动铁式磁电传感器原理图
§5-2 霍尔传感器
一、霍尔效应
一块长为l、宽为b、厚为d的半导体薄片置于磁感应强度为B的磁场(磁场方向垂直于薄片)中，如图5-1所示。当有电流I流过时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势UH。这种现象称为霍尔效应。
霍尔效应原理图
假设薄片为N型半导体，在其左右两端通以电流I(称为激励电流)，那么半导体中的载流子(电子)将沿着与电流I相反的方向运动。由于外磁场B的作用，使电子受到洛仑兹力Fl作用而发生偏转。结果在半导体的后端面上电子有所积累。而前端面缺少电子，因此后端面带负电，前端面带正电，在前后端面间形成电场。该电场产生的电场力FE阻止电子继续偏转。当
FE与Fl相等时，电子积累达到动态平衡。这时，在半导体前后两端面之间(即垂直
于电流和磁场方向)建立电场，称为霍尔电场
EH，相应的电势就称为霍尔电势UH。
Fl?evB，其中e为电子电
若电子以速度v按图示方向运动，那么在B作用下所受力
-19F??eEH，式中负号表示电场E荷量，e=1.602?10C。同时，电场H作用于电子的力E方向与规定方向相反。设薄片长、宽、厚分别为l、b、d。而
EH?UH/b，F??eUH/b，
则E当电子积累达到动态平衡时FE+Fl?0，即vB?UH/b。
而电流密度j?-nev，n为N型半导体中的电子浓度，即单位体积中的电子数，负号表示电子运动速度方向与电流方向相反。所以I?jbd?-nevbd
即v?-I/(nebd)，
将上式代入力平衡式，则得
UH?-IBIB1?RH?KHIBRH??neddne，称为,式中：
霍尔系数，它由载流材料的物理性质所决定，KH?RH/d，称为灵敏度系数，表示在单位磁感应强度和单位激励电流时的霍尔电势的大小。具有上述霍尔效应的元件称为霍尔元件。 二、霍尔元件的材料
霍尔电势UH?-IBIB?RH?KHIB，金属的自由电子密度太大，因而霍尔常数小，nedd霍尔电势也小，所以金属材料不宜制作霍尔元件；同时由于霍尔电势与导体厚度d成反比，
因此为为了提高霍尔电势值，霍尔元件一般采用半导体材料，并制作成薄片形状。 用于制造霍尔元件的材料主要有：锗(Ge)、硅(Si)、 砷化铟(InAs)和锑化铟(InSb)等半导体材料。
三、霍尔元件的构造及测量电路
霍尔元件
霍尔元件的基本测量电路如下图所示。
激励电流由电源E供给，可变电阻RP用来调节激励电流I的大小。RL为输出霍尔电势UH的负载电阻。通常它是显示仪表、记录装置或放大器的输入阻抗。
霍尔元件的基本测量电路
四、霍尔式传感器的应用 （1）霍尔式位移传感器
如图5-20所示。由上述可知，霍尔电势与磁感应强度B成正比，由于磁场在一定范围内沿x方向的变化dB/dx为常数，因此元件沿x方向移动时，霍尔电势的变化为：
dUHdB?KHI?K k--位移传感器灵敏度 dxdx
霍尔元件符号
（2）霍尔式转速传感器
如图5-21所示：当被测轴转动时，带动转盘旋转，小磁铁固定在转盘上。霍尔传感器在小磁铁通过时产生一个相应的脉冲。检测出单位时间内脉冲数，即可知被测轴的转速。
霍尔式转速传感器工作原理图
（3）使用霍尔元件进行漏磁检测。
漏磁探伤仪的工作原理
教学小结: 掌握磁电式传感器变换原理；了解磁电式传感器的应用；掌握霍尔传感器的工作原理；了解霍尔传感器的结构和应用。 作业处理：
第9讲
教学时数：2学时 基本内容：
第六章 压电式传感器 §6-1 压电效应 §6-2 压电材料 §6-3 测量电路
§6-4 压电传感器的应用 教学目的：
1. 掌握压电式传感器的工作原理 2. 了解压电材料选用的原则
3. 掌握压电式传感器的测量电路
4. 了解压电式传感器的应用
教学重点：压电式传感器的工作原理和测量电路 教学难点：压电式传感器的测量电路 教学方法：多媒体讲授 教学过程：
第六章 压电式传感器
压电式传感器是一种有源的双向机电传感器。它的工作原理是基于压电材料的压电效应。石英晶体的压电效应早在1680年即已发现，1948年制作出第一个石英传感器。
§6-1 压电效应
某些晶体或多晶陶瓷，当沿着一定方向受到外力作用时，内部就产生极化现象，同时在某两个表面上产生符号相反的电荷；当外力去掉后，又恢复到不带电状态；当作用力方向改变时，电荷的极性也随着改变；晶体受力所产生的电荷量与外力的大小成正比。上述现象称
为正压电效应。反之，如对晶体施加一定变电场，晶体本身将产生机械变形，外电场撤离，变形也随着消失，称为逆压电效应。
压电式传感器大都是利用压电材料的压电效应制成的。在电声和超声工程中也有利用逆压电效应制作的传感器。压电转换元件受力变形的状态可分为下图所示的几种基本形式。
一、石英晶体的压电效应
石英晶体是正六棱柱体（六面体），如图所示。Z轴是晶体的对称轴，称为光轴；X轴压电效应最显著，电轴；Y轴（机械轴，力轴），加力产生的变形最大。
X轴和Y轴受力后，石英晶体压电效应示意图如下图所示，
石英晶体受力方向与电荷极性的关系，如下所示：