傳感器課程方案霍爾傳感器測(cè)量磁場(chǎng)

1、目錄二、元件介紹.三、課程設(shè)計(jì)原理.3.1霍爾效應(yīng).3.2測(cè)磁場(chǎng)的原理,載流長(zhǎng)直螺線管內(nèi)的磁感覺強(qiáng)度.四、課程設(shè)計(jì)內(nèi)容.4.1電路賠償調(diào)理4.2失調(diào)電壓調(diào)零.4.3按圖4-3接好信號(hào)辦理電路.4.4按圖4-4接好總丈量電路.4.5數(shù)據(jù)記錄與辦理.4.6數(shù)據(jù)擬合.13五、成品展現(xiàn).六、分析與討論.實(shí)驗(yàn)所需儀器.個(gè)人總結(jié).道謝.參照文件.參照網(wǎng)址.一、課程設(shè)計(jì)目的與要求1.認(rèn)識(shí)霍爾傳感器的工作原理2.掌握運(yùn)用霍爾傳感器丈量磁場(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)線電企業(yè)研制開發(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CA3140Bi

2、MOS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供給特別高的輸入阻抗，極低輸入電流和高速性能。操作電源電壓從4V至36V（不論單或雙電源),它聯(lián)合了壓電PMOS晶體管工藝和高電壓雙授晶體管的長(zhǎng)處.(互補(bǔ)對(duì)稱金屬氧化物半導(dǎo)體)優(yōu)秀性能的運(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)久準(zhǔn)時(shí)器.光電儀表.探測(cè)器.有源濾波器.比較器.TTL接口.全部標(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，UGN3503U和UGN3503UA霍爾效應(yīng)傳感器正確地追蹤磁通量特別小的變化，密度變化平常太小致使不方便操作霍

3、爾效應(yīng)開關(guān)?？勺鳛檫\(yùn)動(dòng)探測(cè)器，齒傳感器和湊近探測(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，就能夠有效地權(quán)衡一個(gè)系統(tǒng)的負(fù)載量能夠忽視不計(jì)的性能，同時(shí)供給間隔污染和電氣噪聲。每個(gè)霍爾效應(yīng)集成電路包含一個(gè)霍爾傳感元件，線性放大器和射極跟從器輸出級(jí)。三種封裝形式供給了對(duì)磁性優(yōu)化包大部分應(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。全部器件的額定連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)溫度范圍為-20C至+85C。特色:極為敏感至23kHz的平展的響應(yīng)低噪聲輸出4.5V至6V的操作磁性優(yōu)化妝箱圖2-43503霍

4、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)體薄片放在磁感覺強(qiáng)度為B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)在縱向方向的兩頭面間出現(xiàn)電位差，這類現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)，兩頭的電壓差稱為霍爾電壓，其正負(fù)性取決于載流子的種類。(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)體薄片稱為霍爾元件。假定霍爾元件由N型半導(dǎo)系統(tǒng)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。因?yàn)槁鍌惼澚mevB的作用，電子向一側(cè)偏轉(zhuǎn)，在半導(dǎo)體薄片的橫向兩頭面間形成電場(chǎng)稱為霍爾電場(chǎng)EH，對(duì)應(yīng)的電

5、勢(shì)差稱為霍爾電壓UH。電子在霍爾電場(chǎng)EH中所受的電場(chǎng)力為FHeEH，當(dāng)電場(chǎng)力與磁場(chǎng)力達(dá)到均衡時(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)依據(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UHIBRHIBKHIBendd(3)即UHBKHI(4)1RH式中en是由半導(dǎo)體自己電子遷徙率決定的物理常數(shù)，稱為霍爾系數(shù)，而KH稱為霍爾元件的敏捷度。在半導(dǎo)體中，電荷密度比金屬中低得好多，因此半導(dǎo)體的敏捷度比金屬導(dǎo)體大得多，因此半導(dǎo)體中，

6、電荷密度比金屬中低得多，因此半導(dǎo)體的敏捷度比金屬導(dǎo)體大得多，因此半導(dǎo)體能產(chǎn)生很強(qiáng)的霍爾效應(yīng)。關(guān)于必然的霍爾元件，KH是一常數(shù)，可用實(shí)驗(yàn)方法測(cè)定。固然從理論上講霍爾元件在無(wú)磁場(chǎng)作用(B=0)時(shí)，UH=0，可是實(shí)質(zhì)狀況用數(shù)字電壓表測(cè)量其實(shí)不為零，這是因?yàn)榘雽?dǎo)體資料結(jié)晶不均勻、各電極不對(duì)稱等惹起附帶電勢(shì)差，該電勢(shì)差UHO稱為節(jié)余電壓。跟著科技的發(fā)展，新的集成化(IC)器件不停被研制成功，本課程設(shè)計(jì)采納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”。此中“V+”和“V”組成“電流輸入端”，“Vout”和“V”組成“電壓輸出端”。因?yàn)锳N503型

7、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)，必然使工作電流處于該標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)。在實(shí)驗(yàn)時(shí)，只需在磁感覺強(qiáng)度為零(B=0)條件下，“Vout”和“V”之間的電壓為2.500V，實(shí)質(zhì)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）。因此要對(duì)霍爾傳感器進(jìn)行電路賠償，使得傳感器在0磁場(chǎng)的條件下接入電路輸出電壓Uo=0V，則賠償電路以下：圖3-1-2霍爾傳感器的賠償電路3.2測(cè)磁場(chǎng)的原理,載流長(zhǎng)直螺線管內(nèi)的磁感覺強(qiáng)度關(guān)于密繞的螺線管，能夠看作是一列有共同軸線的圓形線圈的圖3-2-1并排組合，因此一個(gè)載流長(zhǎng)直螺線管軸線上某點(diǎn)的磁感覺強(qiáng)度，可以

8、從對(duì)各圓形電流在軸線上該點(diǎn)所產(chǎn)生的磁感覺強(qiáng)度進(jìn)行積分乞降獲得。依據(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)的磁感覺強(qiáng)度為BP120NIM(cos1cos2)5此中O為真空磁導(dǎo)率，O=410-7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到螺線管兩頭徑失與軸線夾角，如圖3-2-1所示。關(guān)于一個(gè)有限長(zhǎng)的螺線管，在距離兩頭口等遠(yuǎn)的中心處軸上O點(diǎn)，cos1L22(D2)2(L2)6cos2L22)22(L(D2)7式中D為長(zhǎng)直螺線管直徑，L為螺線管長(zhǎng)度。此時(shí)，磁感覺強(qiáng)度為最大，且等于11L1L0NIM(22)B0(1L)2(1D)2(1L)22(1D)22

9、2220NIMLL2D28因?yàn)楸驹O(shè)計(jì)所用的長(zhǎng)直螺線管知足LD，則近似以為B00NIM9在兩頭口處，cos1L(1D)2L20102，cos2磁感覺強(qiáng)度為最小，且等于1LB120NIML2(1D)2112同理，因?yàn)楸驹O(shè)計(jì)所用的長(zhǎng)直螺線管知足LD，則近似以為10NIMB1圖3-2-2212由（11）、（12）式可知，B112B0由圖3-2-2所示的長(zhǎng)直螺線管的磁力線散布可知，其內(nèi)腔中部磁力線是平行于軸線的直線系，漸近兩頭口時(shí)，這些直線變成從兩頭口失散的曲線，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，僅在湊近兩頭口處磁感覺強(qiáng)度才顯著降落，表現(xiàn)顯然的不均勻性。依據(jù)上邊理論計(jì)算，長(zhǎng)直螺線管一端的磁感

10、覺強(qiáng)度為內(nèi)腔中部磁感覺強(qiáng)度的1/2。四、課程設(shè)計(jì)內(nèi)容4.1電路賠償調(diào)理（1）按圖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)理傳感器賠償電路中的可調(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)行賠償，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)，即集成霍爾傳感賠償電路的輸出電壓恰巧達(dá)到U0=0V。4.2失調(diào)電壓調(diào)零按圖2-3

11、接好電路。調(diào)理可調(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接好信號(hào)辦理電路圖4-3信號(hào)辦理電路4.4按圖4-4接好總丈量電路霍爾元件信號(hào)處理電路0V10V5V圖4-4為螺線管磁場(chǎng)丈量電路表示圖，即總電路圖。螺線管長(zhǎng)度：22.3cm，均勻直徑:25mm。螺線管匝數(shù)：200020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，傳感器賠償電源5V?！咀⒁馐马?xiàng)】集成霍爾元件的“V+”和“V”不可以夠接反，不然將破壞元件。實(shí)驗(yàn)中常檢查Im=0時(shí)，傳感器輸出電壓能否為2.500V。用mV檔讀U值。當(dāng)Im=0時(shí)，輸出端mV指示應(yīng)當(dāng)為0。拆掉接線前應(yīng)先將螺線

12、管工作電流調(diào)至為零，再封閉電源。以防備電感電流突變?nèi)瞧鸶唠妷骸?.實(shí)驗(yàn)完成后，請(qǐng)逆時(shí)針地旋轉(zhuǎn)儀器上的三個(gè)調(diào)理旋鈕，使恢復(fù)到初步地點(diǎn)(最小的位)。4.5數(shù)據(jù)記錄與辦理（1）三位多半字萬(wàn)用表丈量數(shù)據(jù)表一正向丈量結(jié)果序號(hào)1234567891011I/mA019.840.059.780100120140.1159.8180199.8U/mV0.626.062.498.1135.5173209247283320358B/H00.2170.4390.6560.8791.0991.3191.5401.7571.97952.197795876732表二反向丈量結(jié)果序號(hào)1234567891011I/mA0-20

13、-40-60-80-100-120-140-160-180-200U/mV0.5-41.0-77.9-115.0-151-187.5-223-259-294-326-3595B/H0-0.219-0.439-0.659-0.879-1.099-1.319-1.539-1.759-1.9795-2.199998876654（2）四位多半字萬(wàn)用表丈量數(shù)據(jù)表三正向丈量結(jié)果序號(hào)12345678910I/mA020406080100120140160180U/mV8.547.884.4121.7158.4195.1232270306343B/H00.2190.4390.6590.8791.0991.31

14、91.5391.7591.979599887665序號(hào)11121314151617181920I/mA200220240260280300U/mV381419456493530568B/H2.1992.4192.6392.8593.0793.29943322表四反向丈量結(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/H0-0.219-0.439-0.659-0.879-1.099-1.319-1.539-1.759-1.97959988766

15、5序號(hào)11121314151617181920I/mA-200-220-240-260-280-300U/mV-383-420-457-495-533-570B/H-2.199-2.419-2.639-2.859-3.079-3.2994332214.6數(shù)據(jù)擬合1）y=165.1745x7.6376線性度el=0.76%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、成品展現(xiàn)1、全圖52、面包板接線六、分析與討論1、賠償電路的分壓電阻的大小對(duì)整個(gè)電路的輸出電壓能否有影響？答：有影響?，F(xiàn)象1：分壓電阻

16、用10k的電阻，可調(diào)電阻用50k的電阻。固然此時(shí)賠償后傳感器的輸出電壓可基本調(diào)至0.而整個(gè)電路的輸出沒法調(diào)至0，且數(shù)值顛簸很大?，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)賠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，且顛簸很小。由此能夠得出，輸入阻抗的大小對(duì)整個(gè)電路的輸出電壓是有影響的，因此賠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)傳感器的輸出能否有影響？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0，可是接入電路時(shí)，輸出電壓堅(jiān)固，且可基本調(diào)至0?，F(xiàn)象2：當(dāng)換成10k電阻時(shí)，輸出

17、電壓也可基本調(diào)至0，可是接入電路時(shí)輸出電壓不穩(wěn)定，且顛簸較大。由此能夠得出，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)能否只好取決于一個(gè)點(diǎn)的輸入輸出電壓？答：不可以夠。放大電路的放大倍數(shù)不可以夠只取決于一個(gè)點(diǎn)的輸入輸出電壓，而應(yīng)當(dāng)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)的丈量能否有影響？答：有影響。螺線管兩頭的磁場(chǎng)散布不均勻，中間散布均勻，當(dāng)伸入長(zhǎng)度極短時(shí)是有影響的，但伸入長(zhǎng)度略微長(zhǎng)

18、一些時(shí)，保證其再均勻地區(qū)內(nèi)，伸入長(zhǎng)度是沒有影響的。5、為何要求磁場(chǎng)方向垂直于霍爾元件平面，不然測(cè)出的霍爾電壓將怎樣變化？答：霍爾效應(yīng)要經(jīng)過(guò)測(cè)兩板間的電勢(shì)差，假如不垂直的話，正負(fù)電荷不可以夠完滿聚于兩板，因此兩板間的電勢(shì)差偏小，致使霍爾電壓偏小。實(shí)驗(yàn)所需儀器YB1732A5A直流穩(wěn)壓電源1個(gè)WD990A微機(jī)電源1個(gè)HT-30B開關(guān)電源1個(gè)VC980A+數(shù)字萬(wàn)用表1個(gè)VC9807A四位多半字萬(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)是我們第一次真實(shí)的感覺我們的專業(yè)課，第一次自己著手設(shè)計(jì)，制作試驗(yàn)器件。此次課程設(shè)計(jì)讓我學(xué)會(huì)了好多東西，從學(xué)習(xí)態(tài)度到知識(shí)的掌握，再到問題的解決。我們平常所掌握的知識(shí)都是分別從各科目課本上學(xué)習(xí)所得，素來(lái)沒有系統(tǒng)的把所學(xué)知識(shí)聯(lián)系、應(yīng)用起來(lái)，更未曾得悉實(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天去整體設(shè)計(jì)電路和搭建基本的電路框架，接下來(lái)的3天我們都在不停的改正我們的電路，因?yàn)槲覀儼l(fā)現(xiàn)依據(jù)最先的思路制作的電路根本得不到預(yù)期的結(jié)果。由此，我深刻的意會(huì)到課本知識(shí)的重要性，有時(shí)就是因?yàn)楹鲆暳藭咸岬降囊粋€(gè)條件