霍爾開(kāi)關(guān)(傳感器)的特性及應(yīng)用設(shè)計(jì)

1、實(shí)驗(yàn)4 霍爾開(kāi)關(guān)(傳感器的特性及應(yīng)用設(shè)計(jì)1879年霍爾在研究載流導(dǎo)體在磁場(chǎng)中受力的性質(zhì)時(shí)發(fā)現(xiàn)了霍爾效應(yīng),它是電磁基本現(xiàn)象之一。利用此現(xiàn)象制成的各種霍爾元件,特別是測(cè)量元件,廣泛地應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化和電子技術(shù)。對(duì)于半導(dǎo)體材料,測(cè)量霍爾系數(shù)和電導(dǎo)率,是研究它們電性能的重要手段。本設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的儀器裝置是河北工業(yè)大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中心研制的霍爾元件與光電門的特性及轉(zhuǎn)速測(cè)量通用裝置。它對(duì)于言傳身教、寓教于學(xué),激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造性有積極意義。 一、目的要求1.掌握霍爾元件的工作原理。了解霍爾開(kāi)關(guān)集成電路的特性及其主要參數(shù)和應(yīng)用。2.測(cè)量風(fēng)扇或電機(jī)在不同工作電壓下的轉(zhuǎn)速,并描繪速度與電壓的關(guān)系曲線。3.研究并設(shè)計(jì)霍爾開(kāi)關(guān)

2、集成電路在測(cè)速度、里程、計(jì)數(shù)以及諸多實(shí)際問(wèn)題中的應(yīng)用裝置。 二、儀器裝置霍爾開(kāi)關(guān)集成電路、光電門、電源、風(fēng)扇、導(dǎo)線、示波器、計(jì)算機(jī)等。 三、實(shí)驗(yàn)原理(一霍爾元件及霍爾開(kāi)關(guān)集成電路的工作原理如圖4-1所示,霍爾元件由均勻的n 型半導(dǎo)體材料制成,長(zhǎng)l 寬b 厚d 。如果在M 、N 兩端加一穩(wěn)定電壓,則有恒定電流I 沿X 軸方向通過(guò)霍爾元件。M 、N 之間的等位面平行于YZ 平面。假定電流I 是沿負(fù)X 軸以速度v 運(yùn)動(dòng)的電子所構(gòu)成,電子電荷為e ,而自由電子的濃度為n ,則電流為ebndv dtdQI =(4-1 若在z 軸方向加上恒定磁場(chǎng)B,沿X 軸運(yùn)動(dòng)的電子就受到向下的洛倫茲力的作用。B v e

3、 f B rr r ×= (4-2 圖4-1 霍爾元件工作原理圖 圖4-2 霍爾開(kāi)關(guān)集成電路原理圖于是,霍爾元件內(nèi)部的電子向下作拋物線運(yùn)動(dòng),并積聚在下方平面。同時(shí)上方平面剩余正電荷,結(jié)果形成一個(gè)上正下負(fù)的電場(chǎng)E r。上下兩個(gè)平面間具有電位差,上述過(guò)程在短暫的10H V -13s10-11s內(nèi)就能完成。這個(gè)現(xiàn)象就是霍爾效應(yīng),這個(gè)電壓就是霍爾電壓。當(dāng)上下兩個(gè)平面聚積的電荷產(chǎn)生的電場(chǎng)對(duì)電子的靜電作用力與洛倫茲力下相等時(shí),電子就無(wú)偏離地從右向左用過(guò)半導(dǎo)體,此時(shí)有如下關(guān)系B E f f r r = 即 evB bVe H = (4-3KIB endIBbvB V H = (4-4 KIV B

4、H=(4-5式中,K=1/end 叫做霍爾元件的靈敏度,B 的單位用T(特,即特斯拉,K 的單位為mV /(mA ·T。如果霍爾元件用p 型半導(dǎo)體材料制成,則K=1/epd 。當(dāng)改變電流方向或改變磁場(chǎng)方向時(shí),霍爾電壓的正負(fù)都會(huì)發(fā)生變化?；魻栭_(kāi)關(guān)就是根據(jù)此原理制成的。如圖4-2所示,其中H 為霍爾元件,B 為運(yùn)算放大器,集成在一起作為磁場(chǎng)傳感器,也叫霍爾開(kāi)關(guān)集成電路。 (二利用霍爾傳感器測(cè)轉(zhuǎn)速的結(jié)構(gòu)原理利用霍爾傳感器測(cè)轉(zhuǎn)速的結(jié)構(gòu)原理,如圖4-3所示,它實(shí)際上是利用霍爾開(kāi)關(guān)測(cè)轉(zhuǎn)速。在可旋轉(zhuǎn)的待測(cè)物 “圓圈”位置上,粘貼一對(duì)或多對(duì)小磁鋼(N、S 磁極,小磁鋼愈多,分辨率愈高。霍爾開(kāi)關(guān)固定在

5、小磁鋼(N、S 磁極附近。待測(cè)物以角速度旋轉(zhuǎn)時(shí),每當(dāng)一個(gè)小磁鋼(N 極或S 極轉(zhuǎn)動(dòng)經(jīng)過(guò)霍爾開(kāi)關(guān)集成電路時(shí),霍爾開(kāi)關(guān)集成電路便產(chǎn)生一個(gè)相應(yīng)的(正或負(fù)脈沖。檢測(cè)出單位時(shí)間的脈沖數(shù)及其長(zhǎng)度,即可確定待測(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)物體的轉(zhuǎn)動(dòng)周期T 及其轉(zhuǎn)速n,即Tn 1=(4-6 圖4-3霍爾傳感器測(cè)轉(zhuǎn)速裝置圖 圖4-4 轉(zhuǎn)動(dòng)周期T若N 極經(jīng)過(guò)霍爾開(kāi)關(guān),其輸出電壓為正,則S 極經(jīng)過(guò)霍爾開(kāi)關(guān),其輸出電壓為負(fù);反之,亦然。所以,N 極穿過(guò)霍爾開(kāi)的正弦波或一對(duì)正檢測(cè),并進(jìn)行各種數(shù)據(jù)與曲線處理。 (三測(cè)物 “圓圈”位置變成透光的圓孔,裝置。 路,調(diào)整風(fēng)扇電壓從0v 10v ,再?gòu)?0v 0v ,每隔1v 測(cè)一個(gè)轉(zhuǎn)速;將數(shù)據(jù)逐一填入

6、數(shù)據(jù)關(guān)產(chǎn)生正脈沖,S 極穿過(guò)霍爾開(kāi)關(guān)產(chǎn)生負(fù)脈沖,每經(jīng)過(guò)一對(duì)N 、S 極,就出現(xiàn)一個(gè)完整、負(fù)方波。轉(zhuǎn)一周有多少個(gè)N 、S 極,就有多少個(gè)正、負(fù)方波,轉(zhuǎn)一周所產(chǎn)生的正、負(fù)方波總長(zhǎng)度,即是風(fēng)扇的轉(zhuǎn)動(dòng)周期T (如圖4-4所示。將霍爾開(kāi)關(guān)輸出的方波信號(hào)輸入示波器,就可以在示波器上顯示出來(lái)。將其通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換器輸入到計(jì)算機(jī),可以很方便地利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)的利用光電發(fā)射與接受傳感器(光電門測(cè)轉(zhuǎn)速的結(jié)構(gòu)原理只要將圖4-3中的霍爾元件換成光電發(fā)射與接受傳感器(光電門,將待即可將此裝置改為利用光電發(fā)射與接受傳感器(光電門測(cè)轉(zhuǎn)速的四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及步驟(一利用霍爾元件測(cè)量按圖4-3連接好線表格。表4-1 霍爾傳感器測(cè)周期T 和轉(zhuǎn)速n (二利用量 和(一爾件量類進(jìn)即可 線。六、 和里程的裝置(速度表、里程表 光電們測(cè)利用霍元測(cè)似行。五、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及處理1.根據(jù)公式,按表處理數(shù)據(jù)。2. 作轉(zhuǎn)速電壓曲探索與設(shè)計(jì) 圖4-5 測(cè)速度和里程裝置1.設(shè)計(jì)并制