霍尔传感器及其在大学物理实验中的推广应用.doc

霍尔传感器及其在大学物理实验中的推广应用1 霍尔传感器的原理 如图1所示，在一个 N型半导体薄片相对的两侧面通以控制电流，在薄片的垂直方向加以磁场 ，则由于洛仑磁力作用在半导体载流片两端，产生一个与控制电流和磁场乘积成正比的电动势，即霍尔电动势: 图1 霍尔效应原理图 = （1）式中为灵敏度。 设霍尔元件的厚度为，单位体积内的自由电子数为，电子的电量为，电子运动速度方向与磁感应强度方向间的夹角为，则求得 = (2)式中=，称为霍尔系数。当=0时 = (3) 从(1)可知，当控制电流不变时，霍尔传感器的输出电压与磁场大小成正比，所以测得电压便可以测量霍尔传感器周围的磁感应强度;当磁感强度不变时，便可以测得通过霍尔片的电流、电压、功率等参数;由(2)式可知，当通过霍尔传感器的电流、周围的磁感应强度不变时，转动霍尔片，通过霍尔片的磁通量变化，产生的霍尔电动势和电子运动速度方向与磁场的夹角 有关，知道霍尔电压便可以求得角位移。2 工程应用中的霍尔传感器工程中的霍尔传感器主要种类有干簧管、磁敏二极管、磁敏三极管、磁阻传感器及瞿尔传感器;按输出的信号种类可分为线性霍尔传感器和开关型霍尔传感器;线性霍尔传感器的输出电压和磁感应强度成线性关系，在物理实验中主要用于测量磁感应强度，一般的物理实验指导书中都有介绍;开关型霍尔传感器的外形及内部电路如图2所示， 图2 开关型霍尔传感器结构及外型它主要包括霍尔元件、放大器、稳压电源、滞回比较器及集电极开路输出器等，通常它有单极型、双极型及锁存型等几种。单极型和双极型的主要差别在于作用在霍尔元件的磁感应强度的极性;锁存型霍尔传感器是指当外加磁场作用去掉后还保持所处的电平状态，只有当反极性磁场作用时，输出电平才改变。不管何种开关型霍尔传感器，描叙它们的参数主要有工作电压、最大动作点、最小动作点、开关上/下降时间等，其中最大最小动作点是指霍尔传感器的输出状态改变时，磁感应强度的大小及极性，单位为(mT )。3 在重力加速度测量实验中的应用 测量重力加速度在物理实验中通常采用单摆法和落球法测定重力加速度。单摆法测定重力加速度其计算公式为: (4) 式中为不可伸长细线的线长，为摆球的半径，为单摆的周期。若测得 ,和,便可以得到。 在测量 实验过程中，将单摆从平衡位置引开，让其自由摆动。当摆球至平衡位置时开动停表，测量100个摆动周期所需要的时间，并用平均法测单摆的周期。从上面的分析可知，影响实验数据误差的因素主要为实验者的测量时间的反应快慢，以及数摆球摆动次数可能出现的错误。如果利用霍尔传感器对实验装置做一定的改进，将大大提高实验的精度，减小实验误差，并减缓实验者的疲劳程度。整个实验仪的测量部分结构如图3所示，图3 单摆重力加速度测试仪框图总体分成三个部分:霍尔传感器位置传感，摆动次数计数电路，摆动时间计时电路。它的工作原理如下:在摆球的平衡点正下方处安装一个贴片式开关型霍尔传感器，将摆球的底部打孔并塞人同样大小的磁铁或磁钢;当摆球通过单摆的平衡点时，摆球内的磁场作用于霍尔片，霍尔传感器输出一个低电平信号，该信号经整形电路整形后，同时启动计时电路计时和计数电路计数，当计数次数到达预置的次数时，计数电路输出一个进位信号让计时电路停止计时，并在数码管上静止显示时间。由于单摆完成一个周期的摆动摇要经过平衡位f两次，实际上计数电路包括一个2分频电路，所以根据显示的时间和次数便可得平均周期。利用开关型霍尔传感器制作的位置传感电路如图4所示，图4 开关型霍尔传感器位置检测电路其中霍尔传感器选用 Hon-测量启eywell公司的SS111A，它的工作电压为3.8一24V，最大动作为6mT,最小动作点为 6mT(25)，开关最大上、下降时间为1.5s，故为了减小实验误差，让摆球在平衡点刚好动作，关键是制作摆球时磁钢的磁感应强度要满足最大、最小动作点的要求，开关上、下降时间越小越好。图4中的开关置于点时为启动测量，CD4093为施密特触发器与非门，U1A单元为整型电路，U1B单元为测量使能电路。R1为上拉电阻。计数电路采用74系列计数器，可以采用2位数码管和一个发光二极管显示，最大显示为199。计时电路的基准时钟采用晶振，然后分频得到微秒级时钟信号。4在简谐振动实验中的应用(测周期)基本原理如图(4.1)所示，集成霍尔开关是由稳压器A。霍尔电势发生器(即硅霍尔片)B，差分放大器C，施密特触发器D和OC门输出E五个基本部分组成。(1)，(2)，(3)代表集成霍尔开关的三个引出端点。 图4.1 图4.2在输入端（1）输入电压Vcc，经稳压器稳压后加在霍尔发生器的两端。根据霍尔效应原理，当霍尔片处于磁场中时，在垂直于磁场的方向通以电流，则与这二者相垂直的方向上将会有一个霍尔电势差VH输出，该VH信号经放大器放大以后送至施密特触发器整形，使触发器整形，使其成为方波输送到OC门输出。当施加的磁场达到工作点(即Bop)时，触发器输出高电压(相对于地电位)，使三极管导通，此时，OC门输出端输出低电压，通常称这种状态为“开”。当施加的磁场达到“释放点”(即Brp)时，触发器输出低电压，三极管截止，使OC门输出高电压，这时称其为“关”态,这样两次高电压变换，使霍尔开关完成了一次开关动作。 Bop与Brp的差值一定，此差值Bh=Bop-Brp称为磁滞，在此差值内，Vo保持不变，因而使开关输出稳定可靠，这也就是集成霍尔开关传感器优良特性之一。集成霍尔开关传感器输出特性如图4.2。集成霍尔传感器特性与简谐振动实验仪仪器结构，如图4.3图4.3 简谐振动实验仪1、弹簧，2、砝码盘，3、平面镜，4、游标卡尺，5、卡尺固定螺母，6、调节螺母，7、砝码和磁钢，8、开关霍尔传感器，9、水平调节螺丝，10、锁紧螺丝，11、计时电压测量稳压组合仪用集成开关型霍尔传感器测量弹簧振动周期，求弹簧倔强系数将集成霍尔开关的三个引脚分别与电源和周期测试仪相接。OUT接周期测试仪正级，V-接电源负极，并和周期测试仪负级连接，V+接电源正级，见图4.3，将钕铁硼磁钢粘于20g砝码下端，使S极面向下。把集成霍尔开关感应面对准S极，其与磁钢间距在10cm20cm之间。轻轻拉动弹簧使其上下振动，记录振动50次的时间，求出弹簧振子周期。要求进行多次测量（测量56次，每次50个周期）。由公式求弹簧倔强系数。集成开关型霍尔传感器测量弹簧的振动周期，比秒表法测量弹簧的振动周期更客观.5在扭摆法测量转动惯量实验中的应用转动惯量J与摆动周期的关系为： 本实验先测定一个几何形状规则的物体的摆动周期T。再根据上式求得转动惯量J。在金属杆的左端面贴一小的磁钢。把集成霍尔开关感应面对准S极，其与磁钢间距在10cm20cm之间。轻轻扭动被测物使其扭动，记录振动50次的时间，求出扭动周期。要求进行多次测量（测量56次，每次50个周期）。实验仪器：扭摆、集成开关型霍尔传感器、计时电压测量稳压组合仪。扭摆6在动态法测量杨氏模量实验中的应用实验原理 图6.1 霍尔位置传感器 （6.1）式中为位移量，此式说明在一个均匀梯度的磁场中，与成正比。为实现均匀梯度的磁场，可如图6.1所示选用两块相同的磁铁（磁铁截面积及表面磁感应强度相同），并使N极与N极相对而放置，两磁铁之间留一等间距间隙，霍尔元件平行于磁铁放在该间隙的中轴上。间隙大小要根据测量范围和测量灵敏度要求而定，间隙越小，磁场梯度就越大，灵敏度就越高。磁铁截面积要远大于霍尔元件的面积，以尽可能地减小边缘效应影响，提高测量准确度。由于磁铁间隙内中心截面A处的磁感应强为零，霍尔元件处于该处时，输出的霍尔电势差应为零。当霍尔元件偏离中心，沿Z发生位移时，由于磁感应强度不再为零，霍尔元件就产生相应的电势差输出，其大小可由数字电压表测量。由此可以将霍尔电势差为零时元件所处的位置作为位移参考零点。霍尔电势差与位移量之间存在一一对应关系，当位移量较小时（2mm）这一对应关系具有良好的线性。在横梁弯曲情况下，杨氏模量E用下式表示 （6.2）其中，d为两刀口间的距离，a为梁的厚度，b为梁的宽度，m为加挂砝码的质量，为梁中心由于外力作用而下降的距离，为重力加速度。实验仪器及介绍图6.2杨氏模量仪器实物图梁弯曲实验仪（含读数显微镜、95A型集成霍尔位置传感器、磁铁两块、带刀口的可调支座、带刀口的金属框、砝码、水平仪等）如图6.2所示、米尺，游标卡尺，螺旋测微器，砝码，待测材料（一根黄铜、一根可铸锻铁）。7 在测量磁滞回线实验中的应用实验仪器如图7所示。它由直流稳流源、交流电压源、数字式特斯拉计(以霍尔传感器为探测器，并有螺旋装置移动)、待测环形磁性材料(上面绕有2000匝线圈，样品平均磁路长度为0.24m，截面为2.00cm2.00cm，间隙为0.2m)和双刀双掷开关等。 图7 HM-1霍尔