传感器基本原理基础知识
第一章 传感器的基本知识
第一章传感器的基本知识复习思考题1. 简述传感器的概念、作用及组成。
2. 传感器的分类有哪几种？各有什么优缺点？3. 传感器是如何命名的？其代号包括哪几部分？在各种文件中如何应用？4. 传感器的静态性能指标有哪些？其含义是什么？5. 传感器的动态特性主要从哪两方面来描述？采用什么样的激励信号？其含义是什么？1.1 传感器的作用与地位◆世界是由物质组成的，各种事物都是物质的不同形态。
人们为了从外界获得信息，必须借助于感觉器官。
◆人的“五官”——眼、耳、鼻、舌、皮肤分别具有视、听、嗅、味、触觉等直接感受周围事物变化的功能，人的大脑对“五官”感受到的信息进行加工、处理，从而调节人的行为活动。
◆人们在研究自然现象、规律以及生产活动中，有时需要对某一事物的存在与否作定性了解，有时需要进行大量的实验测量以确定对象的量值的确切数据，所以单靠人的自身感觉器官的功能是远远不够的，需要借助于某种仪器设备来完成，这种仪器设备就是传感器。
传感器是人类“五官”的延伸，是信息采集系统的首要部件。
电量和非电量◆表征物质特性及运动形式的参数很多，根据物质的电特性，可分为电量和非电量两类。
◆电量——一般是指物理学中的电学量，例如电压、电流、电阻、电容及电感等；◆非电量——则是指除电量之外的一些参数，例如压力、流量、尺寸、位移量、重量、力、速度、加速度、转速、温度、浓度及酸碱度等等。
◆人类为了认识物质及事物的本质，需要对物质特性进行测量，其中大多数是对非电量的测量。
传感器的作用◆非电量不能直接使用一般的电工仪表和电子仪器进行测量，因为一般的电工仪表和电子仪器只能测量电量，要求输入的信号为电信号。
◆非电量需要转化成与其有一定关系的电量，再进行测量，实现这种转换技术的器件就是传感器。
◆传感器是获取自然或生产中信息的关键器件，是现代信息系统和各种装备不可缺少的信息采集工具。
采用传感器技术的非电量电测方法，就是目前应用最广泛的测量技术。
传感器的地位◆随着科学技术的发展，传感器技术、通信技术和计算机技术构成了现代信息产业的三大支柱产业，分别充当信息系统的“感官”、“神经”和“大脑”，他们构成了一个完整的自动检测系统。
传感器基础知识点整理
传感器基础知识点整理
本文档旨在梳理传感器的基础知识点，帮助读者了解传感器的工作原理和常见类型。
1. 传感器简介
传感器是一种用于检测和测量物理量的器件，可以将各种物理量（如温度、压力、力、光等）转换为可读取的电信号。
2. 传感器的工作原理
传感器工作原理根据不同的物理量而异，但通常包括以下几个步骤：
- 接收：传感器接收待测物理量的信号。
- 转换：传感器将接收到的信号转换成可读取的电信号。
- 输出：传感器将转换后的电信号输出给其他设备或系统。
3. 传感器的常见类型
3.1 温度传感器
温度传感器用于测量环境或物体的温度。
常见的温度传感器有：
- 热电偶：基于热电效应，利用两种不同金属的接触产生电势
差来测量温度。
- 热敏电阻：利用材料电阻与温度的关系来测量温度。
3.2 压力传感器
压力传感器用于测量气体或液体的压力。
常见的压力传感器有：
- 压阻式传感器：利用应变片的变形来测量压力。
- 电容式传感器：利用电容的变化来测量压力。
- 压力膜片传感器：利用薄膜片的弯曲来测量压力。
3.3 光传感器
光传感器用于检测光的存在、光的强度或光的颜色。
常见的光传感器有：
- 光敏电阻：利用光照射产生的光电效应来测量光的强度。
- 光电二极管：基于光电效应来测量光的强度。
- 光电三极管：在光电二极管的基础上增加了一个控制端口，用于增强灵敏度。
4. 总结
本文档简要介绍了传感器的基础知识点，包括传感器的工作原理和常见类型。
通过了解这些知识，读者可以更好地理解传感器的应用场景和原理。
各种传感器原理
各种传感器原理1. 光敏传感器原理：光敏传感器利用光电效应将光信号转化为电信号。
当光照射到光敏传感器上时，光能量激发光敏材料中的电子，使其跃迁到导带中，产生电流。
根据光敏材料的不同，光敏传感器可分为光电二极管、光敏电阻、光敏三极管等。
2. 温度传感器原理：温度传感器基于温度和物理性质之间的关系，如电阻、电压、电流等。
常见的温度传感器有热敏电阻、热电偶、热电阻等。
其中，热敏电阻利用电阻值随温度变化的特性，热电偶则利用两种不同金属间的热电效应产生的电势差与温度成正比。
3. 压力传感器原理：压力传感器通过测量物理上施加在其上的压力，将压力量化为电信号输出。
常见的压力传感器有压阻式、电容式和磁敏式传感器。
压阻式传感器利用电阻随受力点表面形变而改变的原理，电容式传感器则利用振动膜片上电容的变化，而磁敏式传感器则是通过感应磁场的变化来测量压力。
4. 湿度传感器原理：湿度传感器通过测量空气中的水汽含量来获得湿度信息。
常见的湿度传感器有电容湿度传感器、电阻湿度传感器和化学湿度传感器。
其中，电容湿度传感器利用介质吸湿后导致电容变化的原理，电阻湿度传感器则是通过测量材料电阻随湿度变化情况来获得湿度值，化学湿度传感器则是基于湿度与某种化学物质反应而改变电信号输出。
5. 加速度传感器原理：加速度传感器通过测量被测物体的加速度，将加速度转化为电信号输出。
加速度传感器主要分为压电式和微机械式（MEMS）两种。
压电式传感器利用压电效应，将受力物体的压力转化为电荷输出。
微机械式传感器则是通过微机械结构的变形或振动来感应加速度，并转化为电信号。
6. 磁力传感器原理：磁力传感器通过测量磁场的强度和方向来获得磁力信息。
常见的磁力传感器有霍尔效应传感器、磁电传感器和磁敏电阻传感器。
霍尔效应传感器利用材料中的霍尔电压随磁场变化的原理，磁电传感器则基于磁致伸缩效应产生电信号输出，磁敏电阻传感器则是根据材料磁阻随磁场变化的特性来测量磁力值。
传感器基础知识
酒精测试仪
呼气管
电子湿度计模块
封装后的外 形
1.2.2 测量方法
1) 直接测量、间接测量和组合测量 (又称联立 测量)。经过求解联立方程组，才能得到被测物 理量的最后结果，则称这样的测量为组合测量。
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Thursday
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①主称——传感器代号C ②被测量—用一个或两个汉语拼音 的第一个大写字母标记。③转换原理——用一个或两个汉语 拼音的第一个大写字母标记。④序号——用一个阿拉伯数字 标记，厂家自定，用来表征产品设计特性、性能参数、产品 系列等。
例：应变式位移传感器： C WY-YB-20 光纤压力传感器：C Y-GQ-2
④+①超调量σ 传感器输出超过稳态值的最 大值。
④ +②衰减比d 衰减震荡的二阶传感器输 出响应曲线第一个峰值与第二个峰值之比。
2. 频率响应特性
传感器对不同频率正弦输入信号的响应特性，称为 频率响应特性。
频率响应法是从传感器的频率特性出发研究传感器 的动态特性。
（1）零阶传感器的频率特性 （2）一阶传感器的频率特性 （3） 二阶传感器的频率特性 （4）频率响应特性指标
检测技术主要研究被测量的测量原理、测量方
法、检测系统和数据处理等方面的内容。
不同性质的被测量要采用不同的原理去测量， 测量同一性质的被测量也可采用不同测量原 理。
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自动检测技术的重要性
（1）测试手段就是仪器仪表 在工程上所要测量的参数大多数为非电量，促使 人们用电测的方法来研究非电量，即研究用电测 的方法测量非电量的仪器仪表，研究如何能正确 和快速地测得非电量的技术。
普及一下基础知识——霍尔传感器工作原理
普及一下基础知识——霍尔传感器工作原理霍尔传感器是一种基于霍尔效应工作的传感器，可用于检测磁场的存在和强度。
这种传感器通常由霍尔元件、运放放大电路和输出电路组成。
在本文中，我们将详细介绍霍尔传感器的工作原理及其应用领域。
首先，让我们了解一下霍尔效应。
霍尔效应是指当一个导电体横跨于外磁场时，在导电体两侧产生一种电势差。
这个效应是由洛伦兹力产生的，洛伦兹力是磁场施加在流经导体上的电荷所产生的力。
洛伦兹力的大小与电荷的速度、电荷的量以及磁场的强度和方向有关。
基于霍尔效应，霍尔传感器利用霍尔元件来产生电势差的变化来检测磁场。
霍尔元件通常是一个薄薄的半导体片，其上有一个沿片厚方向施加的电场。
当磁场作用于元件上的电荷载流子时，根据洛伦兹力的作用，载流子会偏转，从而产生一个电势差。
这个电势差可以通过连接在霍尔元件上的电路进行放大和测量。
霍尔元件中的电场是由一种叫做霍尔电位的电势差产生的。
霍尔电位可以通过在芯片中施加一个电场来产生，这个电场由芯片两侧的金属层产生。
当没有磁场存在时，电势差为零。
但是当磁场作用于元件时，车载流子会偏转并堆积到芯片的一侧，从而引起霍尔电位的变化，进而产生一个电压信号。
为了提高霍尔传感器的灵敏度和稳定性，通常将元件的输出信号输入到一个运放放大电路中。
运放放大电路可以将微弱的电信号放大到可以被测量和处理的水平。
运放放大电路通常由一个差动放大器组成，其中一个输入端连接到霍尔元件的输出端，另一个输入端连接到一个反馈电阻。
运放放大电路可以提供一个稳定、线性，并且相对高的增益，以确保传感器的精度和可靠性。
最后，输出电路将放大的信号转换成适合应用的形式，例如模拟电压信号或数字信号。
根据具体的应用需求，输出电路可以采用不同的设计方案，如振荡电路、比较器电路或模数转换器等。
霍尔传感器具有广泛的应用领域。
它们可以用于测量电流、转速、位置和磁场强度等方面。
在汽车领域，霍尔传感器常用于测量车速、转速和引擎位置等。
传感器基础知识讲解
传感器基础知识讲解传感器，在现代科技中扮演着重要的角色。
它们是将物理量或化学量转化为可测量、可感知的电信号或其他形式的能量输出的装置。
本文将为您详细介绍传感器的基础知识，包括其工作原理、分类和应用领域等。
一、传感器的概念及工作原理传感器是指能够将所测量的物理量或化学量转换成可读的电信号或其他形式的能量输出的装置。
传感器的工作原理主要分为以下几种：1. 电阻式传感器：电阻式传感器利用物理量改变电阻值的特性，通过测量电阻值的变化来获取目标物理量的值。
例如，温度传感器就是一种电阻式传感器，它根据温度的变化来改变电阻值。
2. 压阻式传感器：压阻式传感器利用物理量改变电阻值的原理，通过测量电阻值的变化来间接获取目标物理量的值。
比如，压力传感器利用介质压力的变化引起电阻值的变化，从而测量介质的压力大小。
3. 电容式传感器：电容式传感器利用物理量改变电容值的特性，通过测量电容值的变化来获得目标物理量的值。
例如，湿度传感器就是一种电容式传感器，它根据湿度的变化引起电容值的变化来测量湿度。
4. 磁敏式传感器：磁敏式传感器利用物理量改变磁场强度的原理，通过测量磁场强度的变化来获得目标物理量的值。
例如，磁力传感器可以根据磁场强度的变化来测量磁力大小。
二、传感器的分类根据应用领域和测量原理的不同，传感器可以分为多个类别。
以下是一些常见的传感器分类：1. 温度传感器：用于测量环境或物体的温度，常见的有热敏电阻、热电偶和红外温度传感器等。
2. 压力传感器：用于测量气体或液体的压力，常见的有压电传感器、压阻传感器和压电式绝对压力传感器等。
3. 湿度传感器：用于测量空气或物体的湿度，常见的有电容式湿度传感器和表面声波湿度传感器等。
4. 光电传感器：用于检测光源、物体的透明度或反射光强度，常见的有光电开关和光电二极管等。
5. 位移传感器：用于测量物体的位移或位置，常见的有电感位移传感器和光电编码器等。
6. 加速度传感器：用于测量物体的加速度或振动，常见的有压电加速度传感器和微机械加速度传感器等。
普及一下基础知识——霍尔传感器工作原理
普及一下基础知识——霍尔传感器工作原理霍尔传感器是一种常用的电子元件，用于检测磁场的存在和强度。
它的工作原理基于霍尔效应，即在一定条件下当电流通过一个导体时，垂直于电流方向的磁场会产生横向于电流和磁场方向的电压。
霍尔传感器通常由霍尔元件、电源和输出电路组成。
霍尔元件是一个半导体器件，两侧有电极用于接收电流，一个导通超过特定值的电流，例如几十毫安甚至更高。
霍尔元件的适用磁场范围由其特定型号确定。
当电流通过霍尔元件时，如果有一个垂直于电流方向的磁场，就会产生横向于电流和磁场方向的电压。
这个电压被称为霍尔电压，其大小与电流和磁场强度成正比。
霍尔传感器可以工作在两种模式下：磁场传感模式和电流传感模式。
在磁场传感模式下，霍尔传感器通过测量霍尔电压来检测附近磁场的存在和强度。
在电流传感模式下，霍尔传感器通过控制经过它的电流以达到特定的电流值，从而实现对磁场的测量。
为了提高霍尔传感器的精确度和可靠性，常常需要对其进行校准。
校准可以通过调整电路参数和测量电路中其他元件的值来实现。
校准的目标是在给定磁场范围内获得准确的传感器输出，并消除因零偏和温度漂移而引起的误差。
霍尔传感器在很多领域得到了广泛的应用。
例如，它们可以用于测量转速、位置、电流和角度等物理量。
在汽车工业中，霍尔传感器可以用于测量发动机转速、车速和节气门位置等信息，从而提供给车辆控制系统。
在工业自动化中，霍尔传感器可以用于检测位置、速度和流量等参数，从而实现对生产过程的监测和控制。
总结一下，霍尔传感器是一种利用霍尔效应工作的电子元件，可以用于检测磁场的存在和强度。
它的工作原理基于电流通过一个导体时，垂直于电流方向的磁场会产生横向于电流和磁场方向的电压。
霍尔传感器在各个领域得到了广泛的应用，可以用于测量转速、位置、电流和角度等物理量。
第一章传感器技术基础知识
时间常数：用时间常数τ来表征一阶传感器的动态特性。τ越小， 频带越宽。
固有频率：二阶传感器的固有频率ωn表征了其动态特性。
传感器的选用原则
与测量条件有关的因素 (1)测量的目的 (2)被测试量的选择 (3)测量范围 (4)输入信号的幅值，频带宽度 (5)精度要求 (6)测量所需要的时间
相应的响应曲线 ：
传感器存在惯性，它的输出不能立即复现输入信号，而是从零开 始，按指数规律上升，最终达到稳态值。 理论上传感器的响应只在t趋于无穷大时才达到稳态值，但实际上 当t=4τ时其输出达到稳态值的98.2%，可以认为已达到稳态。 τ越小，响应曲线越接近于输入阶跃曲线， 因此，τ值是一阶传感器重要的性能参数。
测量
测量是指人们用实验的方法，借助于一定的仪器或 设备，将被测量与同性质的单位标准量进行比较，
并确定被测量对标准量的倍数，从而获得关于被测
量的定量信息。
xnu或
x——被测量值；
n x u
u——标准量，即测量单位；
n——比值，含有测量误差。
测量过程
传感器从被测对象获取被测量的信息，建立起 测量信号，经过变换、传输、处理，从而获得 被测量量值的过程。
线性传感器
S y x
灵敏度是它的静态特性的斜率，即S为常数。
非线性传感器
它的灵敏度S为一变量，用下式表示。
S dy dx
传感器的灵敏度如图1-3所示。
Y
Y
S y - y0
Yo
x
X O
a）线形传感器
Байду номын сангаас
Y dy
dx S dy dx X
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传感器基本原理基础知识
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4.1 霍尔元件
主要技术参数
1. 输入电阻Rin：
控制电流电极端子之间的电阻值。
2. 输出电阻Rout：
霍尔电压输出电极端子之间的电阻值。
3. 额定控制电流IC：B=0、 25℃、⊿T =10℃ 最大允许控制电流Icm：最高允许使用温度（Tj）
b、d元件尺寸，ρ电阻率， αs散热系数, ⊿T=Tj-T室温
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4.1 霍尔元件
1. 霍尔计数装置
金属钢球计数 被磁化的钢球经过霍尔开关SL3051； 每过一个钢球产生一个脉冲，可计数和显示。
S 磁铁
S
+5V
钢球
N
绝缘板
SL3051
R4 470k
RL
计
霍尔开关
+12V
C1 22μ R3
1k
IC μ+ A741
数
R5
器
T
470Ω 2N5812
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4.1 霍尔元件
4. 乘积灵敏度KH： 在单位控制电流IC、单位磁感应强度B作用下，
器件输出端开路时的霍尔电压（单位为V/A·T）。
5. 磁灵敏度SB ：
在额定控制电流IC和单位磁感应强度B作用下，霍尔器件 输出端开路的霍尔电压VH。
单位为V/ T
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传感器
R1 10k R2 11k
(a) 工作示意图
(b) 电路图
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4.1 霍尔元件
2. 霍尔汽车点火器
传统点火器： 触点开关可靠性差
霍尔汽车点火器： 无触点 磁轮鼓：交替嵌有永久磁铁 磁轮鼓转动时，磁场变化， SL3020输出脉冲信号。
SN S N
SL3020
N
S
E
S
开关管
4.1 霍尔元件
工艺：
外延法制备单晶硅薄膜霍尔元件 InAs薄膜型高灵敏器件
外形结构----霍尔片、四根引线、壳体
b
c
a
b UH R 负L
载
R
d
c a
d
b
(a )外形
c da
(b )结构
(c )符号
E (d )基本电路
a、b线为控制电流端引线，常为红色导线；
c、d为霍尔输出引线，常为绿色导线：
壳体是非导磁金属、陶瓷或环氧树脂封装。
一、物理磁阻效应 1、定义
v 缺点:
转换效率低 受磁场影响大
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3
4.1 霍尔元件
4.1.1 霍尔元件
一、霍尔效应
金属或半导体薄片、磁场、电流 产生电场
原理：
金属：自由电子；半导体：载流子
B
洛仑兹力FL、电场力FL FL＝FE
霍尔电场EH 霍尔电势UH
FL
v FE
霍尔效应示意图
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I UH
二、转速测量
永磁体固定在被测轴上，元件置于磁铁气隙中。
轴转动时，磁场变化，霍尔元件输出UH 变化。
UH
霍 尔 元 件
ω
N
H 0
S
π
2π
θ =ω t(度 )
VH/mV
ω
0
S
N
H
霍尔元件
ωt/弧度
两种传测感量器转基速本原示理意基图础知识
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4.1 霍尔元件
三、功率测量
外加磁场B正比于被测电压U：
K1、K2均为常数，K=RHKNS N
磁轮鼓
SN
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火花 塞
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4.2 半导体磁阻器件
4.2.1 磁阻效应 磁阻效应：
当半导体片受到与电流垂直的B时，出现电流密度下降， 电阻率增大的现象。
将外加磁场使电阻变化的现象称为磁阻效应。
物理磁阻效应 几何磁阻效应
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21
4.2 半导体磁阻器件
UH正比于被测功率P
适用于直流大功率的测量。
I
R
RL
UB
霍尔元件
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UH 17
4.1 霍尔元件
四、在无损探伤中的应用
S
NS
N
无缺陷磁料中磁力线的分布
有缺陷磁料中磁力线的分布
原理：
有缺陷时，磁力线有部分露出表面； 用霍尔元件检测泄露磁感应强度B的变化；
组成：
磁场激励源、探伤元件、可调整式探头等组成。
0
0.5
1.0
x /l
UH随x的变化曲线
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4.1 霍尔元件
4.1.2 霍尔元件的结构与特性
敏感结构：霍尔片
d
d
a
b
c （a）体型
a
b
c （b）改进型
d 霍尔片
a
b
绝缘基片 c
（c）薄膜型
图a ：单晶薄片 图b：克服a、b电极短路作用 图c：元件厚度越小，KH越大，薄膜型器件
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第四章
磁敏传感器
传感器基本原理基础知识
1
第四章 磁敏传感器
磁学量信号
电信号
体型磁敏传感器：霍尔传感器 结型磁敏传感器：磁敏二极管、磁敏三极管 磁电传感器
检测磁场强度：10-14T~25T
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4.1 霍尔元件
霍尔元件的特点：
v 霍尔元件优点:
信噪比大 频率范围宽 无触点 易微型化和集成化
4
4.1 霍尔元件
霍尔电场EH
RH为霍尔系数； I为外加电流； B为磁场强度
霍尔电势UH
KH为灵敏度系数； I为外加电流； B为磁场强度
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5
4.1 霍尔元件
洛仑兹力
v 若电子都以均一速度- ，那么在 B作用下所受力：
电场力
电场 EH 作用于电子的力：
负号表示电子的受力方向与电场方向相反
4.1 霍尔元件
6. 不等位电势UM： B=0
材料厚度不均、输出电极焊接不良 两个输出电极不在同一等位面。
UM
R
Ic m E
7. 霍尔电压温度系数β： 温度每变化1℃时UH的相对变化率（单位是%/℃）。
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4.1 霍尔元件 4.1.4 霍尔元件应用
一、位移测量
响应快，无接触测量，一般测量微小位移。
B
N
S
I
0
X
S
N
(a) 传感器磁路结构示意图
(b) 磁场变化
磁场梯度dB/dx为常数，即磁场随x线性变化
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X
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4.1 霍尔元件
霍尔元件沿x方向移动时：
K为位移传感器 输出灵敏度
磁场梯度越大，灵敏度越高； 磁场梯度越均匀，输出线性度越好。
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4.1 霍尔元件
(3) 控制电极对UH的短路作用
控制电极的接触面积
对霍尔电势的短路作用
离控制电极越近UH越小，在l/2处UH有最大值。
四、霍尔效应的用途
测量磁场 检测电流 测微小位移、压力、机械振动： 线性梯度磁场
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U (x ) / m V H
200
b/l=4
150
b/l=2
100 b/l=1
50
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6
4.1 霍尔元件
二、影响霍尔效应的因素：
(1) 磁场与元件法线的夹角 磁场与薄片法线有一夹角α（0至90°）
(2) 元件的几何形状对UH的影响
f(l/b)
1.0
0.5
f(l/b)为形状效应因子
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0 1.0 2.0 3.0 4.0
l/b
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4.1 霍尔元件