傳感器課程設(shè)計——霍爾傳感器測量磁場

1、目 錄一、課程設(shè)計目的與要求.2二、元件介紹.3三、課程設(shè)計原理.63.1霍爾效應(yīng). 63.2測磁場的原理,載流長直螺線管內(nèi)的磁感應(yīng)強度 .8四、課程設(shè)計內(nèi)容.104.1電路補償調(diào)節(jié).104.2失調(diào)電壓調(diào)零 .104.3按圖4-3接好信號處理電路.104.4按圖4-4接好總測量電路.114.5數(shù)據(jù)記錄與處理.124.6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(shè)計目的與要求1.了解霍爾傳感器的工作原理2.掌握運用霍爾傳感器測量磁場的方法二、元件介紹CA3140CA3140高輸入阻抗運算放大器,是美國無線電

2、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 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(dǎo)體)卓越性能的運放。 應(yīng)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(yīng)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，UGN

3、3503U和UGN3503UA霍爾效應(yīng)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方便操作霍爾效應(yīng)開關(guān)?？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(yīng)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(yīng)用程序。封裝后綴“LT”是一個縮影SOT-89/TO243AA表面貼裝應(yīng)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

4、度范圍為-20 °C至+85°C。特點:·極為敏感·至23 kHz的平坦的響應(yīng)·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(shè)計原理3.1霍爾效應(yīng)圖3-1-1 霍爾效應(yīng)原理圖把矩形的金屬或半導(dǎo)體薄片放在磁感應(yīng)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(yīng)，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(dǎo)體或金屬)，這一金屬或半導(dǎo)

5、體薄片稱為霍爾元件。假設(shè)霍爾元件由N型半導(dǎo)體制成，當(dāng)霍爾元件上通有電流時，自由電子運動的方向與電流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(dǎo)體薄片的橫向兩端面間形成電場稱為霍爾電場，對應(yīng)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(dāng)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(guān)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(dǎo)體本

6、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(dǎo)體中，電荷密度比金屬中低得很多，因而半導(dǎo)體的靈敏度比金屬導(dǎo)體大得多，所以半導(dǎo)體中，電荷密度比金屬中低得多，因而半導(dǎo)體的靈敏度比金屬導(dǎo)體大得多，所以半導(dǎo)體能產(chǎn)生很強的霍爾效應(yīng)。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(dǎo)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(shè)計采用AN503型集成霍爾傳感器。AN503型集成霍

7、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”，“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(shè)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(yīng)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

8、理,載流長直螺線管內(nèi)的磁感應(yīng)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，因此一個載流長直螺線管軸線上某點的磁感應(yīng)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(yīng)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(dāng)線圈通以電流IM時，管內(nèi)軸線上P點的磁感應(yīng)強度為 5其中O為真空磁導(dǎo)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(yīng)強度為最大，

9、且等于 8由于本設(shè)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(yīng)強度為最小，且等于 11同理，由于本設(shè)計所用的長直螺線管滿足L>>D，則近似認為圖 3-2-2 12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(yīng)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(yīng)強度為內(nèi)腔中部磁感應(yīng)強度的1/2。四、課程設(shè)計內(nèi)容 4.1電路補償調(diào)節(jié)（1）按圖

10、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)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，測得數(shù)字電壓顯示的電壓指示值為2.53V，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(yīng)將數(shù)字電壓表量程開關(guān)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

11、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，即總電路圖。螺線管長度：22.3cm，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：>10.0cm。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。 【注意事項】1.集成霍爾元件的“V+”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(dāng)Im=0時，輸出端mV指示應(yīng)該為0。5.拆除接線前應(yīng)先將螺線管工作電流調(diào)至為零，再關(guān)閉電源。

12、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(fù)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)果序號1234567891011I/mA019.840.059.780100120140.1159.8180199.8U/mV0.626.062.498.1135.5173209247283320358B/H00.21770.43990.65650.87981.09971.31961.54071.75731.97952.1972表二 反向測量結(jié)果序號1234567891011I/mA0-20-40-60-80-100

13、-120-140-160-180-200U/mV0.5-41.0-77.9-115.0-1515-187.5-223-259-294-326-359B/H0-0.2199-0.4399-0.6598-0.8798-1.0997-1.3196-1.5396-1.7595-1.9795-2.1994（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/mV8.547.884.4121.7158.4195.1232270306343B/H00.21990.43990.65980.87981.09971.31961.539

14、61.75951.9795序號11121314151617181920I/mA200220240260280300U/mV381419456493530568B/H2.19942.41932.63932.85923.07923.299 表四 反向測量結(jié)果序號12345678910I/mA0-20-40-60-80-100-120-140-160-180U/mV-14-51-88.2-125.3-163.2-200-237-273-310-347B/H0-0.2199-0.4399-0.6598-0.8798-1.0997-1.3196-1.5396-1.7595-1.9795序號1112131

15、4151617181920I/mA-200-220-240-260-280-300U/mV-383-420-457-495-533-570B/H-2.1994-2.4193-2.6393-2.8592-3.0792-3.29914.6數(shù)據(jù)擬合（1）y = 165.1745 x 7.6376 線性度el = 0.76%y = 162.8667x - 5.8409 線性度el = 0.71%（2）y = 169.0742x + 9.4787 線性度el = 0.21%y = 1681321x - 14.3265 線性度el = 0.2%五、成品展示1、全圖圖 52、面包板接線六、分析與討論1、補償

16、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。現(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(dāng)用1k和0.51k電阻并聯(lián)時，輸出端電壓可基本調(diào)至

17、0，但是接入電路時，輸出電壓穩(wěn)定，且可基本調(diào)至0。現(xiàn)象2：當(dāng)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(yīng)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(shè)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(shè)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有影響？答：有影響。螺線管兩端的

18、磁場分布不均勻，中間分布均勻，當(dāng)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(yīng)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(dǎo)致霍爾電壓偏小。實驗所需儀器YB1732A 5A直流穩(wěn)壓電源 1個WD 990 A微機電源 1個HT-30B開關(guān)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(dǎo)線 若干CA3140運算放大器 2個1K可調(diào)電阻 2個10K可調(diào)電阻 1個0.51K電阻 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(shè)計很快進入最后階段，此次課程設(shè)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(shè)計，制作試驗器件。這次課程設(shè)計讓我學(xué)會了很多東西，從學(xué)習(xí)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(xué)習(xí)所得，從來沒有系統(tǒng)的把所學(xué)知識聯(lián)系、應(yīng)用起來，更不曾得知實踐與理想值之間的差距。此次課程設(shè)計的課時安排是10天，我們小組用第1天去總體設(shè)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