传感器课程设计霍尔传感器测量磁场

1、目录一、 课程设计目的与要求 .二、 元件介绍 .三、课程设计原理 .3.1霍尔效应 .3.2测磁场的原理,载流长直螺线管内的磁感应强度 四、课程设计内容 .4.1 电路补偿调节 .4.2 失调电压调零 .4.3按图4-3接好信号处理电路 .4.4按图4-4接好总测量电路 .4.5 数据记录与处理 4.6 数据拟合 .13五、成品展示 .六、分析与讨论 .实验所需仪器 .个人总结 .致谢 参考文献 参考网址 .一、课程设计目的与要求1. 了解霍尔传感器的工作原理2. 掌握运用霍尔传感器测量磁场的方法、元件介绍CA3140CA3140高输入阻抗运算放大器，是美国无线电公司研制开发的一种 BiMO

2、S高电压的 运算放大器在一片集成芯片上，该CA3140A和CA3140BiMOS运算放大器功能保护 MOSFET 的栅极（PMO上）中的晶体管输入电路提供非常高的输入阻抗，极低输入电流和高速性 能。操作电源电压从4V至36V（无论单或双电源）,它结合了压电PMO晶体管工艺和高电 压双授晶体管的优点 .（ 互补对称金属氧化物半导体 ）卓越性能的运放。应用范围 :. 单电源放大器在汽车和便携式仪表. 采样保持放大器. 长期定时器. 光电仪表. 探测器. 有源滤波器. 比较器.TTL 接口. 所有标准运算放大器的应用. 函数发生器. 音调控制.电源. 便携式仪器3503 霍尔元件UGN3503LT

3、UGN35031和UGN3503UAI尔效应传感器准确地跟踪磁通量非常小的变 化，密度变化通常太小以致不方便操作霍尔效应开关。可作为运动探测器，齿传感器和接近探测器，磁驱动机械事件的镜像。作为敏感电 磁铁的显示器，就可以有效地衡量一个系统的负载量可以忽略不计的性能，同时提供隔 离污染和电气噪声。每个霍尔效应集成电路包括一个霍尔传感元件，线性放大器和射极跟随器输出级。三种封装形式提供了对磁性优化包大多数应用程序。封装后缀“LT”是一个缩影SOT-89/TO243AA表面贴装应用的晶体管封装；后缀“ U是一个微型三引脚塑料 SIP,而 UA是一个三引脚超小型SIP协议。所有器件的额定连续运行温度范

4、围为-20 C至+85 C。特点：极为敏感至23 kHz的平坦的响应低噪声输出 4.5 V至6 V的操作磁性优化装箱图2-4 3503霍尔元件封装及引脚图三、课程设计原理3.1霍尔效应度为B图3-1-1霍尔效应原理图把矩形的金属或半导体薄片放在磁感应强 的磁场中，薄片平面垂直于磁场方向。如图3-1-1所示，在横向方向通以电流I，那么就 会在纵向方向的两端面间出现电位差，这种现象称为霍尔效应，两端的电压差称为霍尔电压，其正负性取决于载流子的类型。(图3-1-1载流子为带负电的电子，是N型半导体 或金属)，这一金属或半导体薄片称为霍尔元件。假设霍尔元件由 N型半导体制成，当霍 尔元件上通有电流时，

5、自由电子运动的方向与电流I的流向相反的。由于洛伦兹力Fm ev B的作用，电子向一侧偏转，在半导体薄片的横向两端面间形成电场称为霍尔电场Eh，对应的电势差称为霍尔电压 UH。电子在霍尔电场Eh中所受的电场 力为FheEH，当电场力与磁场力达到平衡时，有若只考虑大小，不考虑方向有Eh =vB因此霍尔电压Uh=wEh =wvB(1)根据经典电子理论，霍尔元件上的电流I与载流子运动的速度V之间的关系为I=n evwd式中n为单位体积中的自由电子数,w为霍尔元件纵向宽度，d为霍尔元件的厚度。由式和式可得UhIBendRhdIBKhIBRh式中Uh k?ien是由半导体本身电子迁移率决定的物理常数， 称

6、为霍尔系数，而Kh称为 霍尔元件的灵敏度。在半导体中，电荷密度比金属中低得很多，因而半导体的灵敏度比 金属导体大得多，所以半导体中，电荷密度比金属中低得多，因而半导体的灵敏度比金 属导体大得多，所以半导体能产生很强的霍尔效应。 对于一定的霍尔元件，Kh是一常数, 可用实验方法测定。虽然从理论上讲霍尔元件在无磁场作用(B=0)时，Uh=0，但是实际情况用数字电压表 测量并不为零，这是由于半导体材料结晶不均匀、各电极不对称等引起附加电势差，该 电势差Uho称为剩余电压。随着科技的发展，新的集成化(IC)器件不断被研制成功，本课 程设计采用AN503型集成霍尔传感器。AN503型集成霍尔传感器有三根

7、引线，分别是：“V+ ”、“V “Vout”。其中“ V+ ”和“V” 构成“电流输入端” ，“Vout”和“V”构成“电压输出端”。由于AN503型集成霍尔传感器它的工作电流已设定，被称为标准 工作电流，使用传感器时，必须使工作电流处于该标准状态。在实验时，只要在磁感应 强度为零(B=0)条件下，“Vout”和“ V”之间的电压为2.500V，实际测得2.53V，贝M专 感器就处于标准工作状态之下(V+标号为1, V-标号为2, Vout标号为3)。所以要对霍尔传感器进行电路补偿，使得传感器在0磁场的条件下接入电路输出电压Uo=0V，则补偿电路如下：图3-1-2霍尔传感器的补偿电路3.2测磁

8、场的原理，载流长直螺线管内的磁感应强度对于密绕的螺线管，可以看成是一列有共同轴线的圆形线圈的图3-2-1并排组合，因此一个载流长直螺线管轴线上某点的磁感应强度，可 以从对各圆形电流在轴线上该点所产生的磁感应强度进行积分求和 得到。根据毕奥一萨伐尔定律，当线圈通以电流IM时，管内轴线上P点的磁感应强度为Bp 1 2 oNI m (cos 1 cos 2)5其中卩O为真空磁导率，卩O =4nX 10-7亨利/米，N为螺线管单位长度的线圈匝数，IM为线圈的励磁电流，B 1、B 2分别为点P到螺线管两端径失与轴线夹角，如图 3-2-1 所示。对于一个有限长的螺线管，在距离两端口等远的中心处轴上O点,c

9、os 1L 2(L 2)2 (D 2)2cos 2L 2.(L 2)2 (D 2)2式中D为长直螺线管直径，L为螺线管长度。此时，磁感应强度为最大，且等于Bo0NI MED2iL(1d)2)0NI M由于本设计所用的长直螺线管满足 LD,则近似认为B00 NI M在两端口处,cos 1Ll2(A)2cos 2010磁感应强度为最小，且等于Bi0 NI MLL2（；D）211同理，由于本设计所用的长直螺线管满足LD则近似认为112图 3-2-2B1 2 oNIm由（11）、（ 12）式可知，B1 12B0由图3-2-2所示的长直螺线管的磁力线分布可知， 其内 腔中部磁力线是平行于轴线的直线系，渐

10、近两端口时，这些 直线变为从两端口离散的曲线，说明其内部的磁场在很大一 个范围内是近似均匀的，仅在靠近两端口处磁感应强度才显 着下降，呈现明显的不均匀性。根据上面理论计算，长直螺 线管一端的磁感应强度为内腔中部磁感应强度的1/2。四、课程设计内容4.1电路补偿调节（1） 按图3-1-2接好电路。集成霍尔传感器与 5V微机电源相接（正负极请勿接错）。 如图标号，1接正极，2接地，3和2与数字电压表+、-相接。（2） 霍尔传感器处于零磁场条件下，传感器工作电源输出电压5V，测得数字电压显示的电压指示值为2.53V，调节传感器补偿电路中的可调电阻，也就是用一外接2.53V的电位差与传感器输出2.53

11、V电位差进行补偿，使数字电压表指示值为0（这时应将数字电压表量程开关拨向mV档），这时集成霍尔元件便达到了标准化工作状态，即集成霍尔 传感补偿电路的输出电压恰好达到U0=0V。4.2失调电压调零按图2-3接好电路。调节可调电阻使得运算放大器的输出端电压Uo=0V4.3按图4-3接好信号处理电路图4-3信号处理电路4.4按图4-4接好总测量电路图4-4为螺线管磁场测量电路示意图，即总电路图。螺线管长度：22.3cm,平均直径:25mm螺线管匝数：2000土20匝。螺线管中央均匀 磁场长度：10.0cm。电源组和数字电压表：传感器工作电源5V,传感器补偿电源5V。【注意事项】1. 集成霍尔元件的“

12、 V+”和“V”不能接反，否则将损坏元件。2. 实验中常检查Im=0时，传感器输出电压是否为 2.500V。3. 用mV当读U值。当Im=0时，输出端mV旨示应该为0。5. 拆除接线前应先将螺线管工作电流调至为零，再关闭电源。以防止电感电流突变 引起咼电压。6. 实验完毕后，请逆时针地旋转仪器上的三个调节旋钮，使恢复到起始位置（最小的位置)4.5数据记录与处理(1) 三位半数字万用表测量数据 表一正向测量结果序号12345678910111/mA019.840.059.780100120140.1159.8180199.8U/mV0.626.062.498.1135.5173209247283

13、320358B/H00.2170.4390.6560.8791.0991.3191.5401.7571.97952.197795876732表二反向测量结果序号1234567891011I/mA0-20-40-60-80-100-120-140-160-180-200U/mV0.5-41.0-77.9-115.0-151-187.-223-259-294-326-359.55B/H0-0.21-0.43-0.65-0.87-1.09-1.31-1.53-1.75-1.9795-2.19999998989796969594(2) 四位半数字万用表测量数据表三正向测量结果序号12345678910

14、1/mA020406080100120140160180U/mV8.547.884.4121.7158.4195.1232270306343B/H00.2190.4390.6590.8791.0991.3191.5391.7591.979599887665序号11121314151617181920I/mA200220240260280300U/mV381419456493530568B/H2.1992.4192.6392.8593.0793.29943322表四反向测量结果序号12345678910I/mA0-20-40-60-80-100-120-140-160-180U/mV-14-51

15、-88.2-125.3-163.2-200-237-273-310-347B/H0-0.219-0.439-0.659-0.879-1.099-1.319-1.539-1.759-1.979599887665序号11121314151617181920I/mA-200-220-240-260-280-300U/mV-383-420-457-495-533-570B/H-2.199-2.419-2.639-2.859-3.079-3.299433221线性度 el = 0.76% 线性度 el = 0.71%4.6 数据拟合（1）y = 165.1745 x -7.6376y = 162.866

16、7x - 5.8409线性度 el = 0.21% 线性度 el = 0.2%（2）y = 169.0742x + 9.4787y = 1681321x - 14.3265五、成品展示1、全图 图52、面包板接线六、分析与讨论1、补偿电路的分压电阻的大小对整个电路的输出电压是否有影响？答：有影响。现象 1：分压电阻用 10k 的电阻，可调电阻用 50k 的电阻。虽然此时补偿后传感器的 输出电压可基本调至 0. 而整个电路的输出无法调至 0，且数值波动很大。现象 2：分压电阻用 0.51k 的电阻，可调电阻用 1k 的电阻。此时补偿后传感器的输出电压可基本调至零，且整个电路的输出电压也可基本调至

17、零，且波动很小。由此可以得出，输入阻抗的大小对整个电路的输出电压是有影响的，所以补偿电路的分压电阻的大小对整个电路的输出电压是有影响的。2、失调电压调零电路的电阻对传感器的输出是否有影响？答：有影响。现象 1：当用 1k 和 0.51k 电阻并联时，输出端电压可基本调至 0，但是接入电路时， 输出电压稳定，且可基本调至 0。现象 2：当换成 10k 电阻时，输出电压也可基本调至 0，但是接入电路时输出电压不稳定，且波动较大。由此可以得出，失调电压调零电路的电阻对传感器的输出是有影响3、放大电路的放大倍数是否只能取决于一个点的输入输出电压？答：不能。放大电路的放大倍数不能只取决于一个点的输入输出

18、电压，而应该用输出变化量与输入变化量的比值来表示。现象：若用一个点的输入输出电压时，其放大倍数为 100 倍。不符设计电路计算结果；而用输出变化量与输入变化量的比值来表示时其放大倍数为十倍。符合设计电路计算结果4、霍尔元件伸入螺线管的长度对磁场的测量是否有影响？答：有影响。螺线管两端的磁场分布不均匀，中间分布均匀，当伸入长度极短时是有影响的，但 伸入长度稍微长一些时，保证其再均匀区域内，伸入长度是没有影响的。5、为什么要求磁场方向垂直于霍尔元件平面，否则测出的霍尔电压将如何变化？ 答：霍尔效应要通过测两板间的电势差，如果不垂直的话，正负电荷不能完全聚于 两板，所以两板间的电势差偏小，导致霍尔电

19、压偏小。实验所需仪器YB1732A 5A 直流稳压电源1WD 990 A 微机电源 1HT-30B 开关电源 1VC980A数字万用表1VC9807A四位半数字万用表1个螺线管AN503霍尔元件面包板导线CA3140运算放大器1K 可调电阻10K 可调电阻0.51K 电阻100k 电阻10K 电阻1个1 个 1块若干2个2个1个2个5个2个个人总结为期两周的课程设计很快进入最后阶段，此次课程设计是我们第一次真正的感受我们的专业课，第一次自己动手设计，制作试验器件。这次课程设计让我学会了很多东 西，从学习态度到知识的掌握，再到问题的解决。我们平时所掌握的知识都是分别从各 科目课本上学习所得，从来没有系统的把所学知识联系、应用起来，更不曾得知实践与 理想值之间的差距。此次课程设计的课时安排是 10 天，我们小组用第 1 天去总体设计电路和搭建基本的 电路框架，接下来的 3 天我们都在不断的修改我们的电路，因为我们发现按照最初的思 路制作的电路根本得不到预期的结果。由此，我深刻的体会到课本知识的重要性，有时 就是因为忽视了书本上提到的