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Z-半导体敏感元件原理与应用 二 | |||||
作者:网络 论文来源:网络 点击数:223 更新时间:2007/3/9 | |||||
2.光电计数器 表2、光敏Z-元件应用电路与输出信号波形阻态图 图8是光电计数器电路。D1是缓冲级D2-1、D2-2是信号反相级,供计数级选择。R1、V1、V2、R2、R3构成了温度补偿电桥,其中,V2避光,V1受光,且V1、V2应选择反向灵敏度温漂DTR相近的Z-元件。R2用来调整在最大温漂状态下,无光照时D1保持输出为低电平。在被计数的物品遮挡一次光照时,D1输出一个负脉冲,D2-1、D2-2输出的计数脉冲可供选择。当工作温度变化时,因D1两个输入端等电位同步变化,不致产生误动作。 光敏Z-元件还有更多的场合能够应用,这里不一一例举。 七、 磁敏Z-元件及其技术参数 1.磁敏Z-元件的结构、电路符号及命名方法 磁敏Z-元件是一种经过特殊掺杂而制得的改性PN结。图9(a)是结构示意,图9(b)是电路符号,“+”表示正向使用时接电源“+”端,M表示对磁场敏感。 表3、磁敏Z-元件分档代号与技术参数 名称 符号 阈值电压分档代号 单位 测试条件(T=20°C) 10 20 30 31 阈值电压 Vth <10 10-20 20-30 >30 V RL:5~150kW 阈值磁场 Bth 1 <300 mT RL:5~150kW 2 >300 阈值电流 Ith <1 £2 £3 >3 mA RL:5kW 磁场范围 B 1 (1~1.5)Bth mT RL:5~150kW 2 频率范围 f 1~100 kHz RL:5kW 输出幅值 VP.P ³Vth/6 V RL:5~150kW 频率灵敏度 SF >20 Hz/mT RL:5~150kW 电压灵敏度 ST <-300 mV/100mT E>Vth+RL.Ith 磁敏Z-元件的命名方法有两种: 国内命名法 国际命名法 2.磁敏Z-元件的伏安特性曲线 磁敏Z-元件的伏安特性,应当在无磁场的情况下进行测量,图9(c)是伏安特性测量电路,正向伏安特性的测量电路与方法与温敏Z-元件的相同[6]。 图9(d)的伏安特性中OP段为高阻区,记为M1,pf段为负阻区,记为M2,fm为低阻区,记为M3区。特性中的Vth叫做阈值电压,表示在25℃时两端电压的最大值。Ith叫做阈值电流,是Z-元件电压为Vth时的电流。Vf叫做导通电压,是M3区电压的最小值。If叫做导通电流,是对应Vf的电流,是低阻区电流最小值。反向特性无磁敏。 3.磁敏Z-元件的分档代号与技术参数 磁敏Z-元件的技术参数列于表3,磁敏Z-元件的分档代号有两个,一个是Vth,共分四档;另一个是阈值磁场,共分两档。磁敏Z-元件的技术参数符合QJ/HN003-1998。 八、 磁敏Z-元件的磁敏特性 磁敏Z-元件的正向伏安特性,可用图9(c)所示电路进行测量,与温敏Z-元件正向伏安特性测量电路与方法相同。[6] 磁敏Z-元件在磁场中,其伏安特性曲线形状发生了变化,因而,技术参数也发生了变化。磁场由弱到强的变化过程,技术参数的变化范围如表3所示。 1.阈值磁场:Bth(mT ) 磁敏Z-元件置于磁场中,如图10所示。电路中产生了自激振荡,输出信号VO的波形类似于温敏Z-元件的下降沿触发的脉冲频率信号。使Z-元件刚刚起振的磁场,定义为阈值磁场,用Bth表示。 2.磁场范围:B(mT) 磁场范围,表示维持Z-元件正常振荡的磁场,其值为(1~1.5)Bth。 3.频率范围:f(Hz) Z-元件在磁场中正常的信号频率范围。 4.频率灵敏度:SF(Hz/mT) 磁敏Z-元件在磁场中产生振荡后,频率的变化量Df(Hz)与磁场变化量DB(mT)之比为频率灵敏度SF(Hz/mT): (5) 5.电压灵敏度ST(mV/mT) 磁敏Z-元件在磁场中,Vf向右平移增大,磁场越强,Vf增加的越多,见图11。电压灵敏度ST等于导通电压Vf的增量DVf与磁场变化增量DB之比。 (mV/mT) (6) 磁敏Z-元件在实验中,除上述参数用来表述在磁场中变化外,还有一种在磁场中的特性没有相应的参数可以表示。例如,在磁场中,Vf阶跃式的增大,同时Vth也增大,幅度变化为: Vf:(1~3) Vf,Vth: Vth+(0~1V), 参见图11。这一特性非常适合制作磁控开关、转速表等。 九、 磁敏Z-元件的应用电路 磁敏Z-元件是一个非线性元件[1],典型应用电路为Z-元件与一个负载电阻RL串联的电路。RL的一个作用是限制工作电流,另一个作用是可以从RL与Z-元件连接点处取出输出信号,如图12(a)所示。Z-元件允许并联一个电容器,输出脉冲频率信号。 1. 工作在M3区输出阶跃信号 磁敏Z-元件工作在哪一个区,与电源电压E的大小有关。在温敏Z-元件工作中,由M1区向M3区转换的过程中,电源电压E,负载电阻RL与Z-元件的参数Vth 、Ith,必须满足的条件-状态方程为: E= Vth +IthRL (7) 该方程仍然适用于磁敏Z-元件。 图12是输出阶跃信号的电路图,工作状态解析图和信号波形图。为了保证Z-元件工作在M3区,P(Vth,Ith)点必须设定在负载线(E,E/RL)的左侧,并应考虑温度的影响,在应用的温度范围内,能可靠地工作在M3区。 从解析图中已知道,无磁场时工作点为Q1(Vf,IZ1),输出为VO=VOL=Vf。加入300mT磁场,P1(Vth1,Ith1)移至P2(Vth2,Ith2),P2点在直线(E,E/RL)的左侧,Q2(VZ2,IZ2)点在OP2上,这时的输出为:VO=VOH=E- IZ2RL 当磁场为B=0时,VO又恢复为低电平,即VO=VOL=Vf。 2. 并联电容器M1→M3,M3→M1互相转换输出脉冲频率信号 图13是磁敏Z-元件输出脉冲频率信号电路。Z-元件在磁场中产生的自激振荡,其脉冲频率信号往往不够稳定[1]、[2],因而采用Z-元件并联电容器的方法,改善振荡的稳定性和电源电压的适应性。这个脉冲频率信号是下降沿触发的,其频率受磁场的调制,信号频率与磁场的关系参见图13(c)。 磁敏Z-元件的应用电路图12(a),可以把Z-元件与RL互换位置,其输出信号是关于电源电压E的互补信号,参看表4-3,其信号变化幅度的绝对值|DVO|相等,前者输出信号是由低电平上升为高电平,后者输出信号是由高电平下降为低电平。 十、 磁敏Z-元件特性与应用电路总结 (a)电路 (b)信号波形 图14 流量传感器 (a)电路 (b)信号波形 图15 报警传感器 磁敏Z-元件正向特性对磁场敏感,反向无磁敏特性。它的阈值点P(Vth,Ith)中,Vth为正磁系数,Ith有较小的负磁系数。磁敏Z-元件也有两个稳定的工作状态,即VZ≥Vth时工作在低阻M3区,当VZ十一、磁敏Z-元件应用示例 1. 流量脉冲传感器 该流量传感器电路示于图14,这是一个RL与磁敏Z-元件串联的电路。Z-元件工作在M3区,电源电压E应大于(Vth +IthRL),使之在允许的工作温度范围内,能可靠地工作在M3区。 由N、S磁极构成的平行磁场固定在转盘上,当流体冲击转盘转动时,只在磁极罩在磁敏Z-元件上的一瞬间,输出端输出一个高电平VOH,磁极离去时,输出为低电平VOL。转盘上的磁 极对数根据实际需要选择,两个高电平的间隔时间tx是流量的函数,经过标定以后,可编成查表程序用低功耗单片机进行显示,并需要输出相应信号。 图14电路还可以用来制做接触式电子转速表。转速表的接触式锥轴与磁极固定在一起,当磁极被锥轴代动一起旋转时,磁敏Z-元件在磁极作用下,输出与图14相同的信号,进行计数、显示。当N=1、S=1时,磁极对数为P=1,计数器的闸门信号为t,直接计数,显示的即是转速n[r/s] t=1/p(s) 2. 报警传感器 该报警传感器采用图15电路, 待机(安全状态)电平为高电平VOH=E-IZ2RL。 被保护的物品(贵重文物、家电、门窗等)与磁极巧妙地固定在一起,使之罩在磁敏Z-元件上,输出信号为VOH表示正常待机,即安全状态。当被保护的物品被非法移位,致使磁极与Z-元件分开,输出信号由VOH变为VOL时,即发生了警情。用VOL信号去触发报警装置,发出声光报警信号或自动触发并送出特种远传报警寻求帮助,这些在技术上,都是非常容易实现的。磁敏Z-元件能以简单的电路实现诸多应用,应用示例很多,这里不再赘述。 十二、磁敏Z-元件研究中存在的问题 我们对磁敏Z-元件工作机理和特性的探讨做了大量工作,仍然有不少问题需要进一步探讨: 1.磁场的磁力线与Z-元件管芯平面的法线垂直时灵敏度最高,但是,磁场改变了方向后和改变方向前两者灵敏度不等的现象,尚未找到答案。 2.磁场由弱到强的变化,Vf的增加有跳跃式的变化,这种Z-元件在用于连续测量时就受到了限制。 3.磁敏Z-元件Vth一般较大(>10V) ,Vth较小的(<10V)往往灵敏度又较低。研制小Vth高灵敏度低温漂的磁敏Z-元件是一项高投资、高风险、高技术的新的攻关课题。 Z-元件是一个全新的元件。无论是温敏、光敏、磁敏还是力敏,进一步提高其灵敏度改善其一致性和稳定性,对于我们来说都是一项新的攻关课题,欢迎业内同仁和专家共同努力,开创Z-元件研究的新纪元。 参考文献 [1] V.Zotov,V.Bodrov, Small displacement sensors based on magnetosensitive Z-elements, Third Symposium on Measurement and control in Robotics ISMCR’93/Session Cm.IV-7, AMMA, Via Vela17, Torino, Italy, 1993. [2] V.Zotov,V.Bodrov, Novel semiconductor Sensitive elements based on the Z-effect intended for various robotic sensors and systems,2nd Symbosium on Measurement and control in Robotics ISMCR’92/p.p 723-728 [3] 傅云鹏,Z-元件技术特性评述和应用展望,电子产品世界 1996年7期 [4] 傅云鹏,赵振雁,王哲宁,Z-半导体敏感元件原理与应用-(1),传器世界2001年2期 [5] 周长恩等,Z-半导体敏感元件原理与应用-(2),传器世界2001年4期 [6] 王建林,Z-半导体敏感元件原理与应用-(3),传器世界2001年6期 The Review of Z-elements--—the Photosensitive Z-element , Magnetosensitive Z-element and their Application Abstract: The photosensitive Z-element and magnetosensitive Z-element are introduced in this paper with their voltage and current characteristics, typical circuits, designing methods and application examples. The paper is a reference when user make use of the Z-element to design measuring system. Keywords:Z-elements, Photo sensitive, Magnetosensitive, 作者简介 王建林:哈尔滨诺威克传感技术公司高级工程师, | |||||
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