傳感器課程設(shè)計(jì)霍爾傳感器測(cè)量磁場(chǎng)

一、課程設(shè)計(jì)目的與要求三、課程設(shè)計(jì)原理3.1霍爾效應(yīng) 4.2失調(diào)電壓調(diào)零4.3按圖4-3接好信號(hào)處理電路...........4.4按圖4-4接好總測(cè)量電路4.5數(shù)據(jù)記錄與處理................ 五、成品展示 六、分析與討論實(shí)驗(yàn)所需儀器 個(gè)人總結(jié)參考文獻(xiàn)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CA3140CA,是美國(guó)無(wú)線電公司研制開(kāi)發(fā)的一種BiMOS高電保護(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(chēng)金屬氧化物半導(dǎo)體)卓.單電源放大器在汽車(chē)和便攜式儀表.采樣保持放大器.長(zhǎng)期定時(shí)器.光電儀表器.有源濾波器.比較器.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?xún)?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)行溫度·極為敏感·至23kHz的平坦的響應(yīng)·低噪聲輸出圖2-43503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)在縱向方向的兩端面間出現(xiàn)電位差，這種現(xiàn)象稱(chēng)為霍爾效應(yīng)，兩端的電壓差(圖3-1-1載流子為帶負(fù)電的電子，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)FmevB稱(chēng)為霍爾電場(chǎng)EH，對(duì)應(yīng)的電勢(shì)差稱(chēng)為霍爾電壓UH。電子在霍爾電場(chǎng)EH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FHeEHH爾電壓U=wE=wvB(1)HH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)系為式中n為單位體積中的自由電子數(shù)，UHURHdIBKHIBKHI是由半導(dǎo)體本身電子遷移率決定的物理常數(shù)，稱(chēng)為霍爾系數(shù)，而K稱(chēng)enHRH式中H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K是一常數(shù)，可用實(shí)驗(yàn)方法測(cè)定。H雖然從理論上講霍爾元件在無(wú)磁場(chǎng)作用(B=0)時(shí)，U=0，但是實(shí)際情況用數(shù)字電H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(chēng)等引起附加電勢(shì)差，該電勢(shì)差UHO稱(chēng)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型集成霍爾傳感器有流輸入端”，“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(chēng)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圖3-1-2霍爾傳感器的補(bǔ)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。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BP120NIM(cos1cos2)53-2-1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)，1(L2)2(D2)222B0222LD0NIM由于本設(shè)計(jì)所用的長(zhǎng)直螺線管滿(mǎn)足L>>D，則近似認(rèn)為B0NI0MLcos1LL2(1D)22cos2010磁感應(yīng)強(qiáng)度為最小，且等于BBLML2(1D)2LM2同理，由于本設(shè)計(jì)所用的長(zhǎng)直螺線管滿(mǎn)足L>>D，則近似認(rèn)為1B120NIM12圖3-2-2由(11)、(12)式可知，B112B0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。4.1電路補(bǔ)償調(diào)節(jié) (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 (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.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。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信號(hào)處理電路圖4-4為螺線管磁場(chǎng)測(cè)量電路示意圖，即總電路圖。1.集成霍爾元件的“V+”和“V－”不能接反，否則將損壞元件。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。以防止電感電流突變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U/mVB/H309275845287677693100表二表二0-2040-60-80-100-120-140-160-180-200U0-2040-60-80-100-120-140-160-180-200U/mV-41.0-77.9-115.0-151-187.5-223-259-294-326-359B/H0-0.21-0.43-0.65-0.87-1.09-1.31-1.53-1.75-1.9795.19 (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U/mVB/HU/mVB/H2893393582482100467867695表四反向測(cè)量結(jié)果66789-100-120-140-160-200-237-273-310-1.099-1.319-1.539-1.759766516171819-300-570-3.299145-60-80-125.3-163.2-0.659-0.879881415-260-280-495-533-2.859-3.079222-20-51340.20.219-0.4399-220-4209-2.419-2.63933U/mVB/HU/mVB/H10-140-200-383-2.1994-180-347-1.97954.6數(shù)據(jù)擬合 y=165.1745x–7.6376線性度el=y=162.8667x-5.84090.76%線性度el=0.71% y169.0742x+9.4787y1681321x-14.3265線性度el=線性度展示面包板接線六、分析與討論響？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?，F(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，但是接入電路現(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)果螺線管兩端的磁場(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(huà)，正負(fù)電荷不能完全聚于兩板，所以?xún)砂彘g的電勢(shì)差偏小，導(dǎo)致霍爾電壓偏小。YB1732A5A直流穩(wěn)壓電源1WD990A微機(jī)電源1HT-30B開(kāi)關(guān)電源1VC980A+數(shù)字萬(wàn)用表1爾元件面包板導(dǎo)0.51K電阻100k2個(gè)10K電阻5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得不到預(yù)期的結(jié)果。由此，我深刻的體會(huì)到課本知識(shí)的重要性，有時(shí)就是因?yàn)楹鲆暳藭?shū)本上提到的一個(gè)條件或者是一句話(huà)就會(huì)導(dǎo)致結(jié)果上很理解一門(mén)學(xué)科的基礎(chǔ)也是我們實(shí)踐的依據(jù)，但現(xiàn)實(shí)遠(yuǎn)非課本上的那么多理想情況，沒(méi)有完全相等的電阻，