传感器课程设计——霍尔传感器测量磁场要点.pdf
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1、1 目录 一、课程设计目的与要求 . .2 二、元件介绍 .3 三、课程设计原理 .6 3.1 霍尔效应. 6 3.2 测磁场的原理 , 载流长直螺线管内的磁感应强度8 四、课程设计内容. .10 4.1 电路补偿调节.10 4.2 失调电压调零.10 4.3 按图 4-3 接好信号处理电路10 4.4 按图 4-4 接好总测量电路.11 4.5 数据记录与处理. 12 4.6 数据拟合 .14 五、成品展示.16 六、分析与讨论 .17 实验所需仪器 .19 个人总结.20 致谢.21 参考文献.22 参考网址 .22 2 一、课程设计目的与要求 1.了解霍尔传感器的工作原理 2.掌握运用霍
2、尔传感器测量磁场的方法 3 二、元件介绍 CA3140 CA3140 高输入阻抗运算放大器 , 是美国无线电公司研制开发的一种BiMOS 高 电压的运算放大器在一片集成芯片上,该CA3140A 和 CA3140 BiMOS 运算放大器 功能保护 MOSFET 的栅极(PMOS 上)中的晶体管输入电路提供非常高的输入阻抗, 极低输入电流和高速性能。操作电源电压从4V 至 36V(无论单或双电源 ), 它结 合了压电 PMOS 晶体管工艺和高电压双授晶体管的优点.( 互补对称金属氧化物半 导体) 卓越性能的运放。 应用范围 : . 单电源放大器在汽车和便携式仪表 . 采样保持放大器 . 长期定时器
3、 . 光电仪表 . 探测器 . 有源滤波器 . 比较器 .TTL 接口 . 所有标准运算放大器的应用 . 函数发生器 . 音调控制 . 电源 . 便携式仪器 4 5 3503霍尔元件 UGN3503LT ,UGN3503U 和 UGN3503UA 霍尔效应传感器准确地跟踪磁通量非常 小的变化,密度变化通常太小以致不方便操作霍尔效应开关。 可作为运动探测器, 齿传感器和接近探测器, 磁驱动机械事件的镜像。 作为 敏感电磁铁的显示器,就可以有效地衡量一个系统的负载量可以忽略不计的性 能,同时提供隔离污染和电气噪声。 每个霍尔效应集成电路包括一个霍尔传感元件,线性放大器和射极跟随器输出 级。 三种封
4、装形式提供了对磁性优化包大多数应用程序。封装后缀“LT”是一个 缩影 SOT-89/TO243AA 表面贴装应用的晶体管封装; 后缀“ U”是一个微型三引脚 塑料 SIP,而UA 是一个三引脚超小型SIP 协议。所有器件的额定连续运行温度 范围为 -20 C至+85C 。 特点: 极为敏感 至 23 kHz 的平坦的响应 低噪声输出 4.5 V 至 6 V 的操作 磁性优化装箱 图 2-4 3503 霍尔元件封装及引脚图 6 三、课程设计原理 3.1 霍尔效应 图 3-1-1 霍尔效应原理图 把矩形的金属或半导体薄片放在磁感应强度为 B的磁场中,薄片平面垂直于 磁场方向。如图 3-1-1 所示
5、,在横向方向通以电流I ,那么就会在纵向方向的两 端面间出现电位差, 这种现象称为霍尔效应, 两端的电压差称为霍尔电压,其正 负性取决于载流子的类型。( 图 3-1-1 载流子为带负电的电子,是N型半导体或 金属) ,这一金属或半导体薄片称为霍尔元件。假设霍尔元件由 N型半导体制成, 当霍尔元件上通有电流时, 自由电子运动的方向与电流I 的流向相反的。 由于洛 伦兹力 BveFm 的作用,电子向一侧偏转, 在半导体薄片的横向两端面间形成 电场 称为霍尔电场 H E ,对应的电势差称为霍尔电压UH。电子在霍尔电场 H E 中所受 的电场力为 HHEeF ,当电场力与磁场力达到平衡时,有 0Bve
6、Ee H BvEH 若只考虑大小,不考虑方向有 EH=vB 7 因此霍尔电压 UH=wEH =wvB (1) 根据经典电子理论, 霍尔元件上的电流I 与载流子运动的速度v 之间的关系 为 I=nevwd (2) 式中 n 为单位体积中的自由电子数,w 为霍尔元件纵向宽度, d 为霍尔元件 的厚度。由式 (1)和式(2)可得 IBKIB d R end IB U H H H (3) 即 IK U B H H (4) 式中 en RH 1 是由半导体本身电子迁移率决定的物理常数,称为霍尔系数, 而 KH称为霍尔元件的灵敏度。在半导体中,电荷密度比金属中低得很多,因而 半导体的灵敏度比金属导体大得多
7、,所以半导体中,电荷密度比金属中低得多, 因而半导体的灵敏度比金属导体大得多,所以半导体能产生很强的霍尔效应。对 于一定的霍尔元件, KH是一常数,可用实验方法测定。 虽然从理论上讲霍尔元件在无磁场作用(B=0)时,UH=0,但是实际情况用数 字电压表测量并不为零, 这是由于半导体材料结晶不均匀、各电极不对称等引起 附加电势差,该电势差UHO称为剩余电压。随着科技的发展,新的集成化(IC)器 件不断被研制成功,本课程设计采用AN503 型集成霍尔传感器。 AN503 型集成 霍尔传感器有三根引线,分别是: “V+” 、 “V” 、 “Vout” 。其中“V+”和“V” 构成“电流输入端”, “
8、Vout”和“ V”构成“电压输出端” 。由于 AN503 型集 成霍尔传感器它的工作电流已设定,被称为标准工作电流, 使用传感器时, 必须 使工作电流处于该标准状态。在实验时,只要在磁感应强度为零(B=0)条件下, “Vout”和“ V”之间的电压为2.500V,实际测得 2.53V,则传感器就处于标 准工作状态之下( V+标号为 1,V-标号为 2,Vout 标号为 3) 。 所以要对霍尔传感器进行电路补偿, 使得传感器在 0 磁场的条件下接入电路 输出电压 Uo=0V,则补偿电路如下: 8 图 3-1-2 霍尔传感器的补偿电路 3.2 测磁场的原理 ,载流长直螺线管内的磁感应强度 对于密
9、绕的螺线管,可以看成是一列有共同轴线的圆形线圈的 并排组合,因此一个载流长直螺线管轴线上某点的磁感应强度,可 以从对各圆形电流在轴线上该点所产生的磁感应强度进行积分求和 得到。根据毕奥萨伐尔定律, 当线圈通以电流IM 时,管内轴线上 P点的磁感应强度为 )cos(cos21 210MP NIB 5 其中O 为真空磁导率, O =410-7 亨利/米,N 为螺线管单位长度的 线圈匝数, IM 为线圈的励磁电流, 1、2 分别为点 P 到螺线管两端径失与轴 线夹角,如图 3-2-1 所示。 对于一个有限长的螺线管,在距离两端口等远的中心处轴上O点, 22 1 )2()2( 2 cos DL L 6
10、 22 2 )2()2( 2 cos DL L 7 图 3-2-1 9 式中 D为长直螺线管直径, L 为螺线管长度。 此时,磁感应强度为最大,且等于 22 0 2222 00 ) ) 2 1 () 2 1 ( 2 1 ) 2 1 () 2 1 ( 2 1 ( 2 1 DL L NI DL L DL L NIB M M 8 由于本设计所用的长直螺线管满足LD ,则近似认为 M NIB 00 9 在两端口处, 22 1 ) 2 1 ( cos DL L , 0cos 2 10 磁感应强度为最小,且等于 22 01 ) 2 1 ( 2 1 DL L NIB M 11 同理,由于本设计所用的长直螺线
11、管满足LD ,则近似认为 M NIB 01 2 1 12 由(11) 、 (12)式可知, 01 21BB 由图 3-2-2 所示的长直螺线管的磁力线分布可知,其 内腔中部磁力线是平行于轴线的直线系,渐近两端口时, 这些直线变为从两端口离散的曲线,说明其内部的磁场在 很大一个范围内是近似均匀的,仅在靠近两端口处磁感应 强度才显著下降,呈现明显的不均匀性。根据上面理论计 算,长直螺线管一端的磁感应强度为内腔中部磁感应强度的1/2 。 图 3-2-2 10 四、课程设计内容 4.1 电路补偿调节 (1)按图 3-1-2 接好电路。集成霍尔传感器与5V 微机电源相接 (正负极请 勿接错 )。如图标号
12、, 1 接正极, 2 接地, 3 和 2 与数字电压表 +、-相接。 (2)霍尔传感器处于零磁场条件下,传感器工作电源输出电压5V,测得数 字电压显示的电压指示值为2.53V,调节传感器补偿电路中的可调电阻,也就是 用一外接 2.53V 的电位差与传感器输出2.53V 电位差进行补偿,使数字电压表指 示值为 0(这时应将数字电压表量程开关拨向mV 档),这时集成霍尔元件便达到 了标准化工作状态,即集成霍尔传感补偿电路的输出电压恰好达到U0=0V。 4.2 失调电压调零 按图 2-3 接好电路。调节可调电阻使得运算放大器的输出端电压Uo=0V。 4.3 按图 4-3 接好信号处理电路 图 4-3
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