FD-ICH-II螺線管磁場測定儀說明書

1、FD-ICH-II新型螺線管磁場測定儀說明書上海復(fù)旦天欣科教儀器有限公司中國 上海FD-ICH-II 新型螺線管磁場測定儀一、概述用霍耳元件測量通電螺線管內(nèi)的磁場分布是高校理工科物理實驗教學(xué)大綱中的一個重要實驗。FD-ICH-II 新型螺線管磁場測定儀是在復(fù)旦大學(xué)物理實驗教學(xué)中心的指導(dǎo)和幫助下，設(shè)計的新型教學(xué)儀器，該儀器采用先進(jìn)的集成線性霍耳元件測量通電螺線管內(nèi)067mT范圍的弱磁場，解決了一般霍耳元件存在的靈敏度低，剩余電壓干擾及螺線管溫升引起輸出不穩(wěn)定等不足，因而能精確測量通電螺線管磁場分布，了解和掌握集成線性霍耳元件測量磁場的原理和方法以及學(xué)會測量霍耳元件靈敏度的方法?？紤]到教學(xué)實驗儀器

2、經(jīng)久耐用的需要，本儀器電源和傳感器還有保護(hù)裝置。本儀器物理內(nèi)容豐富、結(jié)構(gòu)設(shè)計合理、裝置牢靠、直觀性強(qiáng)、數(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠，是高校物理實驗的優(yōu)質(zhì)教學(xué)儀器。可用于高校、中專等學(xué)生的基礎(chǔ)物理實驗及“傳感器原理”課程的傳感器實驗，以及課堂演示實驗。二、用途主要用于高校物理實驗，可做實驗有：1、驗證霍耳傳感器輸出電勢差與螺線管內(nèi)磁感應(yīng)強(qiáng)度成正比。2、測量集成線性霍耳傳感器的靈敏度。3、測量螺線管內(nèi)磁感應(yīng)強(qiáng)度與位置之間的關(guān)系，求得螺線管均勻磁場范圍及邊緣的磁感應(yīng)強(qiáng)度。4、學(xué)習(xí)補(bǔ)償原理在磁場測量中的應(yīng)用。5、測量地磁場的水平分量。三、儀器外形連線圖圖1 FD-ICH-II 新型螺線管磁場測定儀四、技術(shù)性能1、95

3、A型集成霍耳傳感器工作電壓：DC5.00V磁場測量范圍：-67mT - +67mT在0T時，零點電壓：2.500±0.075V功耗(在DC 5V時)：7mW靈敏度：31.3±1.3V/T線誤差：< -1.0%溫度誤差，零點漂移：< ±0.06%/本傳感器內(nèi)含激光修正的薄膜電阻，提供精確的靈敏度和溫度補(bǔ)償，不必考慮剩余電壓影響。2、螺線管螺線管長度：26.0cm，螺線管內(nèi)徑2.5cm，外徑4.5cm。螺線管層數(shù)：10層 ，螺線管匝數(shù)：3000±20匝。螺線管中央均勻磁場長度：>10.0cm。3、電源組和數(shù)字電壓表數(shù)字恒流(直流)源： 00

4、.5A輸出電流(配三位半數(shù)字式表量程00.5A，分辨率1mA)直流穩(wěn)壓電源(95A型集成霍耳傳感器工作電源)：4.750V5.250V(精細(xì)微調(diào))直流穩(wěn)壓電源(作補(bǔ)償作用)：2.400V2.600V(精細(xì)微調(diào))四位半數(shù)字電壓表：019.999V，分辨率1mV和01999.9mV，分辨率0.1mV (兩檔)五、使用說明1、FD-ICH-II 新型螺線管磁場測定儀-電源(以下簡稱實驗電源)，供電電壓交流220V，50HZ。電源插座位于機(jī)箱后面。新型電源插座內(nèi)裝0.5A保險絲，可方便保險絲的更換。2、實驗電源分三個部分(如上圖1所示)，面板左面為數(shù)字式直流穩(wěn)流源，用精密多圈電位器調(diào)節(jié)輸出電流的大小，

5、調(diào)節(jié)精度1mA，電流大小由三位半數(shù)字電流表顯示；面板右邊為四位半電壓表，黑色撥動開關(guān)切換量程019.999V和0-1999.9mV。面板中間為直流穩(wěn)壓電源,對應(yīng)輸出接線柱上方是調(diào)節(jié)輸出電壓電位器(順時針調(diào)節(jié)電壓增加)。3、實驗時(直讀法)按示意圖連線。左面數(shù)字直流穩(wěn)流源的勵磁恒流輸出端接電流換向開關(guān)，然后接螺線管的線圈接線柱。右面穩(wěn)壓電源4.8V5.2V的輸出接線柱(紅)接霍耳元件的V(即引腳2紅色導(dǎo)線)，直流穩(wěn)壓電源的(黑)接線柱接霍耳元件的V(即引腳3黑色導(dǎo)線)，霍耳元件的VOUT（引腳1黃色導(dǎo)線）接右邊電壓表電壓輸入的(紅)接線柱，電壓表的(黑)接線柱與直流穩(wěn)壓源的(黑)接線相連。電壓表

6、切換到V檔(即撥動開關(guān)向上撥)4、檢查接線無誤后接通電源，斷開電流換向開關(guān)，集成霍耳傳感器放在螺線管的中間位置(X=17.0cm處)，調(diào)節(jié)中間直流電源4.8V5.2V的輸出旋鈕，使右邊數(shù)字電壓表顯示2.500V。5、接通電流換向開關(guān)，調(diào)節(jié)左面數(shù)字直流源的輸出端(紅)接線柱右面旋鈕，改變螺線管線圈電流的大小或調(diào)節(jié)霍耳元件在螺線管中的位置記錄數(shù)據(jù)(實驗中一般改變一個條件后測量結(jié)果)。六、注意事項1、集成霍耳元件的V和V不能接反，否則將損壞元件。2、拆除接線前應(yīng)先將螺線管工作電流調(diào)至零，再關(guān)閉電源。以防止電感電流突變引起高電壓。3、儀器應(yīng)預(yù)熱10分鐘后測量數(shù)據(jù)。附實驗講義和實驗數(shù)據(jù)FD-ICH-II

7、 新型螺線管磁場測定儀一、前言本實驗儀用集成霍耳傳感器測量通電螺線管內(nèi)直流電流與霍耳傳感器輸出電壓之間關(guān)系，證明霍耳電勢差與螺線管內(nèi)磁感應(yīng)強(qiáng)度成正比，了解和熟悉霍耳效應(yīng)的重要物理規(guī)律；用通電長直螺線管中心點磁感應(yīng)強(qiáng)度理論計算值作為標(biāo)準(zhǔn)值來校準(zhǔn)集成霍耳傳感器的靈敏度；熟悉集成霍耳傳感器的特性和應(yīng)用；用該集成霍耳傳感器測量通電螺線管內(nèi)的磁感應(yīng)強(qiáng)度與位置刻度之間的關(guān)系，作磁感應(yīng)強(qiáng)度與位置的關(guān)系圖。從而學(xué)會用集成霍耳元件測量磁感應(yīng)強(qiáng)度的方法。二、實驗原理 霍耳元件的作用（如右圖2所示）：若電流I流過厚度為d的半導(dǎo)體薄片，且磁場B垂直于該半導(dǎo)體，是電子流方向由洛倫茨力作用而發(fā)生改變，在薄片兩個橫向面a、

8、b之間應(yīng)產(chǎn)生電勢差， 圖2 霍耳元件這種現(xiàn)象稱為霍耳效應(yīng)。在與電流I、磁場B垂直方向上產(chǎn)生的電勢差稱為霍耳電勢差，通常用UH表示。霍耳效應(yīng)的數(shù)學(xué)表達(dá)式為： (1)其中RH是由半導(dǎo)體本身電子遷移率決定的物理常數(shù)，稱為霍耳系數(shù)。B為磁感應(yīng)強(qiáng)度，I為流過霍耳元件的電流強(qiáng)度，KH稱為霍耳元件靈敏度。雖然從理論上講霍耳元件在無磁場作用(即B=0)時，UH=0，但是實際情況用數(shù)字電壓表測時并不為零，這是由于半導(dǎo)體材料結(jié)晶不均勻及各電極不對稱等引起附加電勢差，該電勢差U0稱為剩余電壓。隨著科技的發(fā)展，新的集成化(IC)元件不斷被研制成功。本實驗采用SS95A型集成霍耳傳感器(結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示)是一種高靈

9、敏度集成霍耳傳感器，它由霍耳元件、放大器和薄膜電阻剩余電壓補(bǔ)償組成。測量時輸出信號大，并且剩余電壓的影響已被消除。對SS95A型集成霍耳傳感器，它由三根引線，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SS95A型集成霍耳傳感器，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，必須使工作電流處在該標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)。在實驗時，只要在磁感應(yīng)強(qiáng)度為零(零磁場)條件下，調(diào)節(jié)“V+”、“V-”所接的電源電壓(裝置上有一調(diào)節(jié)旋鈕可供調(diào)節(jié))，使輸出電壓為2.500V(在數(shù)字電壓表上顯示)，則傳感器就可處在標(biāo)準(zhǔn)工作狀態(tài)之下。圖

10、3 95A型集成霍耳元件內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖當(dāng)螺線管內(nèi)有磁場且集成霍耳傳感器在標(biāo)準(zhǔn)工作電流時，與(1)式相似，由(1)式可得：式中U為集成霍耳傳感器的輸出電壓，K為該傳感器的靈敏度，經(jīng)用2.500V外接電壓補(bǔ)償以后，用數(shù)字電壓表測出的傳感器輸出值(儀器用mV檔讀數(shù))。三、實驗儀器FD-ICH-II新型螺線管磁場測定儀由集成霍耳傳感器探測棒、螺線管、直流穩(wěn)壓電源00.5A；直流穩(wěn)壓電源輸出二檔(2.4V2.6V和4.8V5.2V)；數(shù)字電壓表(19.999V和1999.9mV二檔)；雙刀換向開關(guān)和單刀換向開關(guān)各一個，導(dǎo)線若干組成。其儀器組成外型如圖1所示。四、 實驗內(nèi)容(一)、必做實驗1、實驗裝置按接線圖

11、1所示。螺線管通過雙刀換向開關(guān)K2與直流恒流電源輸出端相接。集成霍耳傳感器的“V+”和“V-”分別與4.8V5.2V可調(diào)直流電源輸出端的正負(fù)相接(正負(fù)極請勿接錯)?！癡out”和“V-”與數(shù)字電壓表正負(fù)相接。2、斷開開關(guān)K2(當(dāng)K2處于中間位置時斷開)，使集成霍耳傳感器處于零磁場條件下，把開關(guān)K1指向1，調(diào)節(jié)4.8V5.2V電源輸出電壓，數(shù)字電壓表顯示的“Vout” 和“V-”的電壓指示值為2.500V，這時集成霍耳元件便達(dá)到了標(biāo)準(zhǔn)化工作狀態(tài)，即集成霍耳傳感器通過電流達(dá)到規(guī)定的數(shù)值，且剩余電壓恰好達(dá)到補(bǔ)償，U0=0V。3、仍斷開開關(guān)K2，在保持“V+”和“V-”電壓不變的情況下，把開關(guān)K1指向

12、2，調(diào)節(jié)2.4V2.6V電源輸出電壓，使數(shù)字電壓表指示值為0(這時應(yīng)將數(shù)字電壓表量程撥動開關(guān)指向mV檔)，也就是用一外接2.500V的電位差與傳感器輸出2.500V電位差進(jìn)行補(bǔ)償，這樣就可直接用數(shù)字電壓表讀出集成霍耳傳感器電勢差的值。4、測定霍耳傳感器的靈敏度K(1)改變輸入螺線管的直流電流Im，將傳感器處于螺線管的中央位置(即X=17.0cm)，測量Im關(guān)系，記錄10組數(shù)據(jù)，Im范圍在0500mA，可每隔50mA測一次。(2)用最小二乘法求出Im，直線的斜率 和相關(guān)系數(shù)r。(3)對于無限長直螺線管磁場可利用公式：B=(真空磁導(dǎo)率，n為螺線管單位長度的匝數(shù))，求出集成霍耳傳感器的靈敏度注：實驗

13、中所用螺線管參數(shù)為：螺線管長度L=26.0±0.1cm，N=(3000±20)匝，平均直徑=3.5 ±0.1cm，而真空磁導(dǎo)率。由于螺線管為有限長，由此必須用公式：進(jìn)行計算。即= (單位：伏/特斯拉，即：V/T)5、測量通電螺線管中的磁場分布(1)當(dāng)螺線管通恒定電流Im(例如250mA)時，測量X關(guān)系。X范圍為030.0cm，兩端的測量數(shù)據(jù)點應(yīng)比中心位置的測量數(shù)據(jù)點密一些。(2)利用上面所得的傳感器靈敏度K計算BX關(guān)系，并作出BX分布圖。(3)計算并在圖上標(biāo)出均勻區(qū)的磁感應(yīng)強(qiáng)度及均勻區(qū)范圍(包括位置與長度)，假定磁場變化小于1%的范圍為均勻區(qū)(即)。并與產(chǎn)品說明書

14、上標(biāo)有均勻區(qū)>10.0cm進(jìn)行比較。(4)在圖上標(biāo)出螺線管邊界的位置坐標(biāo)(即P與點，一般認(rèn)為在邊界點處的磁場是中心位置的一半，即 )。(5)將上述結(jié)果與理論值比較：a、理論值，驗證：b、已知L=26.0cm，試證明P間距約26.0cm。注意事項：1、測量時，傳感器位于螺線管中央(即均勻磁場中)。2、測量時，螺線管通電電流Im應(yīng)保持不變。3、常檢查Im=0時，傳感器輸出電壓是否為2.500V。4、用mV檔讀值。當(dāng)Im=0時，mV指示應(yīng)該為0。5、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)。(二)、選做內(nèi)容設(shè)計一個實驗，用95A型霍耳傳感器測量地磁場水平分

15、量。五、實驗數(shù)據(jù)例(用補(bǔ)償法)1、霍耳電勢差與磁感應(yīng)強(qiáng)度B的關(guān)系霍耳傳感器處于螺線管中央位置(即X=17.0cm處)表1測量霍耳電勢差（已放大為U）與螺線管通電電流Im關(guān)系Im/mA050100150200250300350400450500U/mV022.244.166.188.1110.1132.0154.1176.0198.0220.0根據(jù)表1描繪霍耳電勢差U與螺線管通電電流Im的關(guān)系圖圖4 霍耳電勢差U與螺線管通電電流Im關(guān)系圖2、通電螺線管內(nèi)磁感應(yīng)強(qiáng)度分布測定(螺線管的勵磁電流Im=250mA) 為螺線管通正向直流電流時測得集成霍耳傳感器輸出電壓為螺線管通反向直流電流時測得集成霍耳傳

16、感器輸出電壓為(-)/2的值。(測量正、反二次不同電流方向所產(chǎn)生磁感應(yīng)強(qiáng)度值取平均值，可消除地磁場影響)表2螺線內(nèi)磁感應(yīng)強(qiáng)度B與位置刻度X的關(guān)系(B=X/cm/mV/mV/mVB/mT1.00 9.0-8.88.900.29 1.50 12.5-12.412.450.41 2.00 17.8-17.817.800.58 2.50 25.7-25.625.650.84 3.00 38.4-38.338.351.26 3.50 54.6-54.554.551.79 4.00 71.1-70.971.002.33 4.50 84.5-84.484.452.77 5.00 93.6-93.493.50

17、3.07 5.50 98.9-98.698.753.24 6.00 102.5-102.2102.353.36 6.50 104.8-104.5104.653.43 7.00 106.3-105.9106.103.48 7.50 107.3-106.9107.103.51 8.00 108.0-107.6107.803.53 9.00 108.9-108.4108.653.56 10.00 109.2-108.7108.953.57 11.00 108.9-108.4108.653.56 12.00 108.7-108.2108.453.56 13.00 109.2-108.6108.903.

18、57 14.00 109.7-109.2109.453.59 15.00 110.2-109.5109.853.60 16.00 110.4-109.8110.103.61 17.00 110.7-110.1110.403.62 18.00 110.7-110.1110.403.62 19.00 110.6-109.8110.203.61 20.00 110.6-109.9110.253.61 21.00 110.5-109.8110.153.61 22.00 110.2-109.4109.803.60 23.00 109.9-109.2109.553.59 24.00 109.7-108.9

19、109.303.58 24.50 109.5-108.6109.053.58 25.00 109.1-108.2108.653.56 25.50 108.5-107.6108.053.54 26.00 107.6-106.6107.103.51 26.50 106.1-105.1105.603.46 27.00 103.6-102.7103.153.38 27.50 99.5-99.099.253.25 28.00 93.5-92.793.103.05 28.50 83.5-83.183.302.73 29.00 69.0-68.668.802.26 29.50 52.4-51.852.101

20、.71 30.00 36.2-35.435.801.17 根據(jù)表2描繪通電螺線管內(nèi)磁感應(yīng)強(qiáng)度分布圖見圖5所示。圖5 通電螺線管內(nèi)磁感應(yīng)強(qiáng)度分布圖實驗結(jié)果： 1) 研究霍耳效應(yīng) 由最小二乘法求出=0.4396V/A，相關(guān)系數(shù)r=0.99999。由于螺線管內(nèi)磁感應(yīng)強(qiáng)度B與通過螺線管I成正比，所以表1數(shù)據(jù)可以證明霍耳電勢差U與磁感應(yīng)強(qiáng)度B成正比。2)計算集成霍耳元件的靈敏度K 已知： 螺線管， N=3000匝，L=26.0cm=3.5cm (為螺線管的平均直徑)所以：=30.5V/T根據(jù)95A型集成霍耳元件產(chǎn)品說明書上注明，該傳感器靈敏度(31.3±1.3)V/T，現(xiàn)計算值與說明書提供的技術(shù)指標(biāo)相符。 由上面圖5可