安全检测技术-3传感器基础

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1、物性传感器3.3.4霍尔传感器1霍尔效应半导体薄片置于磁场中，当它的电流方向与磁场方向不一致时，半导体薄片上平行于电流和磁场方向的两个面之间产生电动势，这种现象称霍尔效应。产生的电动势称霍尔电势半导体薄片称霍尔元件霍尔效应原理载流子受洛仑兹力霍尔电场强度q为电子电量1.602*10-19Cv电子迁移速度平衡状态假定流过基片的电流均匀，n为半导体载流子浓度（单位体积电子数）霍尔电势与场强电子受到的电场力代人上式得RH=1/nq称为霍尔系（常）数令KH=RH/d则UH=KHIB,比例系数KH称为霍尔元件灵敏系数。霍尔电势与I、B成正比，且受薄片厚度、半导体电子浓度影响随I,B而改变方向霍尔常数

2、霍尔常数大小取决于导体的载流子密度：金属的自由电子密度太大，因而霍尔常数小，霍尔电势也小，所以金属材料不宜制作霍尔元件。霍尔电势与导体厚度d成反比：为了提高霍尔电势值，霍尔元件制成薄片形状。半导体中电子迁移率（电子定向运动平均速度）比空穴迁移率高，因此N型半导体较适合于制造灵敏度高的霍尔元件，霍尔元件的主要功能当磁场和环境温度一定时:霍尔电势与控制电流I成正比，可测电流或能转换成电流的非电量当控制电流和环境温度一定时:霍尔电势与磁场的磁感应强度B成正比，可测磁场（感应）强度，并得到电流值，如钳形表，雷电流测量当环境温度一定时:输出的霍尔电势与I和B的乘积成正比，利用这种乘法关系，可制成模拟

3、运算的乘法、开方、平方、除法等运算器。测量以上电量时，应在没有外磁场和室温变化条件下进行。霍尔元件的结构和基本电路霍尔元件图（a）中，从矩形薄片半导体基片上的两个相互垂直方向侧面上，引出一对电极，其中1-1’电极用于加控制电流，称控制（激励）电极。另一对2-2’电极用于引出霍尔电势，称霍尔电势输出极或霍尔电极。在基片外面用非磁性金属或陶瓷、环氧树脂等封装作为外壳。N型硅灵敏系数、温度特性线性度较好，常用，还有锑（砷）化铟图（b）是霍尔元件通用的图形符号。霍尔元件的结构和基本电路霍尔元件图（c）所示，霍尔电极在基片上的位置及它的宽度对霍尔电势数值影响很大。通常霍尔电极位于基片长度的中间，其宽

4、度远小于基片的长度。图（d）是基本测量电路。霍尔式传感器的应用优点:结构简单，体积小，重量轻，频带宽，动态特性好和寿命长应用：电磁测量：测量恒定的或交变的磁感应强度、有功功率、无功功率、相位、电能等参数；自动检测系统：多用于位移、压力的测量。其他类型传感器超声波传感器微波传感器红外探测器射线传感器离子敏传感器谐振式传感器超声波传感器声波：16~20kHz人耳朵能听见的波次声波：<16kHz的波，亚声波超声波：>20kHz的波，超声波，一般要求功率密度P=发射功率/发射面积≥0.3w/cm2传感器原理：一般有发射和接收两只探头，发射探头发出的超声脉冲波在介质中传播到相界面经过反射后，再返回到

5、接收探头，从而测出距离。超声波传感器发射探头：利用压电材料（压电晶体，陶瓷）的逆压电效应将高频电振动转换成高频机械振动，以产生超声波；接收探头：利用正压电效应将接收的的超声振动转换成电信号。超声波传感器又称超声波换能器微波传感器微波：红外线波长介于可见光和微波之间，微波波长1mm~1m（300MHz~300GHz），是毫米波、厘米波和分米波的总称。比无线电波频率高，故称“超高频电磁波”微波特点：能够穿越塑料、陶瓷，被水吸收，遇金属反射传感器原理：也有发射天线和接收天线分为反射式和遮断式。反射式：反射式传感器通过检测被测物反射回来的微波功率或经过时间间隔，来表达被测物的位置、厚度等参数。遮断

6、式：遮断式传感器通过检测接收天线接收到的微波功率的大小来判断发射天线与接收天线间有无被测物或被测物的位置等参数。红外探测器红外线：波长在770纳米至1毫米之间，在光谱上位于红色光外侧。具有很强热效应，并易于被物体吸收，通常被作为热源。透过云雾能力比可见光强。结构：由光学系统、敏感元件、前置放大器和信号调制器组成。类型：反射式红外探测器和投射式红外探测器反射式红外探测器它由凹面玻璃反射镜组成，其表面镀金、铝和镍铬等红外波段反射率很高的材料构成反射式光学系统。为了减小像差或使用上的方便，常另加一片次镜，使目标辐射经两次反射聚集到敏感元件上，敏感元件与镜组合一体，前置放大器接收热电转换后的电信号

7、，并对其进行放大。透射式红外探测器透射式光学系统的部件用红外光学材料做成，应根据波长选用红外光学材料：700‘C以上高温时，波长0.75～3μm范围近红外光，100～700℃一般用3～5μm的中红外光，100℃以下用波长为5～14μm的中远红外光。获取透射红外光的光学材料一般比较困难，反射式光学系统较常用。射线式传感器由放射源和探测器组成利用射线式传感器进行测量时，都要有发射出αβ或Y射线的辐射源。射线源：选择射线源应尽