傳感器課程設計——霍爾傳感器測量磁場

1、一、課程設計目的與要求.2二、元件介紹.3三、課程設計原理.6霍爾效應.6測磁場的原理,載流長直螺線管內(nèi)的磁感應強度.8四、課程設計內(nèi)容.10電路補償調(diào)節(jié).10失調(diào)電壓調(diào)零 .10按圖4-3接好信號處理電路.10按圖4-4接好總測量電路.11數(shù)據(jù)記錄與處理.12數(shù)據(jù)擬合.13五、成品展示.16六、分析與討論.17實驗所需儀器.19個人總結(jié).20致謝.21參考文獻.22參考網(wǎng)址.22一、課程設計目的與要求1.了解霍爾傳感器的工作原理二、元件介紹CA3140CA3140高輸入阻抗運算放大器,是美國無線電公司研制開發(fā)的一種BiMOS高電壓的運算放大器在一片集成芯片上，該CA3140A和CA3140

2、BiMOS運算放大器功能保護MOSFET的柵極（PMOS上）中的晶體管輸入電路提供非常高的輸入阻抗，極低輸入電流和高速性能。操作電源電壓從4V至36V（無論單或雙電源),它結(jié)合了壓電PMOS晶體管工藝和高電壓雙授晶體管的優(yōu)點.(互補對稱金屬氧化物半導體)卓越性能的運放。 應用范圍: .單電源放大器在汽車和便攜式儀表.采樣保持放大器.長期定時器.光電儀表.探測器.有源濾波器.比較器.TTL接口.所有標準運算放大器的應用.函數(shù)發(fā)生器.音調(diào)控制.電源.便攜式儀器 3503霍爾元件UGN3503LT，UGN3503U和UGN3503UA霍爾效應傳感器準確地跟蹤磁通量非常小的變化，密度變化通常太小以致不

3、方便操作霍爾效應開關?？勺鳛檫\動探測器，齒傳感器和接近探測器，磁驅(qū)動機械事件的鏡像。作為敏感電磁鐵的顯示器，就可以有效地衡量一個系統(tǒng)的負載量可以忽略不計的性能，同時提供隔離污染和電氣噪聲。每個霍爾效應集成電路包括一個霍爾傳感元件，線性放大器和射極跟隨器輸出級。三種封裝形式提供了對磁性優(yōu)化包大多數(shù)應用程序。封裝后綴“LT”是一個縮影SOT-89/TO243AA表面貼裝應用的晶體管封裝;后綴“U”是一個微型三引腳塑料SIP，而'UA'是一個三引腳超小型SIP協(xié)議。所有器件的額定連續(xù)運行溫度范圍為-20 °C至+85°C。特點:·極為敏感·至2

4、3 kHz的平坦的響應·低噪聲輸出·4.5 V至6 V的操作·磁性優(yōu)化裝箱圖2-4 3503霍爾元件封裝及引腳圖三、課程設計原理3.1霍爾效應圖3-1-1 霍爾效應原理圖把矩形的金屬或半導體薄片放在磁感應強度為的磁場中，薄片平面垂直于磁場方向。如圖3-1-1所示，在橫向方向通以電流I，那么就會在縱向方向的兩端面間出現(xiàn)電位差，這種現(xiàn)象稱為霍爾效應，兩端的電壓差稱為霍爾電壓，其正負性取決于載流子的類型。(圖3-1-1載流子為帶負電的電子，是N型半導體或金屬)，這一金屬或半導體薄片稱為霍爾元件。假設霍爾元件由N型半導體制成，當霍爾元件上通有電流時，自由電子運動的方向與電

5、流I的流向相反的。由于洛倫茲力的作用，電子向一側(cè)偏轉(zhuǎn)，在半導體薄片的橫向兩端面間形成電場稱為霍爾電場，對應的電勢差稱為霍爾電壓UH。電子在霍爾電場中所受的電場力為，當電場力與磁場力達到平衡時，有若只考慮大小，不考慮方向有 EH=vB因此霍爾電壓 UH=wEH=wvB (1)根據(jù)經(jīng)典電子理論，霍爾元件上的電流I與載流子運動的速度v之間的關系為 I=nevwd (2)式中n為單位體積中的自由電子數(shù)，w為霍爾元件縱向?qū)挾?，d為霍爾元件的厚度。由式(1)和式(2)可得 (3)即 (4)式中是由半導體本身電子遷移率決定的物理常數(shù)，稱為霍爾系數(shù)，而KH稱為霍爾元件的靈敏度。在半導體中，電荷密度比金屬中低得

6、很多，因而半導體的靈敏度比金屬導體大得多，所以半導體中，電荷密度比金屬中低得多，因而半導體的靈敏度比金屬導體大得多，所以半導體能產(chǎn)生很強的霍爾效應。對于一定的霍爾元件，KH是一常數(shù)，可用實驗方法測定。雖然從理論上講霍爾元件在無磁場作用(B=0)時，UH=0，但是實際情況用數(shù)字電壓表測量并不為零，這是由于半導體材料結(jié)晶不均勻、各電極不對稱等引起附加電勢差，該電勢差UHO稱為剩余電壓。隨著科技的發(fā)展，新的集成化(IC)器件不斷被研制成功，本課程設計采用AN503型集成霍爾傳感器。AN503型集成霍爾傳感器有三根引線，分別是：“V+”、“V”、“Vout”。其中“V+”和“V”構(gòu)成“電流輸入端”，“

7、Vout”和“V”構(gòu)成“電壓輸出端”。由于AN503型集成霍爾傳感器它的工作電流已設定，被稱為標準工作電流，使用傳感器時，必須使工作電流處于該標準狀態(tài)。在實驗時，只要在磁感應強度為零(B=0)條件下，“Vout”和“V”之間的電壓為2.500V，實際測得2.53V，則傳感器就處于標準工作狀態(tài)之下（V+標號為1，V-標號為2，Vout標號為3）。所以要對霍爾傳感器進行電路補償，使得傳感器在0磁場的條件下接入電路輸出電壓Uo=0V，則補償電路如下：圖3-1-2 霍爾傳感器的補償電路3.2測磁場的原理,載流長直螺線管內(nèi)的磁感應強度對于密繞的螺線管，可以看成是一列有共同軸線的圓形線圈的并排組合，因此一

8、個載流長直螺線管軸線上某點的磁感應強度，可以從對各圓形電流在軸線上該點所產(chǎn)生的磁感應強度進行積分求和得到。圖3-2-1根據(jù)畢奧薩伐爾定律，當線圈通以電流IM時，管內(nèi)軸線上P點的磁感應強度為 5其中O為真空磁導率，O =4×10-7亨利/米，N為螺線管單位長度的線圈匝數(shù)，IM為線圈的勵磁電流，1、2分別為點P到螺線管兩端徑失與軸線夾角，如圖3-2-1所示。 對于一個有限長的螺線管，在距離兩端口等遠的中心處軸上O點， 6 7式中D為長直螺線管直徑，L為螺線管長度。此時，磁感應強度為最大，且等于 8由于本設計所用的長直螺線管滿足L>>D，則近似認為 9 在兩端口處， 10磁感應

9、強度為最小，且等于11同理，由于本設計所用的長直螺線管滿足L>>D，則近似認為圖 3-2-212由（11）、（12）式可知，由圖3-2-2所示的長直螺線管的磁力線分布可知，其內(nèi)腔中部磁力線是平行于軸線的直線系，漸近兩端口時，這些直線變?yōu)閺膬啥丝陔x散的曲線，說明其內(nèi)部的磁場在很大一個范圍內(nèi)是近似均勻的，僅在靠近兩端口處磁感應強度才顯著下降，呈現(xiàn)明顯的不均勻性。根據(jù)上面理論計算，長直螺線管一端的磁感應強度為內(nèi)腔中部磁感應強度的1/2。四、課程設計內(nèi)容4.1電路補償調(diào)節(jié)（1）按圖3-1-2接好電路。集成霍爾傳感器與5V微機電源相接(正負極請勿接錯)。如圖標號，1接正極，2接地，3和2與數(shù)

10、字電壓表+、-相接。（2）霍爾傳感器處于零磁場條件下，傳感器工作電源輸出電壓5V，測得3V，調(diào)節(jié)傳感器補償電路中的可調(diào)電阻，也就是用一外接2.53V的電位差與傳感器輸出2.53V電位差進行補償，使數(shù)字電壓表指示值為0(這時應將數(shù)字電壓表量程開關撥向mV檔)，這時集成霍爾元件便達到了標準化工作狀態(tài)，即集成霍爾傳感補償電路的輸出電壓恰好達到U0=0V。4.2失調(diào)電壓調(diào)零按圖2-3接好電路。調(diào)節(jié)可調(diào)電阻使得運算放大器的輸出端電壓Uo=0V。4.3按圖4-3接好信號處理電路圖4-3信號處理電路4.4按圖4-4接好總測量電路信號處理電路5V霍爾元件0V 10V圖4-4為螺線管磁場測量電路示意圖，即總電路

11、圖。螺線管長度：cm，平均直徑:25mm。螺線管匝數(shù)：2000±20匝。螺線管中央均勻磁場長度：>。電源組和數(shù)字電壓表：傳感器工作電源5V，傳感器補償電源5V?！咀⒁馐马棥俊癡+”和“V”不能接反，否則將損壞元件。2.實驗中常檢查Im=0時，傳感器輸出電壓是否為2.500V。3.用mV檔讀U'值。當Im=0時，輸出端mV指示應該為0。5.拆除接線前應先將螺線管工作電流調(diào)至為零，再關閉電源。以防止電感電流突變引起高電壓。6.實驗完畢后，請逆時針地旋轉(zhuǎn)儀器上的三個調(diào)節(jié)旋鈕，使恢復到起始位置(最小的位置)。4.5數(shù)據(jù)記錄與處理（1）三位半數(shù)字萬用表測量數(shù)據(jù)表一 正向測量結(jié)果序

12、號1234567891011I/mA080100120180U/mV173209247283320358B/H0表二 反向測量結(jié)果序號1234567891011I/mA0-20-40-60-80-100-120-140-160-180-200U/mV-1515-223-259-294-326-359B/H0（2）四位半數(shù)字萬用表測量數(shù)據(jù)表三 正向測量結(jié)果序號12345678910I/mA020406080100120140160180U/mV232270306343B/H0序號11121314151617181920I/mA200220240260280300U/mV3814194564935

13、30568B/H表四反向測量結(jié)果序號12345678910I/mA0-20-40-60-80-100-120-140-160-180U/mV-14-51-200-237-273-310-347B/H0序號11121314151617181920I/mA-200-220-240-260-280-300U/mV-383-420-457-495-533-570B/H4.6數(shù)據(jù)擬合（1）y=x 線性度el = %y= 162.8667x - 線性度el = 0.71%（2）y= 169.0742x 線性度el = 0.21%y= 1681321x 線性度el = 0.2%五、成品展示1、全圖圖 52、

14、面包板接線六、分析與討論1、補償電路的分壓電阻的大小對整個電路的輸出電壓是否有影響？答：有影響?，F(xiàn)象1：分壓電阻用10k的電阻，可調(diào)電阻用50k的電阻。雖然此時補償后傳感器的輸出電壓可基本調(diào)至0.而整個電路的輸出無法調(diào)至0，且數(shù)值波動很大?，F(xiàn)象2：分壓電阻用0.51k的電阻，可調(diào)電阻用1k的電阻。此時補償后傳感器的輸出電壓可基本調(diào)至零，且整個電路的輸出電壓也可基本調(diào)至零，且波動很小。由此可以得出，輸入阻抗的大小對整個電路的輸出電壓是有影響的，所以補償電路的分壓電阻的大小對整個電路的輸出電壓是有影響的。2、失調(diào)電壓調(diào)零電路的電阻對傳感器的輸出是否有影響？答：有影響。 現(xiàn)象1：當用1k和0.51k

15、電阻并聯(lián)時，輸出端電壓可基本調(diào)至0，但是接入電路時，輸出電壓穩(wěn)定，且可基本調(diào)至0?，F(xiàn)象2：當換成10k電阻時，輸出電壓也可基本調(diào)至0，但是接入電路時輸出電壓不穩(wěn)定，且波動較大。由此可以得出，失調(diào)電壓調(diào)零電路的電阻對傳感器的輸出是有影響3、放大電路的放大倍數(shù)是否只能取決于一個點的輸入輸出電壓？答：不能。放大電路的放大倍數(shù)不能只取決于一個點的輸入輸出電壓，而應該用輸出變化量與輸入變化量的比值來表示?，F(xiàn)象：若用一個點的輸入輸出電壓時，其放大倍數(shù)為100倍。不符設計電路計算結(jié)果；而用輸出變化量與輸入變化量的比值來表示時其放大倍數(shù)為十倍。符合設計電路計算結(jié)果。4、霍爾元件伸入螺線管的長度對磁場的測量是否

16、有影響？答：有影響。螺線管兩端的磁場分布不均勻，中間分布均勻，當伸入長度極短時是有影響的，但伸入長度稍微長一些時，保證其再均勻區(qū)域內(nèi)，伸入長度是沒有影響的。5、為什么要求磁場方向垂直于霍爾元件平面，否則測出的霍爾電壓將如何變化？答：霍爾效應要通過測兩板間的電勢差，如果不垂直的話，正負電荷不能完全聚于兩板，所以兩板間的電勢差偏小，導致霍爾電壓偏小。實驗所需儀器YB1732A5A直流穩(wěn)壓電源 1個WD 990 A微機電源 1個HT-30B開關電源 1個VC980A+數(shù)字萬用表 1個VC9807A四位半數(shù)字萬用表 1個螺線管 1個AN503霍爾元件 1個 面包板 1塊導線 若干CA3140運算放大器

17、 2個1K可調(diào)電阻 2個10K可調(diào)電阻 1個 2個100k電阻 5個10K電阻 2個個人總結(jié)為期兩周的課程設計很快進入最后階段，此次課程設計是我們第一次真正的感受我們的專業(yè)課，第一次自己動手設計，制作試驗器件。這次課程設計讓我學會了很多東西，從學習態(tài)度到知識的掌握，再到問題的解決。我們平時所掌握的知識都是分別從各科目課本上學習所得，從來沒有系統(tǒng)的把所學知識聯(lián)系、應用起來，更不曾得知實踐與理想值之間的差距。此次課程設計的課時安排是10天，我們小組用第1天去總體設計電路和搭建基本的電路框架，接下來的3天我們都在不斷的修改我們的電路，因為我們發(fā)現(xiàn)按照最初的思路制作的電路根本得不到預期的結(jié)果。由此，我

18、深刻的體會到課本知識的重要性，有時就是因為忽視了書本上提到的一個條件或者是一句話就會導致結(jié)果上很大的偏差。同時，我也懂得了一句話盡信書則不如無書，書本上的知識是我們理解一門學科的基礎也是我們實踐的依據(jù)，但現(xiàn)實遠非課本上的那么多理想情況，沒有完全相等的電阻，也沒有不漂移的電路。凡事都要在認識的基礎上去親身實踐，只有把理論付諸于行動才能得到最好的理解。致謝此次課程設計是我們6個人的小組在老師的指導下共同完成的。在此，我首先感謝老師的指導和幫助，我們最終能圓滿完成設計任務離不開鮑老師平時的教導和實踐時耐心的指導和講解。鮑老師在上課時經(jīng)常教育我們凡事要有前因后果，要有合理依據(jù)，要循序漸進，這些思想在此次課程設計中都得到了良好的驗證，也教會了我們正確的對待學習和任務的態(tài)度