UH H B B特性特性特性特性 当控制电流恒定时，元件开路霍尔电压与磁感应当控制电流恒定时，元件开路霍尔电压与磁感应当控制电流恒定时，元件开路霍尔电压与磁感应当控制电流恒定时，元件开路霍尔电压与磁感应强的的关系，称为强的的关系，称为强的的关系，称为强的的关系，称为U UH H B B特性。通常特性。通常特性。通常特性。通常U UH H B B 关系不关系不关系不关系不完全是线性关系。参见完全是线性关系。
12、参见完全是线性关系。参见完全是线性关系。参见下图。下图。下图。下图。（六）误差分析及其补偿方法（六）误差分析及其补偿方法（六）误差分析及其补偿方法（六）误差分析及其补偿方法1.1.元件几何尺寸及电极焊点的大小对性能的影响元件几何尺寸及电极焊点的大小对性能的影响元件几何尺寸及电极焊点的大小对性能的影响元件几何尺寸及电极焊点的大小对性能的影响 在前面公式推导中，在前面公式推导中，在前面公式推导中，在前面公式推导中，假设霍尔片的长度假设霍尔片的长度假设霍尔片的长度假设霍尔片的长度L L为无为无为无为无限长。实际上霍尔片具有限长。实际上霍尔片具有限长。实际上霍尔片具有限长。实际上霍尔片具有一定的长宽比
13、一定的长宽比一定的长宽比一定的长宽比 。实。实。实。实际上，霍尔电压与际上，霍尔电压与际上，霍尔电压与际上，霍尔电压与 相关，前面公式应表示为相关，前面公式应表示为相关，前面公式应表示为相关，前面公式应表示为 称为元件的形状称为元件的形状称为元件的形状称为元件的形状系数。其曲线参见右图。系数。其曲线参见右图。系数。其曲线参见右图。系数。其曲线参见右图。霍尔电极的大小对霍尔电压也存在影响，参见下霍尔电极的大小对霍尔电压也存在影响，参见下霍尔电极的大小对霍尔电压也存在影响，参见下霍尔电极的大小对霍尔电压也存在影响，参见下图。当霍尔电极的宽度与长度比图。当霍尔电极的宽度与长度比图。当霍尔电极的宽度与
14、长度比图。当霍尔电极的宽度与长度比 时，电极时，电极时，电极时，电极宽度的影响可以忽略。宽度的影响可以忽略。宽度的影响可以忽略。宽度的影响可以忽略。2.2.不等位电势及其补偿不等位电势及其补偿不等位电势及其补偿不等位电势及其补偿 在霍尔元件制造过程中，不可能保证两个霍尔电在霍尔元件制造过程中，不可能保证两个霍尔电在霍尔元件制造过程中，不可能保证两个霍尔电在霍尔元件制造过程中，不可能保证两个霍尔电极安装在等势面上，因此当控制电流流过元件时，即极安装在等势面上，因此当控制电流流过元件时，即极安装在等势面上，因此当控制电流流过元件时，即极安装在等势面上，因此当控制电流流过元件时，即使磁感应强度为零，
15、在霍尔电极上仍有电压输出，该使磁感应强度为零，在霍尔电极上仍有电压输出，该使磁感应强度为零，在霍尔电极上仍有电压输出，该使磁感应强度为零，在霍尔电极上仍有电压输出，该电压称为不等位电势。霍尔元件可以等效为一电桥，电压称为不等位电势。霍尔元件可以等效为一电桥，电压称为不等位电势。霍尔元件可以等效为一电桥，电压称为不等位电势。霍尔元件可以等效为一电桥，参见下图。参见下图。参见下图。参见下图。不等位电势可以采用补偿网络进行补偿。下面为不等位电势可以采用补偿网络进行补偿。下面为不等位电势可以采用补偿网络进行补偿。下面为不等位电势可以采用补偿网络进行补偿。下面为常见的补偿电路。常见的补偿电路。常见的补偿
16、电路。常见的补偿电路。3.3.寄生直流电势寄生直流电势寄生直流电势寄生直流电势 由于霍尔元件的电极不可能做到完全欧姆接触，由于霍尔元件的电极不可能做到完全欧姆接触，由于霍尔元件的电极不可能做到完全欧姆接触，由于霍尔元件的电极不可能做到完全欧姆接触，在控制电流和霍尔电极上都可能出现整流效应。当元在控制电流和霍尔电极上都可能出现整流效应。当元在控制电流和霍尔电极上都可能出现整流效应。当元在控制电流和霍尔电极上都可能出现整流效应。当元件在磁感应强度为零的情况下输入交流控制电流时，件在磁感应强度为零的情况下输入交流控制电流时，件在磁感应强度为零的情况下输入交流控制电流时，件在磁感应强度为零的情况下输入
17、交流控制电流时，它的输出除了交流不等位电势外，还有一直流分量，它的输出除了交流不等位电势外，还有一直流分量，它的输出除了交流不等位电势外，还有一直流分量，它的输出除了交流不等位电势外，还有一直流分量，该直流分量称为寄生直流电势。其大小与工作电流有该直流分量称为寄生直流电势。其大小与工作电流有该直流分量称为寄生直流电势。其大小与工作电流有该直流分量称为寄生直流电势。其大小与工作电流有关，随工作电流减小，直流电势将迅速减小。关，随工作电流减小，直流电势将迅速减小。关，随工作电流减小，直流电势将迅速减小。关，随工作电流减小，直流电势将迅速减小。4.4.感应电势感应电势感应电势感应电势 霍尔元件在交变
18、磁场中工作时，即使不加控制电霍尔元件在交变磁场中工作时，即使不加控制电霍尔元件在交变磁场中工作时，即使不加控制电霍尔元件在交变磁场中工作时，即使不加控制电流，由于霍尔元件引线布局不合理，在输出回路会感流，由于霍尔元件引线布局不合理，在输出回路会感流，由于霍尔元件引线布局不合理，在输出回路会感流，由于霍尔元件引线布局不合理，在输出回路会感应出交流电压。通过合理布局引线可以减小感应电势。应出交流电压。通过合理布局引线可以减小感应电势。应出交流电压。通过合理布局引线可以减小感应电势。应出交流电压。通过合理布局引线可以减小感应电势。参见下图。参见下图。参见下图。参见下图。5.5.温度误差及其补偿温度误
19、差及其补偿温度误差及其补偿温度误差及其补偿 霍尔元件对温度变化十分敏感，为了提高精度，霍尔元件对温度变化十分敏感，为了提高精度，霍尔元件对温度变化十分敏感，为了提高精度，霍尔元件对温度变化十分敏感，为了提高精度，必须采取温度补偿措施。霍尔元件温度补偿电路参见必须采取温度补偿措施。霍尔元件温度补偿电路参见必须采取温度补偿措施。霍尔元件温度补偿电路参见必须采取温度补偿措施。霍尔元件温度补偿电路参见下图。霍尔元件内阻与温度关系如下下图。霍尔元件内阻与温度关系如下下图。霍尔元件内阻与温度关系如下下图。霍尔元件内阻与温度关系如下霍尔元件灵敏度与温度的关系为霍尔元件灵敏度与温度的关系为霍尔元件灵敏度与温度
20、的关系为霍尔元件灵敏度与温度的关系为补偿电阻补偿电阻补偿电阻补偿电阻r r0 0的选择如下：的选择如下：的选择如下：的选择如下：设在某基准温度设在某基准温度设在某基准温度设在某基准温度 下，有下，有下，有下，有由上两式得由上两式得由上两式得由上两式得当温度上升为当温度上升为当温度上升为当温度上升为 时，同理可得时，同理可得时，同理可得时，同理可得当温度为当温度为当温度为当温度为 时霍尔电势为时霍尔电势为时霍尔电势为时霍尔电势为当温度为当温度为当温度为当温度为 时霍尔电势为时霍尔电势为时霍尔电势为时霍尔电势为设补偿后霍尔电势不变，即设补偿后霍尔电势不变，即设补偿后霍尔电势不变，即设补偿后霍尔电势
21、不变，即于是有于是有于是有于是有考虑考虑考虑考虑 ，将前面公式整理得，将前面公式整理得，将前面公式整理得，将前面公式整理得将上式展开，并略去将上式展开，并略去将上式展开，并略去将上式展开，并略去 项，得项，得项，得项，得对于霍尔元件，有对于霍尔元件，有对于霍尔元件，有对于霍尔元件，有 ，上式简化为，上式简化为，上式简化为，上式简化为 通过在霍尔元件控制电流输入端并联电阻的方式通过在霍尔元件控制电流输入端并联电阻的方式通过在霍尔元件控制电流输入端并联电阻的方式通过在霍尔元件控制电流输入端并联电阻的方式可以很好的补偿霍尔元件的温度漂移。只需要通过霍可以很好的补偿霍尔元件的温度漂移。只需要通过霍可以
22、很好的补偿霍尔元件的温度漂移。只需要通过霍可以很好的补偿霍尔元件的温度漂移。只需要通过霍尔元件的内阻温度系数尔元件的内阻温度系数尔元件的内阻温度系数尔元件的内阻温度系数 和灵敏度温度系数和灵敏度温度系数和灵敏度温度系数和灵敏度温度系数 即可即可即可即可求得补偿电阻的大小。求得补偿电阻的大小。求得补偿电阻的大小。求得补偿电阻的大小。另外，采用热敏电阻也可以很好的补偿霍尔元件另外，采用热敏电阻也可以很好的补偿霍尔元件另外，采用热敏电阻也可以很好的补偿霍尔元件另外，采用热敏电阻也可以很好的补偿霍尔元件的温度漂移。补偿电路见下图。的温度漂移。补偿电路见下图。的温度漂移。补偿电路见下图。的温度漂移。补偿
23、电路见下图。（七）应用（七）应用（七）应用（七）应用 霍尔式位移传感器参见下图。霍尔式位移传感器参见下图。霍尔式位移传感器参见下图。霍尔式位移传感器参见下图。霍尔式压力传感器参见下图。霍尔式压力传感器参见下图。霍尔式压力传感器参见下图。霍尔式压力传感器参见下图。霍尔集成电路原理框图，见下图。霍尔集成电路原理框图，见下图。霍尔集成电路原理框图，见下图。霍尔集成电路原理框图，见下图。二、磁敏二极管和磁敏三极管二、磁敏二极管和磁敏三极管二、磁敏二极管和磁敏三极管二、磁敏二极管和磁敏三极管 磁敏二极管和磁敏三极管具有磁灵敏度高，能识磁敏二极管和磁敏三极管具有磁灵敏度高，能识磁敏二极管和磁敏三极管具有磁
24、灵敏度高，能识磁敏二极管和磁敏三极管具有磁灵敏度高，能识别磁场极性；体积小、电路简单等特点。别磁场极性；体积小、电路简单等特点。别磁场极性；体积小、电路简单等特点。别磁场极性；体积小、电路简单等特点。（一）磁敏二极管的工作原理及主要特性（一）磁敏二极管的工作原理及主要特性（一）磁敏二极管的工作原理及主要特性（一）磁敏二极管的工作原理及主要特性1.1.磁敏二极管的结构原理磁敏二极管的结构原理磁敏二极管的结构原理磁敏二极管的结构原理 磁敏二极管采用磁敏二极管采用磁敏二极管采用磁敏二极管采用P P+-I-N-I-N+型结构，在本征区的一侧型结构，在本征区的一侧型结构，在本征区的一侧型结构，在本征区的
25、一侧面设置高复合面设置高复合面设置高复合面设置高复合r r区。参见下图。区。参见下图。区。参见下图。区。参见下图。2.2.磁敏二极管的主要特征磁敏二极管的主要特征磁敏二极管的主要特征磁敏二极管的主要特征(1)(1)伏安特性伏安特性伏安特性伏安特性 在给定磁场的情况下，磁敏二极管正向偏压和通在给定磁场的情况下，磁敏二极管正向偏压和通在给定磁场的情况下，磁敏二极管正向偏压和通在给定磁场的情况下，磁敏二极管正向偏压和通过它的电流的关系称为伏安特性。锗磁敏二极管的伏过它的电流的关系称为伏安特性。锗磁敏二极管的伏过它的电流的关系称为伏安特性。锗磁敏二极管的伏过它的电流的关系称为伏安特性。锗磁敏二极管的伏
26、安特性见下图。安特性见下图。安特性见下图。安特性见下图。2006.11.6JC204-2006.11.6JC204-两种硅磁敏二极管的伏安特性见下两图。两种硅磁敏二极管的伏安特性见下两图。两种硅磁敏二极管的伏安特性见下两图。两种硅磁敏二极管的伏安特性见下两图。(2)(2)磁电特性磁电特性磁电特性磁电特性 在给定条件下，磁敏二极管的输出电压变化量与在给定条件下，磁敏二极管的输出电压变化量与在给定条件下，磁敏二极管的输出电压变化量与在给定条件下，磁敏二极管的输出电压变化量与外加磁场的关系称为磁电特性。见下图。外加磁场的关系称为磁电特性。见下图。外加磁场的关系称为磁电特性。见下图。外加磁场的关系称为
27、磁电特性。见下图。(3)(3)温度特性温度特性温度特性温度特性 温度特性指在标准测试条件下，输出电压变化量温度特性指在标准测试条件下，输出电压变化量温度特性指在标准测试条件下，输出电压变化量温度特性指在标准测试条件下，输出电压变化量或无磁场作用时两端电压随温度变化规律。参见下图。或无磁场作用时两端电压随温度变化规律。参见下图。或无磁场作用时两端电压随温度变化规律。参见下图。或无磁场作用时两端电压随温度变化规律。参见下图。通常硅磁敏二通常硅磁敏二通常硅磁敏二通常硅磁敏二极管的极管的极管的极管的U Uo o温度系温度系温度系温度系数为数为数为数为20mV/C20mV/C，UU的温度系数为的温度系数
28、为的温度系数为的温度系数为0.60.6%/C%/C。锗管的。锗管的。锗管的。锗管的U Uo o温度系为温度系为温度系为温度系为-60mV/C-60mV/C，UU的的的的温度系数为温度系数为温度系数为温度系数为1.51.5%/C%/C。(4)(4)频率特性频率特性频率特性频率特性 硅磁敏二极管的响应时间小于硅磁敏二极管的响应时间小于硅磁敏二极管的响应时间小于硅磁敏二极管的响应时间小于1 1SS，响应频率高，响应频率高，响应频率高，响应频率高达达达达1MHz1MHz。锗管的响应频率为。锗管的响应频率为。锗管的响应频率为。锗管的响应频率为10kHz10kHz。锗管的频率响。锗管的频率响。锗管的频率响
29、。锗管的频率响应曲线见下图。应曲线见下图。应曲线见下图。应曲线见下图。(5)(5)磁灵敏度磁灵敏度磁灵敏度磁灵敏度 磁敏二极管磁灵敏度有三种定义方法：磁敏二极管磁灵敏度有三种定义方法：磁敏二极管磁灵敏度有三种定义方法：磁敏二极管磁灵敏度有三种定义方法：在恒流条件下，偏压随磁场变化的电压相对灵敏在恒流条件下，偏压随磁场变化的电压相对灵敏在恒流条件下，偏压随磁场变化的电压相对灵敏在恒流条件下，偏压随磁场变化的电压相对灵敏度为度为度为度为测量电路见图。测量电路见图。测量电路见图。测量电路见图。在恒压条件下，偏流随磁场变化的电流相对灵敏度在恒压条件下，偏流随磁场变化的电流相对灵敏度在恒压条件下，偏流随
30、磁场变化的电流相对灵敏度在恒压条件下，偏流随磁场变化的电流相对灵敏度为为为为测量电路见图。测量电路见图。测量电路见图。测量电路见图。在给定电压源在给定电压源在给定电压源在给定电压源E E E E和负载电阻和负载电阻和负载电阻和负载电阻R R R R条件下，电压相对磁条件下，电压相对磁条件下，电压相对磁条件下，电压相对磁灵敏度和电流相对磁灵敏度定义为灵敏度和电流相对磁灵敏度定义为灵敏度和电流相对磁灵敏度定义为灵敏度和电流相对磁灵敏度定义为3.3.温度补偿及提高灵敏度的措施温度补偿及提高灵敏度的措施温度补偿及提高灵敏度的措施温度补偿及提高灵敏度的措施 由于磁敏二极管受温度影响大，为提高精度需要由于
31、磁敏二极管受温度影响大，为提高精度需要由于磁敏二极管受温度影响大，为提高精度需要由于磁敏二极管受温度影响大，为提高精度需要进行温度补偿。进行温度补偿。进行温度补偿。进行温度补偿。(1)(1)互补式电路互补式电路互补式电路互补式电路 选用特性相近的两只管子，按照磁极性相反的方选用特性相近的两只管子，按照磁极性相反的方选用特性相近的两只管子，按照磁极性相反的方选用特性相近的两只管子，按照磁极性相反的方向组合，串联在一起。参见下图。向组合，串联在一起。参见下图。向组合，串联在一起。参见下图。向组合，串联在一起。参见下图。当温度变化时，两只管子同步变当温度变化时，两只管子同步变当温度变化时，两只管子同
32、步变当温度变化时，两只管子同步变化，分压比保持不变，输出化，分压比保持不变，输出化，分压比保持不变，输出化，分压比保持不变，输出U Umm不变。不变。不变。不变。当存在磁场时，两只管子向相反的当存在磁场时，两只管子向相反的当存在磁场时，两只管子向相反的当存在磁场时，两只管子向相反的方向变化，一个等效电阻增加，另一个方向变化，一个等效电阻增加，另一个方向变化，一个等效电阻增加，另一个方向变化，一个等效电阻增加，另一个减小，分压比发生改变，输出减小，分压比发生改变，输出减小，分压比发生改变，输出减小，分压比发生改变，输出U Umm随之该随之该随之该随之该变。变。变。变。(2)(2)差分式电路差分式
33、电路差分式电路差分式电路 差分式电路参见下图。将两只管子按磁极性相反差分式电路参见下图。将两只管子按磁极性相反差分式电路参见下图。将两只管子按磁极性相反差分式电路参见下图。将两只管子按磁极性相反的方法组合，把两只管子的输出电压差，作为输出。的方法组合，把两只管子的输出电压差，作为输出。的方法组合，把两只管子的输出电压差，作为输出。的方法组合，把两只管子的输出电压差，作为输出。其输出电压其输出电压其输出电压其输出电压(3)(3)全桥式电路全桥式电路全桥式电路全桥式电路 参见下图。对于全桥电路，其输出电压为参见下图。对于全桥电路，其输出电压为参见下图。对于全桥电路，其输出电压为参见下图。对于全桥电
34、路，其输出电压为全桥电路要求四只管子特性完全全桥电路要求四只管子特性完全全桥电路要求四只管子特性完全全桥电路要求四只管子特性完全一致。给使用带来一定困难。一致。给使用带来一定困难。一致。给使用带来一定困难。一致。给使用带来一定困难。（二）磁敏三极管工作原理和主要特性（二）磁敏三极管工作原理和主要特性（二）磁敏三极管工作原理和主要特性（二）磁敏三极管工作原理和主要特性1.1.磁敏三极管的结构原理磁敏三极管的结构原理磁敏三极管的结构原理磁敏三极管的结构原理磁敏三极管的结构参见下图。磁敏三极管的结构参见下图。磁敏三极管的结构参见下图。磁敏三极管的结构参见下图。2.2.磁敏三极管的主要特性磁敏三极管的
35、主要特性磁敏三极管的主要特性磁敏三极管的主要特性(1)(1)伏安特性伏安特性伏安特性伏安特性参见下面曲线。参见下面曲线。参见下面曲线。参见下面曲线。(2)(2)磁电特性磁电特性磁电特性磁电特性 集电极电流变集电极电流变集电极电流变集电极电流变化量与磁感应强度化量与磁感应强度化量与磁感应强度化量与磁感应强度的关系，称为磁电的关系，称为磁电的关系，称为磁电的关系，称为磁电特性。参见下面曲特性。参见下面曲特性。参见下面曲特性。参见下面曲线。线。线。线。(3)(3)温度特性温度特性温度特性温度特性 磁敏三极管对温度很敏感。温度系数有两种：静磁敏三极管对温度很敏感。温度系数有两种：静磁敏三极管对温度很敏
36、感。温度系数有两种：静磁敏三极管对温度很敏感。温度系数有两种：静态集电极电流态集电极电流态集电极电流态集电极电流I Icoco的温度系数；磁灵敏度的温度系数；磁灵敏度的温度系数；磁灵敏度的温度系数；磁灵敏度h h 的温度系数。的温度系数。的温度系数。的温度系数。静态集电极电流静态集电极电流静态集电极电流静态集电极电流IcoIco的温度系数定义为的温度系数定义为的温度系数定义为的温度系数定义为 灵敏度灵敏度灵敏度灵敏度hh的温度系数定义为的温度系数定义为的温度系数定义为的温度系数定义为(4)(4)频率特性频率特性频率特性频率特性 3BCM3BCM锗磁敏三极管响应时间为锗磁敏三极管响应时间为锗磁敏
37、三极管响应时间为锗磁敏三极管响应时间为1 1SS，截止频，截止频，截止频，截止频率为率为率为率为500kHz500kHz左右。左右。左右。左右。3CCM3CCM硅硅硅硅磁敏三极管响应时间为磁敏三极管响应时间为磁敏三极管响应时间为磁敏三极管响应时间为0.40.4SS，截止频率为，截止频率为，截止频率为，截止频率为2.5MHz2.5MHz左右。左右。左右。左右。(5)(5)磁灵敏度磁灵敏度磁灵敏度磁灵敏度 磁敏三极管的磁灵敏度有正向磁敏三极管的磁灵敏度有正向磁敏三极管的磁灵敏度有正向磁敏三极管的磁灵敏度有正向h h+和负向和负向和负向和负向h h-两种，两种，两种，两种，定义如下定义如下定义如下定
38、义如下右图电路，电压磁灵敏度为右图电路，电压磁灵敏度为右图电路，电压磁灵敏度为右图电路，电压磁灵敏度为(6)(6)工作电压工作电压工作电压工作电压 磁敏三极管工作电压范围较宽，从磁敏三极管工作电压范围较宽，从磁敏三极管工作电压范围较宽，从磁敏三极管工作电压范围较宽，从3V3V到几十伏，到几十伏，到几十伏，到几十伏，集电极电压对灵敏度影响不大。集电极电压对灵敏度影响不大。集电极电压对灵敏度影响不大。集电极电压对灵敏度影响不大。硅硅硅硅磁敏三极管的噪磁敏三极管的噪磁敏三极管的噪磁敏三极管的噪声小于磁敏二极管，功耗较低。声小于磁敏二极管，功耗较低。声小于磁敏二极管，功耗较低。声小于磁敏二极管，功耗较
39、低。3.3.温度补偿及提高灵敏度的措施温度补偿及提高灵敏度的措施温度补偿及提高灵敏度的措施温度补偿及提高灵敏度的措施 电路如下。电路如下。电路如下。电路如下。2007.10.29JGLX303-2007.10.29JGLX303-（三）磁敏管的应用（三）磁敏管的应用（三）磁敏管的应用（三）磁敏管的应用 漏磁探伤仪原理见下图。漏磁探伤仪原理见下图。漏磁探伤仪原理见下图。漏磁探伤仪原理见下图。探伤仪探头结构和原理框图如下。探伤仪探头结构和原理框图如下。探伤仪探头结构和原理框图如下。探伤仪探头结构和原理框图如下。（四）常用磁敏管的型号和参数（四）常用磁敏管的型号和参数（四）常用磁敏管的型号和参数（四
40、）常用磁敏管的型号和参数 一、光电效应一、光电效应一、光电效应一、光电效应（一）外光电效应（一）外光电效应（一）外光电效应（一）外光电效应 在光作用下，物体内的电子逸出物体表面，向外在光作用下，物体内的电子逸出物体表面，向外在光作用下，物体内的电子逸出物体表面，向外在光作用下，物体内的电子逸出物体表面，向外发射的现象称为外光电效应。发射的现象称为外光电效应。发射的现象称为外光电效应。发射的现象称为外光电效应。光子具有能量，每个光子的能量为光子具有能量，每个光子的能量为光子具有能量，每个光子的能量为光子具有能量，每个光子的能量为 若物体中电子吸收的入射光子能量足以克服逸出若物体中电子吸收的入射光
41、子能量足以克服逸出若物体中电子吸收的入射光子能量足以克服逸出若物体中电子吸收的入射光子能量足以克服逸出功功功功 时，电子逸出物体表面。要使电子逸出，光子的时，电子逸出物体表面。要使电子逸出，光子的时，电子逸出物体表面。要使电子逸出，光子的时，电子逸出物体表面。要使电子逸出，光子的能量必须大于物体的逸出功，超过部分的能量转化为能量必须大于物体的逸出功，超过部分的能量转化为能量必须大于物体的逸出功，超过部分的能量转化为能量必须大于物体的逸出功，超过部分的能量转化为电子的动能，即电子的动能，即电子的动能，即电子的动能，即8.2 8.2 光敏传感器光敏传感器由上式可知：由上式可知：由上式可知：由上式可
42、知：只有当光子能量大于物体的表面逸出功时，才产只有当光子能量大于物体的表面逸出功时，才产只有当光子能量大于物体的表面逸出功时，才产只有当光子能量大于物体的表面逸出功时，才产生光电子。每种物体都对应一个红限频率，当入射生光电子。每种物体都对应一个红限频率，当入射生光电子。每种物体都对应一个红限频率，当入射生光电子。每种物体都对应一个红限频率，当入射光的频率大于该频率时才会产生光电子。光的频率大于该频率时才会产生光电子。光的频率大于该频率时才会产生光电子。光的频率大于该频率时才会产生光电子。入射光的频谱成分不变时，产生的光电子数量与入射光的频谱成分不变时，产生的光电子数量与入射光的频谱成分不变时，
43、产生的光电子数量与入射光的频谱成分不变时，产生的光电子数量与光强成正比。光强成正比。光强成正比。光强成正比。光电子逸出物体表面时具有初始动能。光电子逸出物体表面时具有初始动能。光电子逸出物体表面时具有初始动能。光电子逸出物体表面时具有初始动能。（二）内光电效应（二）内光电效应（二）内光电效应（二）内光电效应 内光电效应分为两类：内光电效应分为两类：内光电效应分为两类：内光电效应分为两类：光导效应。在光线作用下电子吸收光子能量从价光导效应。在光线作用下电子吸收光子能量从价光导效应。在光线作用下电子吸收光子能量从价光导效应。在光线作用下电子吸收光子能量从价带跃迁到导带，引起材料电阻率的变化。称为光
44、导带跃迁到导带，引起材料电阻率的变化。称为光导带跃迁到导带，引起材料电阻率的变化。称为光导带跃迁到导带，引起材料电阻率的变化。称为光导效应。效应。效应。效应。光生伏特效应。在光线作用下能够使物体产生一光生伏特效应。在光线作用下能够使物体产生一光生伏特效应。在光线作用下能够使物体产生一光生伏特效应。在光线作用下能够使物体产生一定方向电动势的现象称为光生伏特效应。定方向电动势的现象称为光生伏特效应。定方向电动势的现象称为光生伏特效应。定方向电动势的现象称为光生伏特效应。二、光敏电阻二、光敏电阻二、光敏电阻二、光敏电阻 光敏电阻又称为光导管。光敏电阻又称为光导管。光敏电阻又称为光导管。光敏电阻又称为
45、光导管。（一）光敏电阻的原理和结构（一）光敏电阻的原理和结构（一）光敏电阻的原理和结构（一）光敏电阻的原理和结构 当光线照射到光电导体上时，若光导体为本征当光线照射到光电导体上时，若光导体为本征当光线照射到光电导体上时，若光导体为本征当光线照射到光电导体上时，若光导体为本征半导体，且光子能量足够高，光电导体内处于价带半导体，且光子能量足够高，光电导体内处于价带半导体，且光子能量足够高，光电导体内处于价带半导体，且光子能量足够高，光电导体内处于价带上的电子将跃迁到导带上去，从而使光电导体的电上的电子将跃迁到导带上去，从而使光电导体的电上的电子将跃迁到导带上去，从而使光电导体的电上的电子将跃迁到导
46、带上去，从而使光电导体的电阻率降低。入射光子能量必须大于光导材料的禁带阻率降低。入射光子能量必须大于光导材料的禁带阻率降低。入射光子能量必须大于光导材料的禁带阻率降低。入射光子能量必须大于光导材料的禁带宽度，即宽度，即宽度，即宽度，即从上式可看出，一种光电导体存在一个波长极限从上式可看出，一种光电导体存在一个波长极限从上式可看出，一种光电导体存在一个波长极限从上式可看出，一种光电导体存在一个波长极限 只有波长短于只有波长短于只有波长短于只有波长短于 的光线才能使光导体的电阻率降低。的光线才能使光导体的电阻率降低。的光线才能使光导体的电阻率降低。的光线才能使光导体的电阻率降低。光敏电阻的结构参见
47、下图。光敏电阻的结构参见下图。光敏电阻的结构参见下图。光敏电阻的结构参见下图。光辐射功率光谱密度光辐射功率光谱密度光辐射功率光谱密度光辐射功率光谱密度 ：在单位波长间隔内，光：在单位波长间隔内，光：在单位波长间隔内，光：在单位波长间隔内，光的实际功率的实际功率的实际功率的实际功率(以以以以ww为单位为单位为单位为单位)。光通量光通量光通量光通量：能够被人的视觉系统所感受到的那部分光：能够被人的视觉系统所感受到的那部分光：能够被人的视觉系统所感受到的那部分光：能够被人的视觉系统所感受到的那部分光辐射功率的大小的量度。单位是辐射功率的大小的量度。单位是辐射功率的大小的量度。单位是辐射功率的大小的量
48、度。单位是Lm(Lm(流明流明流明流明)。式中式中式中式中 是一个转换常数，过去也曾称为光功是一个转换常数，过去也曾称为光功是一个转换常数，过去也曾称为光功是一个转换常数，过去也曾称为光功当量，现在叫最大光谱光效能，它的数值，是一个当量，现在叫最大光谱光效能，它的数值，是一个当量，现在叫最大光谱光效能，它的数值，是一个当量，现在叫最大光谱光效能，它的数值，是一个国际协议值，规定为国际协议值，规定为国际协议值，规定为国际协议值，规定为 ，即表示在，即表示在，即表示在，即表示在人眼视觉系统最敏感的波长人眼视觉系统最敏感的波长人眼视觉系统最敏感的波长人眼视觉系统最敏感的波长(555nm)(555nm
49、)上，每瓦光功上，每瓦光功上，每瓦光功上，每瓦光功率相应的流明数。率相应的流明数。率相应的流明数。率相应的流明数。为标准为标准为标准为标准明视觉函数明视觉函数明视觉函数明视觉函数。视觉函数反映了人。视觉函数反映了人。视觉函数反映了人。视觉函数反映了人眼对不同波长光线的敏感程度。眼对不同波长光线的敏感程度。眼对不同波长光线的敏感程度。眼对不同波长光线的敏感程度。明视觉函数，峰值明视觉函数，峰值明视觉函数，峰值明视觉函数，峰值555nm555nm暗视觉函数，峰值暗视觉函数，峰值暗视觉函数，峰值暗视觉函数，峰值505nm505nm波长波长波长波长nmnm40040050050060060070070
50、0视觉函数视觉函数视觉函数视觉函数0.80.81.01.00.60.60.40.40.20.2照度照度照度照度：单位面积上的光通量。可表示为：单位面积上的光通量。可表示为：单位面积上的光通量。可表示为：单位面积上的光通量。可表示为照度单位为勒克斯（照度单位为勒克斯（照度单位为勒克斯（照度单位为勒克斯（lxlx，luxlux）。）。）。）。1lx=1lm/m1lx=1lm/m2 2。光通。光通。光通。光通量单位为流明（量单位为流明（量单位为流明（量单位为流明（lmlm），定义为纯铂在熔化温度（约），定义为纯铂在熔化温度（约），定义为纯铂在熔化温度（约），定义为纯铂在熔化温度（约17701770）