传感器课程设计霍尔传感器测量磁场.docx

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传感器课程设计霍尔传感器测量磁场

目　录

一、课程设计目得与要求………………………………………、……………、…、、2

二、元件介绍……………………………………………………………………、…、、、、3

三、课程设计原理…………………………………………………………………、、、6

３、1霍尔效应………………………………………………………………………、、、　6

３、２测磁场得原理,载流长直螺线管内得磁感应强度　……………………、、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、、………………………………………………………………、…、、、、、、、、１3

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

一、课程设计目得与要求

１、了解霍尔传感器得工作原理

２、掌握运用霍尔传感器测量磁场得方法

二、元件介绍

CA3１４0

ＣＡ3140高输入阻抗运算放大器,就就是美国无线电公司研制开发得一种ＢiMＯS高电压得运算放大器在一片集成芯片上,该CA3140A与CA3140BiＭOＳ运算放大器功能保护MＯSＦEＴ得栅极（PMOＳ上）中得晶体管输入电路提供非常高得输入阻抗，极低输入电流与高速性能。

操作电源电压从4V至３6V（无论单或双电源）,它结合了压电PMOＳ晶体管工艺与高电压双授晶体管得优点、（互补对称金属氧化物半导体）卓越性能得运放。

应用范围:

、单电源放大器在汽车与便携式仪表

、采样保持放大器

、长期定时器

、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得应用

、函数发生器

、音调控制

、电源

、便携式仪器

3503霍尔元件

UGN３503LT,UGN３５０３Ｕ与UGN３5０3UA霍尔效应传感器准确地跟踪磁通量非常小得变化,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,齿传感器与接近探测器,磁驱动机械事件得镜像。

作为敏感电磁铁得显示器，就可以有效地衡量一个系统得负载量可以忽略不计得性能,同时提供隔离污染与电气噪声。

ﻫ每个霍尔效应集成电路包括一个霍尔传感元件，线性放大器与射极跟随器输出级。

三种封装形式提供了对磁性优化包大多数应用程序。

封装后缀“LT”就就是一个缩影ＳＯT-８9/TＯ243AA表面贴装应用得晶体管封装;后缀“U”就就是一个微型三引脚塑料ＳIＰ，而＇UA'就就是一个三引脚超小型SIP协议。

所有器件得额定连续运行温度ﻫ范围为-２0　°C至＋85°Ｃ。

特点:

·极为敏感

·至２3　ｋHz得平坦得响应ﻫ·低噪声输出ﻫ·4、5V至６　V得操作

·磁性优化装箱

图２-43５03霍尔元件封装及引脚图

三、课程设计原理

3、1霍尔效应

图３-１-1　霍尔效应原理图

把矩形得金属或半导体薄片放在磁感应强度为得磁场中,薄片平面垂直于磁场方向。

如图3-1-1所示，在横向方向通以电流Ｉ,那么就会在纵向方向得两端面间出现电位差,这种现象称为霍尔效应,两端得电压差称为霍尔电压，其正负性取决于载流子得类型。

（图3－1-1载流子为带负电得电子,就就是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，自由电子运动得方向与电流I得流向相反得。

由于洛伦兹力得作用,电子向一侧偏转，在半导体薄片得横向两端面间形成电场

称为霍尔电场,对应得电势差称为霍尔电压UH。

电子在霍尔电场中所受得电场力为,当电场力与磁场力达到平衡时,有

若只考虑大小,不考虑方向有

　　　　　　　EH＝ｖB

因此霍尔电压

　　　　　UＨ=wEH=wvB　（１）

根据经典电子理论,霍尔元件上得电流I与载流子运动得速度v之间得关系为

　　Ｉ＝nｅvｗｄ　　　　　

（2）

式中ｎ为单位体积中得自由电子数,w为霍尔元件纵向宽度,d为霍尔元件得厚度。

由式

（1）与式

（2）可得

　　　　（3）

即

　　　　　　　　（4）

式中就就是由半导体本身电子迁移率决定得物理常数，称为霍尔系数,而KH称为霍尔元件得灵敏度。

在半导体中,电荷密度比金属中低得很多，因而半导体得灵敏度比金属导体大得多,所以半导体中,电荷密度比金属中低得多，因而半导体得灵敏度比金属导体大得多，所以半导体能产生很强得霍尔效应。

对于一定得霍尔元件,KH就就是一常数,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,但就就是实际情况用数字电压表测量并不为零,这就就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。

随着科技得发展,新得集成化（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,分别就就是:

“Ｖ+”、“V－”、“Vout”。

其中“V+”与“Ｖ－”构成“电流输入端”，“Vout”与“V－”构成“电压输出端”。

由于AN503型集成霍尔传感器它得工作电流已设定,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”与“V-”之间得电压为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磁场得条件下接入电路输出电压Ｕｏ=0V,则补偿电路如下:

图3-1-2　霍尔传感器得补偿电路

3、2测磁场得原理,载流长直螺线管内得磁感应强度

对于密绕得螺线管，可以瞧成就就是一列有共同轴线得圆形线圈得并排组合,因此一个载流长直螺线管轴线上某点得磁感应强度,可以从对各圆形电流在轴线上该点所产生得磁感应强度进行积分求与得到。

图3-2-1

根据毕奥—萨伐尔定律，当线圈通以电流IM时,管内轴线上P点得磁感应强度为

　5

其中μO为真空磁导率,μＯ=４π×10-７亨利/米,N为螺线管单位长度得线圈匝数,IM为线圈得励磁电流,β1、β２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。

对于一个有限长得螺线管,在距离两端口等远得中心处轴上Ｏ点,

　　　　　６

　　　7

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

　　　８

由于本设计所用得长直螺线管满足Ｌ>>D,则近似认为

　　　　　　　　　　　　　　　　　9　

在两端口处,

，　　　　　　　　　10

磁感应强度为最小,且等于

　　　　　　　　　　　　　11

同理,由于本设计所用得长直螺线管满足L>＞D,则近似认为

图3-2-2

　　　　　　　　　　12

由（11）、（1２）式可知,

由图３-2-2所示得长直螺线管得磁力线分布可知,其内腔中部磁力线就就是平行于轴线得直线系,渐近两端口时,这些直线变为从两端口离散得曲线,说明其内部得磁场在很大一个范围内就就是近似均匀得,仅在靠近两端口处磁感应强度才显著下降,呈现明显得不均匀性。

根据上面理论计算,长直螺线管一端得磁感应强度为内腔中部磁感应强度得1/２。

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,1接正极,2接地,3与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,测得数字电压显示得电压指示值为2、5３V,调节传感器补偿电路中得可调电阻,也就就就是用一外接2、53V得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得输出电压恰好达到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得输出端电压Uo=0V。

4、3按图4-3接好信号处理电路

图4－3　　　信号处理电路

4、4按图4-４接好总测量电路

图4－4为螺线管磁场测量电路示意图，即总电路图。

螺线管长度:

22．3ｃm,平均直径:

25mm。

螺线管匝数:

２０00±20匝。

螺线管中央均匀磁场长度：

>１0.0cm。

电源组与数字电压表:

传感器工作电源5V，传感器补偿电源5V。

【注意事项】

1、集成霍尔元件得“V+”与“V-”不能接反,否则将损坏元件。

2、实验中常检查Iｍ=０时,传感器输出电压就就是否为2、50０V。

3、用mＶ档读U＇值。

当Ｉm=0时,输出端mV指示应该为0。

５、拆除接线前应先将螺线管工作电流调至为零，再关闭电源。

以防止电感电流突变引起高电压。

6、实验完毕后,请逆时针地旋转仪器上得三个调节旋钮,使恢复到起始位置（最小得位置）。

4、5数据记录与处理

（1）三位半数字万用表测量数据

表一　　　　正向测量结果

序号

1

2

3

４

5

6

7

8

９

10

１1

Ｉ/mＡ

0

1９、８

4０、０

５9、7

8０

１00

１２0

１40、1

15９、8

１80

199、8

U/ｍV

0、６

2６、０

62、4

98、1

135、５

173

2

３5８

B/H

0

0、２1７7

0、４３9９

0、6565

0、8798

1、0997

１、３1９6

1、5407

1、7573

1、９７95

2、197２

表二　　　　　　反向测量结果

序号

1

２

3

4

５

6

7

8

9

１０

1１

I/mA

０

－20

-4０

-6０

-80

-１00

－1２0

-１40

-１60

-１８０

-2０0

Ｕ/mＶ

０、５

－41、0

-77、９

-1１5、0

－15１、5

-187、5

-22３

-２59

-２94

-３2６

-３59

B／H

0

－０、2199

-０、4399

-0、６59８

-0、８7９8

-1、09９7

-１、３１96

－1、５３9６

-１、7595

-1、９795

-2、1９94

（2）四位半数字万用表测量数据

表三　　　正向测量结果

序号

1

2

3

４

５

６

7

8

9

10

I／mA

80

U/mV

８、５

47、８

８4、４

121、７

158、４

195、1

23２

270

306

343

B/H

0

0、2１99

0、4３99

0、6598

０、879８

１、０９９7

1、319６

1、53９6

1、７5９5

1、9795

序号

11

12

8

19

20

I／mA

2

28０

300

U／mV

３８１

419

45６

４93

530

5６8

B/H

２、199４

2、4193

2、６39３

2、859２

３、0792

3、２99

表四　反向测量结果

序号

1

2

3

4

５

6

7

８

9

10

Ｉ/mＡ

0

-20

-4０

-6０

－8０

-１０0

-1２0

-140

-１60

-１8０

Ｕ/mＶ

-1４

-51

-88、2

－１2５、3

-1６３、2

-２0０

-２37

-2７3

-3１0

－3４7

B/Ｈ

0

-0、219９

-０、439９

－0、6５98

-０、8７9８

-１、0997

-1、3196

-1、５３96

-1、7５9５

-１、9795

序号

11

１２

8

1９

20

Ｉ/ｍA

-２00

-220

-２40

－２６0

-280

-3０0

Ｕ/ｍＶ

－３83

-420

-457

－４95

-53３

-57０

B/H

-2、１994

-2、41９3

－2、6393

－２、８5９2

-３、0７9２

－3、２9９1

4、６数据拟合

（1）

y＝１６5、１7４5x–７、６376　线性度el＝0、７6%

y=162、８667ｘ-　5、８409　　　线性度eｌ=0、７1%

ﻬ

（2）

y=１69、0742x+9、478７　　线性度ｅl=０、2１%

ｙ=16８1321ｘ-14、３2６5线性度el=0、2%

五、成品展示

1、全图

图5

2、面包板接线

六、分析与讨论

1、补偿电路得分压电阻得大小对整个电路得输出电压就就是否有影响?

答:

有影响。

现象1:

分压电阻用10k得电阻,可调电阻用５0k得电阻。

虽然此时补偿后传感器得输出电压可基本调至0、而整个电路得输出无法调至0，且数值波动很大。

现象2:

分压电阻用０、５1k得电阻,可调电阻用1ｋ得电阻。

此时补偿后传感器得输出电压可基本调至零,且整个电路得输出电压也可基本调至零，且波动很小。

由此可以得出,输入阻抗得大小对整个电路得输出电压就就是有影响得,所以补偿电路得分压电阻得大小对整个电路得输出电压就就是有影响得。

2、失调电压调零电路得电阻对传感器得输出就就是否有影响？

答:

有影响。

现象1:

当用1ｋ与０、51ｋ电阻并联时,输出端电压可基本调至0,但就就是接入电路时,输出电压稳定，且可基本调至0。

现象2:

当换成１0k电阻时,输出电压也可基本调至0，但就就是接入电路时输出电压不稳定,且波动较大。

由此可以得出,失调电压调零电路得电阻对传感器得输出就就是有影响

３、放大电路得放大倍数就就是否只能取决于一个点得输入输出电压？

答:

不能。

放大电路得放大倍数不能只取决于一个点得输入输出电压，而应该用输出变化量与输入变化量得比值来表示。

现象:

若用一个点得输入输出电压时，其放大倍数为100倍。

不符设计电路计算结果;而用输出变化量与输入变化量得比值来表示时其放大倍数为十倍。

符合设计电路计算结果。

4、霍尔元件伸入螺线管得长度对磁场得测量就就是否有影响?

答:

有影响。

螺线管两端得磁场分布不均匀，中间分布均匀,当伸入长度极短时就就是有影响得,但伸入长度稍微长一些时,保证其再均匀区域内,伸入长度就就是没有影响得。

5、为什么要求磁场方向垂直于霍尔元件平面,否则测出得霍尔电压将如何变化？

答:

霍尔效应要通过测两板间得电势差,如果不垂直得话，正负电荷不能完全聚于两板,所以两板间得电势差偏小,导致霍尔电压偏小。

实验所需仪器

YB17３2A5A直流稳压电源　　　　　1个

WD９９０A微机电源　　　１个

HT－30Ｂ开关电源　　　　　　　　　1个

VC9８0Ａ+数字万用表　1个

VＣ９８０７A四位半数字万用表　　　　　1个

螺线管　　　　　　　1个

AN5０3霍尔元件　　　　　　1个　

面包板　　　　　　　　　1块

导线　　　　　　　　　　　　若干

CＡ31４0运算放大器　　　　　　2个

1K可调电阻　　　　　　　　2个

10K可调电阻　　　　　　　　　　　　１个

０、51K电阻　　　　２个

100k电阻　　　　5个

10K电阻　　　　　　2个

个人总结

　为期两周得课程设计很快进入最后阶段,此次课程设计就就是我们第一次真正得感受我们得专业课，第一次自己动手设计,制作试验器件。

这次课程设计让我学会了很多东西，从学习态度到知识得掌握，再到问题得解决。

我们平时所掌握得知识都就就是分别从各科目课本上学习所得，从来没有系统得把所学知识联系、应用起来,更不曾得知实践与理想值之间得差距。

此次课程设计得课时安排就就是1０天,我们小组用第１天去总体设计电路与搭建基本得电路框架，接下来得3天我们都在不断得修改我们得电路,因为我们发现按照最初得思路制作得电路根本得不到预期得结果。

由此,我深刻得体会到课本知识得重要性，有时就就就是因为忽视了书本上提到得一个条件或者就就是一句话就会导致结果上很大得偏差。

同时，我也懂得了一句话——尽信书则不如无书,书本上得知识就就是我们理解一门学科得基础也就就是我们实践得依据,但现实远非课本上得那么多理想情况，没有完全相等得电阻，也没有不漂移得电路。

凡事都要在认识得基础上去亲身实践,只有把理论付诸于行动才能得到最好得理解。

致谢

此次课程设计就就是我们6个人得小组在老师得指导下共同完成得。

在此，我首先感谢老师得指导与帮助,我们最终能圆满完成设计任务离不开鲍老师平时得教导与实践时耐心得指导与讲解。

鲍老师在上课时经常教育我们凡事要有前因后果,要有合理依据，要循序渐进,这些思想在此次课程设计中都得到了良好得验证，也教会了我们正确得对待学习与任务得态度，这将对我们将来参加工作产生长远得影响。

其次,感谢同组同学得团结协助,每一步得成功都离不开本组所有同学得共同研究与探讨,这种团结合作得精神必然会带来更大得收获。

最后，感谢系里老师给我们安排了这个实践环节，也感谢学院为我们提供了良好得实验环境。

就就是这两方面得原因保证了我们能够顺利得完成这次课程设计,锻炼了我们得实践能力与分析问题解决得技能。

参考文献

[1]赵负图,传感器集成电路手册,化学工业出版社,2002、4

［2]李道华,李玲,朱艳,传感器电路分析与设计,武汉大学出版社，20０0、3

[3]梁瑞林,传感器实用电路设计与制作,科学出版社，20０5、4

参考网址

[1]

[2]７f524cｃbff121847a、htｍｌ

[3]２f３b44３６ａ32d737５a4１7801e、ｈｔml