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第九章-光纤传感器传感器课件
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2009-06-25
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第五章 霍尔式传感器
5.1 霍尔式传感器的工作原理
5.2 霍尔式传感器的基本测量电路
5.3 霍尔式传感器的误差与补偿
5.4 霍尔式传感器的应用
霍尔传感器是基于霍尔效应的一种传感器。 1879 年美国
物理学家霍尔首先在金属材料中发现了霍尔效应 , 但由于金属
材料的霍尔效应太弱而没有得到应用。随着半导体技术的发展 ,
开始用半导体材料制成霍尔元件 , 由于它的霍尔效应显著而得
到应用和发展。 霍尔传感器广泛用于电磁测量、压力、加速度、
振动等方面的测量。
5.1 霍尔式传感器的工作原理
一、 霍尔效应及霍尔元件
霍尔传感器是利用霍尔效应制作的半导体磁敏传感器。半导体
磁敏传感器是指电参数按一定规律随磁性量变化的传感器,常用的
有霍尔传感器和磁敏电阻传感器。磁敏器件是利用磁场工作的,所
以可以用非接触方法检验。
半导体磁敏器件的特点是:从直流到高频,其特性完全一样,
也就是完全不存在与频率的关系。
(一) . 霍尔效
应
1879 年美国物理学家霍尔发现:在通有电流的金属板上加一
个强磁场,当电路流方向与磁场方向垂直时,在与电流和磁场都
垂直的金属板的两表面之间出现电动势,这种现象就称为霍尔效
益,这个电动势差称为霍尔电动势。(置于磁场中的静止载流导
体 , 当它的电流方向与磁场方向不一致时 , 载流导体上平行于电
流和磁场方向上的两个面之间产生电动势 , 这种现象称霍尔效应。
该电势称霍尔电势。) 其原理可用带电粒子在磁场中所受到的洛
伦兹力解释。
图 5 – 1 ( a ) 所示 , 在垂直于外磁场 B 的方向上放置一导电板 ,
导电板通以电流 I, 方向如图所示。导电板中的电流是金属中自
由电子在电场作用下的定向运动。此时 , 每个电子受洛仑磁力 fL
的作用, fL 大小 : fL =eBv
式中 : e—— 电子电荷 ;
v—— 电子运动平均速度 ;
B—— 磁场的磁感应强度。
b
U
H
fL 的方向在图 5 - 1 中是向上的 , 此时电子除了沿电流反方向作定向
运动外 , 还在 fL 的作用下向上漂移 , 结果使金属导电板上底面积累正电荷 ,
而下底面积累电子 , 从而形成了附加内电场 EH, 称霍尔电场 , 该电场强
度为
EH=
式中 UH 为电位差。霍尔电场的出现 , 使定向运动的电子除了受洛
仑磁力作用外 , 还受到霍尔电场的作用力 , 其大小为 eFe ,此力阻止电荷
继续积累。 随着上、下底面积累电荷的增加 , 霍尔电
场增加 , 电子受到的电场力也增加 , 当电子所
受洛仑磁力与霍尔电场作用力大小相等、
方向相反时 ,
即 eEH=evB 则 EH=vB
此时电荷不再向两底面积累 , 达到平衡状态。
若金属导电板单位体积内电子数为 n, 电子定向运动平均速度为 v,
则激励电流 I=nevbd, 则
v=
将式上代入式( EH=vB )得
EH=
将上式代入式( )得
UH =
式中令 RH =1/ ( ne ) , 称之为霍尔常数 , 其大小取决于
导体载流子密度,则
UH =RH ( 5 - 1 )
式中 KH=RH/d 称为霍尔片的灵敏度。由式( 5 - 1 )可见 , 霍尔
电势正比于激励电流及磁感应强度 , 其灵敏度与霍尔常数 RH 成
正比而与霍尔片厚度 d 成反比。为了提高灵敏度 , 霍尔元件常制
成薄片形状。 当 I 与 B 的不垂直时霍尔电压为 :
IB
bdne
ned
IB
I
bdne
IBK
d
IB
H
cos
H H
U K IB
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wlzfly
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