为霍尔灵敏度，它表示霍尔元件在单位控制电流和单位磁感应强度时产生的霍尔电势的大小。

由式6-4可知，在一定的电流控制下，其霍尔电动势的大小与下列因素有关：

⑴ 一般来说，金属材料n较大，导致RH和KH变小，故不宜做霍尔元件。因材料电阻率?与载流子浓度n和迁移率?有关，RH???，而电子的迁移率?比空穴大，所以霍尔元件一般采用N型半导体材料。

⑵ 霍尔电势UH与元件的尺寸关系很大，所以生产霍尔元件时要考虑到以下几点：

① 根据式（6-6），H愈小，KH愈大，霍尔灵敏度愈高，所以霍尔元件的厚度都比较薄。但H太小，会使元件的输入、输出电阻增加，因此，也不宜太薄。

② 元件的长宽比对UH也有影响。L/W加大时，控制电极对霍尔电势影响减小。但如果L/W 过大，载流子在偏转过程中的损失将加大，使UH下降，通常要对式（6-6）加以形状效应修正：

UH?KHIBf(L/W)

③ 霍尔电势UH与控制电流及磁场强度有关。根据式（6-6），UH正比于I及B。当控制电流恒定时，

B愈大，UH愈大。当磁场改变方向时，UH也改变方向。

2. 说明为什么导体材料和绝缘体材料均不宜做成霍尔元件？为什么霍尔元件一般采用N型半导体材料？

答：根据霍尔电势的公式UH??BW?I1BW?IB，可知霍尔电势的大小与材料的电子

nqHWnqH浓度成反比，导体材料的电子浓度比较大，所产生的霍尔电势比较小，霍尔效应不明显。

而绝缘体内电子不可自由活动，没有载流子，不会产生霍尔效应；所以也不宜做成霍尔元件。 因材料电阻率?与载流子浓度n和迁移率?有关，霍尔系数RH???，而电子的由于电子的有效质量小，迁移率?比空穴大，在同样强度电场作用下，漂移速度大，所受洛伦兹力大，霍尔角大，霍尔效应明显，在很小磁场下，就可以观察到霍尔效应，所以霍尔元件一般采用N型半导体材料。 3. 霍尔集成传感器有哪几种类型？其工作特点是什么？

答：霍尔集成传感器有分为线性型霍尔传感器和开关型霍尔传感器。

霍尔线性集成传感器工作特点：这种线性型传感器的输出电压与外加磁场强度在一定范围内呈 线性关系，广泛用于位置、力、重量、厚度、速度、磁场、电流等的测量、控制。这种传感器有单端输出和双端输出（差动输出）两种电路。

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开关型霍尔传感器工作特点：当有磁场作用在霍尔开关集成传感器上时，根据霍尔效应原理，霍尔元件输出霍尔电势UH，该电压经放大器放大后，送至施密特整形电路。当放大后的霍尔电势大于“开启” 阈值时，施密特电路翻转，输出高电平，使晶体管导通，整个电路处于开状态。当磁场减弱时，霍尔元件输出的UH电压很小，经放大器放大后其值仍小于施密特的“关闭”阈值时，施密特整形器又翻转，输出低电平，使晶体管截止，电路处于关状态。这样，一次磁场强度的变化，就使传感器完成一次开关动作。 4. 磁敏二极管和磁敏晶体管有何特点？适用于什么场合？

答：磁敏二极管是PN结型的磁电转换元件，有硅磁敏二极管和锗磁敏二极管两种。在高纯度锗半导体的两端用合金法制成高掺杂的P型和N型两个区域，在P、N 之间有一个较长的本征区I ，本征区I 的一面磨成光滑的复合表面（为I 区），另一面打毛，成为高复合区（r 区），因为电子-空穴对易于在粗糙表面复合而消失。当通以正向电流后就会在P、I、N 结之间形成电流。由此可知，磁敏二极管是PIN 型的。

所以利用磁敏二极管在磁场强度的变化下，其电流发生变化，于是就实现磁电转换。且I区和r区的复合能力之差越大，磁敏二极管的灵敏度就越高。

NPN型磁敏晶体管是在弱P型近本征半导体上，用合金法或扩散法形成三个结——即发射结、基极结、集电结所形成的半导体元件。其最大特点是基区较长，在长基区的侧面制成一个复合率很高的高复合区r。在r区的对面保持光滑的无复合的镜面（I 区）。磁敏晶体管工作原理与磁敏二极管完全相同。在正向或反向磁场作用下，会引起集电极电流的减少或增加。因此，可以用磁场方向控制集电极电流的增加或减少，用磁场的强弱控制集电极电流的增加或减少的变化量。

5. 设计一个利用霍尔集成电路检测发电机转速的电路，要求当转速过高或过低时发出警报信号。

答：在被测转速的转轴上安装一个齿盘，也可选取机械系统中的一个齿轮，将线性型霍尔器件及磁路系统靠近齿盘。齿盘的转动使磁路的磁阻随气隙的改变而周期性地变化，霍尔器件输出的微小脉冲信号经隔直、放大、整形后就可以确定被测物的转速。如图6-23所示。转速计算公式为：

n?60fz

图6-23

6. 设计一个采用霍尔传感器的液位控制系统，要求画出磁路系统示意图和电路原理简图，并说明其工作原理。

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参考解答：

7. 试分析图6-33所示霍尔计数装置的工作原理.

图6-33 霍尔计数装置示意图

解答：当钢球通过霍尔开关传感器时，传感器输出电压增大，该电压经放大器放大，三极管导通，输出低电平，计数器开始计数；当钢球滚过传感器表面时，霍尔电压减小，该电压经放大器放大还不能使三极管导通，三极管输出高电平，计数器停止计数。这样钢球每经过传感器表面一次，计数器就记录一次，从而实现了计数功能。

1. 思考有哪些可以用霍尔传感器检测的物理量以及霍尔传感器应用的领域。

解答：霍尔传感器可以用于测量地球磁场，制成电罗盘；将它卡在环形铁心中，可以制成大电流传感器。它还广泛用于无刷电动机、高斯计、接近开关、微位移测量等。

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第七章 波式传感器

1. 超声波有哪些传播特性？

解答：超声波在两种介质中传播时，会产生反射与折射现象；在不同介质中的传播速度不同；在介质中传播会产生能量衰减等。

2. 应用超声波传感器探测工件时，在探头与工件接触处要涂有一层耦合剂，请问这是为什么？

解答：无论是直探头还是斜探头，一般不能直接将其放在试件表面（特别是粗糙金属表面） 来回移动，以防探头磨损。更重要的是，由于超声探头与被测物体接触时，在工件表面不平整的情况下，探头与被测物体表面间必然存在一层空气薄层。由于空气的密度很小，将引起三种介质两个界面间强烈的杂乱反射波，造成严重的测量干扰，而且空气还会造成超声波的严重衰减。因此必须将接触面之间的空气排挤掉，使超声波能够顺利的入射到被测介质中。在工业测量中，经常使用一种称为耦合剂的液体物质，使之充满在接触层中，起到传递超声波的作用。常用的耦合剂有水、机油、甘油、水玻璃、胶水、化学糨糊浆糊等。根据不同的被测介质而选定。耦合剂的厚度应该尽量薄一些，以减小耦合损耗。

3. 根据你已学过的知识设计一个超声波探伤使用装置（画出原理框图），并简要说明它探伤的工作过程？

解答：参考教材P159超声波探伤来设计。 4. 比较微波传感器与超声波传感器有何异同？

解答：微波传感器就是指利用微波特性来检测一些非电量的器件和装置。其原理是：由发射天线发射出微波，当遇到被测物体时将被吸收或反射，使微波功率发生变化。若利用接受天线接收到通过被测物或由被测物反射回来的微波，将它转换成电信号，再经过信号调理电路后，即能显示出被测量，这就是微波检测过程。与一般传感器不同，微波传感器的敏感元件可以认为是一个微波场。

微波传感器的分类：反射式微波传感器、遮断式微波传感器

超声波传感器也即换能器又称超声波探头。超声波换能器根据其工作原理不同，分为压电式、磁致伸缩式、电磁式等数种。在检测技术中主要采用压电式。换能器由于其结构的不同，又分为直探头、斜探头、双探头、表面探头、聚焦探头、水浸探头、空气传导探头以及其它专用探头等。

与微波传感器类似，工作方式主要有两种：当超声波发生器与接受器分别置于被测物两侧时，这种类型称为透射型；当超声波发生器与接受器置于同侧时，这种类型称为反射型。 5. 多普勒传感器的工作原理是什么？其应用有哪些？

解答：多普勒传感器的工作原理是多普勒效应：即由于波源和接收者之间存在着相互运动而造成接收者接收到的频率与波源发出的频率不同，这种现象称为多普勒效应。

应用：测量运动物体的速度，如车速、船速、卫星速度和流体的流速等。也可根据光学多普勒频移测定天体相对地球的运动。

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