傳感器課程設(shè)計(jì)——霍爾傳感器測(cè)量磁場(chǎng)

1、目 錄一、課程設(shè)計(jì)目的與要求.2二、元件介紹.3三、課程設(shè)計(jì)原理.63.1霍爾效應(yīng). 63.2測(cè)磁場(chǎng)的原理,載流長(zhǎng)直螺線管內(nèi)的磁感應(yīng)強(qiáng)度 .8四、課程設(shè)計(jì)內(nèi)容.104.1電路補(bǔ)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(hào)處理電路.104.4按圖4-4接好總測(cè)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(shí)驗(yàn)所需儀器.19個(gè)人總結(jié).20致謝.21參考文獻(xiàn).22參考網(wǎng)址.22 一、課程設(shè)計(jì)目的與要求1.了解霍爾傳感器的工作原理2.掌握運(yùn)用霍爾傳感器測(cè)量磁場(chǎng)的方法二、元件介紹CA3140CA3140高輸入阻抗運(yùn)算放大器,是美國(guó)無(wú)線電

2、公司研制開(kāi)發(fā)的一種BiMOS高電壓的運(yùn)算放大器在一片集成芯片上，該CA3140A和CA3140 BiMOS運(yùn)算放大器功能保護(hù)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(wú)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(diǎn).(互補(bǔ)對(duì)稱金屬氧化物半導(dǎo)體)卓越性能的運(yùn)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(zhǎng)期定時(shí)器.光電儀表.探測(cè)器.有源濾波器.比較器.TTL接口.所有標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)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(zhǔn)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(kāi)關(guān)。可作為運(yùn)動(dòng)探測(cè)器，齒傳感器和接近探測(cè)器，磁驅(qū)動(dòng)機(jī)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(gè)系統(tǒng)的負(fù)載量可以忽略不計(jì)的性能，同時(shí)提供隔離污染和電氣噪聲。每個(gè)霍爾效應(yīng)集成電路包括一個(gè)霍爾傳感元件，線性放大器和射極跟隨器輸出級(jí)。三種封裝形式提供了對(duì)磁性優(yōu)化包大多數(shù)應(yīng)用程序。封裝后綴“LT”是一個(gè)縮影SOT-89/TO243AA表面貼裝應(yīng)用的晶體管封裝;后綴“U”是一個(gè)微型三引腳塑料SIP，而'UA'是一個(gè)三引腳超小型SIP協(xié)議。所有器件的額定連續(xù)運(yùn)行溫

4、度范圍為-20 °C至+85°C。特點(diǎn):·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(jì)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(qiáng)度為的磁場(chǎng)中，薄片平面垂直于磁場(chǎng)方向。如圖3-1-1所示，在橫向方向通以電流I，那么就會(huì)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(fù)性取決于載流子的類型。(圖3-1-1載流子為帶負(fù)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(shí)，自由電子運(yùn)動(dòng)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(chǎng)稱為霍爾電場(chǎng)，對(duì)應(yīng)的電勢(shì)差稱為霍爾電壓UH。電子在霍爾電場(chǎng)中所受的電場(chǎng)力為，當(dāng)電場(chǎng)力與磁場(chǎng)力達(dá)到平衡時(shí)，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(yùn)動(dòng)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(qiáng)的霍爾效應(yīng)。對(duì)于一定的霍爾元件，KH是一常數(shù)，可用實(shí)驗(yàn)方法測(cè)定。雖然從理論上講霍爾元件在無(wú)磁場(chǎng)作用(B=0)時(shí)，UH=0，但是實(shí)際情況用數(shù)字電壓表測(cè)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(duì)稱等引起附加電勢(shì)差，該電勢(shì)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(jì)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(biāo)準(zhǔn)工作電流，使用傳感器時(shí)，必須使工作電流處于該標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)。在實(shí)驗(yàn)時(shí)，只要在磁感應(yīng)強(qiáng)度為零(B=0)條件下，“Vout”和“V”之間的電壓為2.500V，實(shí)際測(cè)得2.53V，則傳感器就處于標(biāo)準(zhǔn)工作狀態(tài)之下（V+標(biāo)號(hào)為1，V-標(biāo)號(hào)為2，Vout標(biāo)號(hào)為3）。所以要對(duì)霍爾傳感器進(jìn)行電路補(bǔ)償，使得傳感器在0磁場(chǎng)的條件下接入電路輸出電壓Uo=0V，則補(bǔ)償電路如下：圖3-1-2 霍爾傳感器的補(bǔ)償電路3.2測(cè)磁場(chǎng)的原

8、理,載流長(zhǎng)直螺線管內(nèi)的磁感應(yīng)強(qiáng)度對(duì)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(gè)載流長(zhǎng)直螺線管軸線上某點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度，可以從對(duì)各圓形電流在軸線上該點(diǎn)所產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度進(jìn)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(shí)，管內(nèi)軸線上P點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)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(zhǎng)度的線圈匝數(shù)，IM為線圈的勵(lì)磁電流，1、2分別為點(diǎn)P到螺線管兩端徑失與軸線夾角，如圖3-2-1所示。 對(duì)于一個(gè)有限長(zhǎng)的螺線管，在距離兩端口等遠(yuǎn)的中心處軸上O點(diǎn)， 6 7式中D為長(zhǎng)直螺線管直徑，L為螺線管長(zhǎng)度。此時(shí)，磁感應(yīng)強(qiáng)度為最大，

9、且等于 8由于本設(shè)計(jì)所用的長(zhǎng)直螺線管滿足L>>D，則近似認(rèn)為 9 在兩端口處， 10磁感應(yīng)強(qiáng)度為最小，且等于 11同理，由于本設(shè)計(jì)所用的長(zhǎng)直螺線管滿足L>>D，則近似認(rèn)為圖 3-2-2 12由（11）、（12）式可知， 由圖3-2-2所示的長(zhǎng)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(shí)，這些直線變?yōu)閺膬啥丝陔x散的曲線，說(shuō)明其內(nèi)部的磁場(chǎng)在很大一個(gè)范圍內(nèi)是近似均勻的，僅在靠近兩端口處磁感應(yīng)強(qiáng)度才顯著下降，呈現(xiàn)明顯的不均勻性。根據(jù)上面理論計(jì)算，長(zhǎng)直螺線管一端的磁感應(yīng)強(qiáng)度為內(nèi)腔中部磁感應(yīng)強(qiáng)度的1/2。四、課程設(shè)計(jì)內(nèi)容 4.1電路補(bǔ)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(jī)電源相接(正負(fù)極請(qǐng)勿接錯(cuò))。如圖標(biāo)號(hào)，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(chǎng)條件下，傳感器工作電源輸出電壓5V，測(cè)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(bǔ)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(jìn)行補(bǔ)償，使數(shù)字電壓表指示值為0(這時(shí)應(yīng)將數(shù)字電壓表量程開(kāi)關(guān)撥向mV檔)，這時(shí)集成霍爾元件便達(dá)到了標(biāo)準(zhǔn)化工作狀態(tài)，即集成霍爾傳感補(bǔ)償電路的輸出電壓恰好達(dá)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(yùn)算放大器的輸出端電壓Uo=0V。4.3按圖4-3接好

11、信號(hào)處理電路圖4-3 信號(hào)處理電路4.4按圖4-4接好總測(cè)量電路信號(hào)處理電路5V霍爾元件0V 10V圖4-4為螺線管磁場(chǎng)測(cè)量電路示意圖，即總電路圖。螺線管長(zhǎng)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(chǎng)長(zhǎng)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(bǔ)償電源5V。 【注意事項(xiàng)】1.集成霍爾元件的“V+”和“V”不能接反，否則將損壞元件。2.實(shí)驗(yàn)中常檢查Im=0時(shí)，傳感器輸出電壓是否為2.500V。3.用mV檔讀U'值。當(dāng)Im=0時(shí)，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(shí)驗(yàn)完畢后，請(qǐng)逆時(shí)針地旋轉(zhuǎn)儀器上的三個(gè)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(wàn)用表測(cè)量數(shù)據(jù)表一 正向測(cè)量結(jié)果序號(hào)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(cè)量結(jié)果序號(hào)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(wàn)用表測(cè)量數(shù)據(jù)表三 正向測(cè)量結(jié)果序號(hào)12345678910I/mA020406080100120140160180U/mV8.547.884.4121.7158.4195.1232270306343B/H00.21990.43990.65980.87981.09971.31961.539

14、61.75951.9795序號(hào)11121314151617181920I/mA200220240260280300U/mV381419456493530568B/H2.19942.41932.63932.85923.07923.299 表四 反向測(cè)量結(jié)果序號(hào)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(hào)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(bǔ)償

16、電路的分壓電阻的大小對(duì)整個(gè)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(shí)補(bǔ)償后傳感器的輸出電壓可基本調(diào)至0.而整個(gè)電路的輸出無(wú)法調(diào)至0，且數(shù)值波動(dòng)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(shí)補(bǔ)償后傳感器的輸出電壓可基本調(diào)至零，且整個(gè)電路的輸出電壓也可基本調(diào)至零，且波動(dòng)很小。由此可以得出，輸入阻抗的大小對(duì)整個(gè)電路的輸出電壓是有影響的，所以補(bǔ)償電路的分壓電阻的大小對(duì)整個(gè)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(duì)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(shí)，輸出端電壓可基本調(diào)至

17、0，但是接入電路時(shí)，輸出電壓穩(wěn)定，且可基本調(diào)至0?，F(xiàn)象2：當(dāng)換成10k電阻時(shí)，輸出電壓也可基本調(diào)至0，但是接入電路時(shí)輸出電壓不穩(wěn)定，且波動(dòng)較大。由此可以得出，失調(diào)電壓調(diào)零電路的電阻對(duì)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(gè)點(diǎn)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(gè)點(diǎn)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(lái)表示?，F(xiàn)象：若用一個(gè)點(diǎn)的輸入輸出電壓時(shí)，其放大倍數(shù)為100倍。不符設(shè)計(jì)電路計(jì)算結(jié)果；而用輸出變化量與輸入變化量的比值來(lái)表示時(shí)其放大倍數(shù)為十倍。符合設(shè)計(jì)電路計(jì)算結(jié)果。4、霍爾元件伸入螺線管的長(zhǎng)度對(duì)磁場(chǎng)的測(cè)量是否有影響？答：有影響。螺線管兩端的

18、磁場(chǎng)分布不均勻，中間分布均勻，當(dāng)伸入長(zhǎng)度極短時(shí)是有影響的，但伸入長(zhǎng)度稍微長(zhǎng)一些時(shí)，保證其再均勻區(qū)域內(nèi)，伸入長(zhǎng)度是沒(méi)有影響的。5、為什么要求磁場(chǎng)方向垂直于霍爾元件平面，否則測(cè)出的霍爾電壓將如何變化？答：霍爾效應(yīng)要通過(guò)測(cè)兩板間的電勢(shì)差，如果不垂直的話，正負(fù)電荷不能完全聚于兩板，所以兩板間的電勢(shì)差偏小，導(dǎo)致霍爾電壓偏小。實(shí)驗(yàn)所需儀器YB1732A 5A直流穩(wěn)壓電源 1個(gè)WD 990 A微機(jī)電源 1個(gè)HT-30B開(kāi)關(guān)電源 1個(gè)VC980A+數(shù)字萬(wàn)用表 1個(gè)VC9807A四位半數(shù)字萬(wàn)用表 1個(gè)螺線管 1個(gè)AN503霍爾元件 1個(gè) 面包板 1塊導(dǎo)線 若干CA3140運(yùn)算放大器 2個(gè)1K可調(diào)電阻 2個(gè)10K可調(diào)電阻 1個(gè)0.51K電阻 2個(gè)100k電阻 5個(gè)10K電阻 2個(gè)個(gè)人總結(jié) 為期兩周的課程設(shè)計(jì)很快進(jìn)入最后階段，此次課程設(shè)計(jì)是我們第一次真正的感受我們的專業(yè)課，第一次自己動(dòng)手設(shè)計(jì)，制作試驗(yàn)器件。這次課程設(shè)計(jì)讓我學(xué)會(huì)了很多東西，從學(xué)習(xí)態(tài)度到知識(shí)的掌握，再到問(wèn)題的解決。我們平時(shí)所掌握的知識(shí)都是分別從各科目課本上學(xué)習(xí)所得，從來(lái)沒(méi)有系統(tǒng)的把所學(xué)知識(shí)聯(lián)系、應(yīng)用起來(lái)，更不曾得知實(shí)踐與理想值之間的差距。此次課程設(shè)計(jì)的課時(shí)安排是10天，我們小組用第1天去總體設(shè)計(jì)電路和搭建基本的電路框架，接下來(lái)的3天我們都在不斷的修改我們的電路，因?yàn)槲覀儼l(fā)現(xiàn)按照最初的思路制作的電路根本