1、1答辯課題：交流激勵(lì)時(shí)霍爾傳感器的位移特性 答辯人： 物教1101 2 概述 霍爾傳感器是基于霍爾效應(yīng)的一種傳感器。1879年美國(guó)物理學(xué)霍爾首先在金屬材料中發(fā)現(xiàn)了霍爾效應(yīng)。 隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，用半導(dǎo)體材料制成霍爾元件，由于它的霍爾效應(yīng)顯著而得到應(yīng)用和發(fā)展。 霍爾傳感器是基于霍爾效應(yīng)將被測(cè)量（如電流、磁場(chǎng)、位移、壓力、壓差、轉(zhuǎn)速等）轉(zhuǎn)換成電動(dòng)勢(shì)輸出的傳感器。 霍爾式傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、堅(jiān)固、頻率響應(yīng)寬、動(dòng)態(tài)范圍大、非接觸、使用壽命長(zhǎng)、可靠性高、易于微型化和集成化。在測(cè)量技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)和信息處理得到了廣泛的應(yīng)用。3u現(xiàn)象現(xiàn)象 霍爾效應(yīng)霍爾效應(yīng) 在長(zhǎng)方形導(dǎo)體薄板上通以電流，沿電流的垂直方向

2、在長(zhǎng)方形導(dǎo)體薄板上通以電流，沿電流的垂直方向施加磁場(chǎng)，就會(huì)在與電流和磁場(chǎng)兩者垂直的方向上產(chǎn)生施加磁場(chǎng)，就會(huì)在與電流和磁場(chǎng)兩者垂直的方向上產(chǎn)生電勢(shì)差，這種現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)，所產(chǎn)生的電勢(shì)差稱為電勢(shì)差，這種現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)，所產(chǎn)生的電勢(shì)差稱為霍爾電壓?；魻栯妷?。u理論分析理論分析磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)載流子受洛倫茲力作用電荷聚集形成電場(chǎng)電場(chǎng)力與洛倫茲力達(dá)到平衡，形成穩(wěn)定電壓UHBfSIvbdEfHUbUqBqHv4又考慮到又考慮到( (n n為載流子濃度為載流子濃度) )dbnqISvbUqBqHvdBInqUSH1BIKUSHH即：即：qd)稱為霍爾元件的靈敏度稱為霍爾元件的靈敏度為流過(guò)霍爾元件的電流，即其工

3、作電流為流過(guò)霍爾元件的電流，即其工作電流567實(shí)驗(yàn)?zāi)康?在一定的工作電流I下，霍爾電壓U與外磁場(chǎng)磁感應(yīng)強(qiáng)度B成正比。這就是霍爾效應(yīng)檢測(cè)磁場(chǎng)的原理。 在一定的外磁場(chǎng)中，霍爾電壓U與通過(guò)霍爾片的電流強(qiáng)度I（工作電流）成正比。這就霍爾效應(yīng)檢測(cè)電流的原理。HHSUBK I 基本測(cè)試電路基本測(cè)試電路HSHUIBK8實(shí)驗(yàn)?zāi)康?如果保持霍爾元件的電流I不變而使其在一均勻梯度的磁場(chǎng)中移動(dòng)時(shí)，則輸出的霍爾電勢(shì)差變化量為 上式中 為位移量， 為常數(shù)時(shí)， 與 成正比。ZdZdBKIUHZdZdBHUZ如果工作電流是振幅與頻率一定的交變電流， 與 會(huì)有什么關(guān)系呢？HUZ9上圖是實(shí)驗(yàn)冊(cè)提供的測(cè)量電路圖，我工作的第一步是

4、搞清楚電路圖中各部分的作用。實(shí)驗(yàn)原理10霍爾傳感器副效應(yīng)不等位電勢(shì)U0I1r2r3r4r4123不等位電勢(shì)示意圖U0r4r2r3r1霍爾元件的等效電路I243111實(shí)驗(yàn)原理 根據(jù)前面對(duì)霍爾效應(yīng)的副效應(yīng)不等位電勢(shì)的介紹，這里電橋平衡網(wǎng)絡(luò)的作用是：消除不等位電勢(shì)的影響，即使U =0。 驗(yàn)證方法：按上圖連接電路，但霍爾片不置于磁場(chǎng)中，霍爾電壓經(jīng)差動(dòng)放大器接入示波器，調(diào)節(jié)W1、W2觀察波形是否變化。012實(shí)驗(yàn)步驟（1）將霍爾磁場(chǎng)固定在振動(dòng)盤上，調(diào)節(jié)振動(dòng)盤與霍爾片之間的位置，（不可有任何接觸，以免將霍爾傳感器損壞。）裝上并調(diào)節(jié)測(cè)微頭與振動(dòng)盤吸合，使霍爾片剛好處于磁場(chǎng)的中間位置；（2）差動(dòng)放大器調(diào)零：V+

5、接至直流恒壓源的+15V,V-接至-15V,調(diào)零模塊的GND與差動(dòng)放大器模塊的GND相連，VREF與VREF相連，V+與V+相連，再用導(dǎo)線將差動(dòng)放大器的輸入端同相端VP（）、反相端VN（）與地短接。用萬(wàn)用表測(cè)差動(dòng)放大器輸出端的電壓；開啟直流恒壓源；調(diào)節(jié)調(diào)零旋鈕使萬(wàn)用表顯示為零。13實(shí)驗(yàn)步驟（3）按電路圖接線，霍爾片上的A、B、C、D與霍爾式上的一一對(duì)應(yīng)；打開直流恒壓源，將音頻振蕩器的輸出幅度調(diào)到5VP-P左右，差放增益置合適位置。利用示波器和萬(wàn)用表調(diào)整好W1、W2、移相器及振動(dòng)盤與霍爾片之間的位置，再轉(zhuǎn)動(dòng)測(cè)微頭，使其在某個(gè)位置時(shí)萬(wàn)用表顯示為0，也可以調(diào)節(jié)音頻幅度。萬(wàn)用表置20V檔。困難：由于對(duì)

6、電路圖中的相敏檢波器等作用無(wú)法完全理解所以在調(diào)節(jié)W1、W2、移相器時(shí)無(wú)法判斷是否調(diào)節(jié)好。但調(diào)節(jié)過(guò)程中觀察到的現(xiàn)象是：1）一路信號(hào)是正弦波信號(hào)，二路信號(hào)也具有明顯周期。2）調(diào)節(jié)W1可以明顯看到二路信號(hào)幅度的改變及電壓表讀數(shù)的變化。3）調(diào)節(jié)W2與移相器兩波形變化都不明顯。反思：沒有及時(shí)解決問(wèn)題，后來(lái)發(fā)現(xiàn)網(wǎng)上沒有想過(guò)的資料，才發(fā)現(xiàn)自己沒有及時(shí)向老師請(qǐng)教。14實(shí)驗(yàn)步驟要點(diǎn) 測(cè)位移使用測(cè)微頭時(shí)，當(dāng)來(lái)回調(diào)節(jié)微分筒使測(cè)桿產(chǎn)生位移的過(guò)程中本身存在機(jī)械回程差，為消除這種機(jī)械回差可用單行程位移方法實(shí)驗(yàn)：順時(shí)針調(diào)節(jié)測(cè)微頭的微分筒4周，記錄電壓表讀數(shù)作為位移起點(diǎn)。以后，反方向（逆時(shí)針方向）調(diào)節(jié)測(cè)微頭的微分筒（0.01

7、mm/每小格），每隔X=0.1mm（總位移可取4mm）從電壓表上讀出輸出電壓V值，將讀數(shù)填入表中（這樣可以消除測(cè)微頭的機(jī)械回差）。 實(shí)驗(yàn)電路圖中的相關(guān)元件有需要接DH-VC215V、接地的不要忘記。（4）旋動(dòng)測(cè)微頭，每隔0.1mm記下表頭讀數(shù)15分析與討論根據(jù)測(cè)得的數(shù)據(jù)在matlab軟件中畫出U-X曲線如圖，其中直線為數(shù)據(jù)擬合曲線。靈敏度S是指?jìng)鞲衅鞯妮敵隽吭隽縐 與引起輸出量增量U的輸入量增量X的比值, 即 S=U/X=-0.0021（v/mm）16 霍爾式位移特性解釋霍爾式位移特性解釋HUkx霍爾元件處于中間位置位移x=0時(shí)，由于B=0，所以UH=0霍爾元件右移, x0，合成磁感應(yīng)強(qiáng)度B向左,B0， UH0 霍爾元件左移，x0，合成磁感應(yīng)強(qiáng)度B向右,B0，UH0。17霍爾效應(yīng)建立的時(shí)間極短（10-1210-14S），I 即可以是直流，也可以是交流。但交流情況下輸出的信號(hào)也是一定頻率、振幅的交流信號(hào)。討論那么我們這里對(duì)交流激勵(lì)霍爾傳感器靜態(tài)位移特性研究的意義在哪呢？1）驗(yàn)證交流激勵(lì)下，霍爾片在磁場(chǎng)中的移動(dòng)仍符合靜態(tài)位移特性U與X為線性關(guān)系。2）交流激勵(lì)下，輸出的霍爾電壓也是交流的，可以有不同于直流情況下的一些特性。當(dāng)我們改變交流信號(hào)就可以研究霍爾傳感器的動(dòng)態(tài)特性。18測(cè)量電路部分：將實(shí)驗(yàn)冊(cè)提供的移相器