实验名称用霍尔传感器测定螺线管磁场

实验名称：用霍尔传感器测定螺线管磁场姓 名学 号 班 级桌 号 教 室 基教1108 实验日期 20 年月 日 时段同组同学 指导教师一、实验目的（请先参阅实验教材上《磁场测量》的内容，然后充分阅读实验报告！） 1、验证霍尔传感器输出电势差与螺线管内磁感应强度成正比。

2、测量集成线性霍尔传感器的灵敏度。

3、测量螺线管内磁感应强度与位置之间的关系，求得螺线管均匀磁场范围及边缘的磁感应强度。

4、学习补偿原理在磁场测量中的应用。

二、实验仪器FD-ICH-II 新型螺线管磁场测定仪，包括：实验主机、螺线管、集成霍尔传感器探测棒、单刀双掷开关、双刀双掷换向开关、、连接导线（4红，4黑）若干组成。

其仪器装置如图1所示。

图1 新型螺线管磁场测定仪仪器装置三、实验原理把一块半导体薄片（锗片或硅片）放在垂直于它的磁场B 中，如图2所示，当沿AA ′方向（Y 轴方向）通过电流I 时，薄片内定向移动的载流子受到洛伦兹力f B 的作用而发生偏转。

从而在DD ′间产生电位差U H ，这一现象称为 ，这个电位差称为 。

由电磁理论可得：U H ＝ （1）式中，K H ＝ned1称为霍尔元件的灵敏度，n 为载流子浓度，e 为载流子电荷电量，d 为半导体薄片厚度。

虽然从理论上讲霍尔元件在无磁场作用(即B=0)时，U H =0，但实际中，在产生霍尔效应的同时，还伴随着几个副效应，它们分别是； ； ； 。

所以用数字电压表测时U H 并不为零，这是由于半导体材料结晶不均匀及各电极不对称等引起附加电势差，该电势差U 0称为剩余电压。

随着科技的发展，新的集成化(IC)元件不断被研制成功。

本实验采用SS95A 型集成霍尔传感器(结构示意图如图3所示)是一种高灵敏度集成霍尔传感器，它由霍尔元件、放大器和薄膜电阻剩余电压补偿器组成。

测量时输出信号大，并且剩余电压的影响已被消除。

对SS95A 型集成霍尔传感器，它有三根引线，分别是:“V +”、“V -”、“V out ”。

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

由于SS95A 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，必须使工作电流处在该标准状态。

在实验时，只要在磁感应强度为零(零磁场)条件下，调节“V +”、“V -”所接的“霍尔片工作电压”调节旋钮，使霍尔片传感器输出电压为2.500V(在数字电压表上显示)，则传感器就可处在标准工作状态之下。

图3 95A 型集成霍尔元件内部结构图图2 霍耳效应原理图当螺线管内有磁场且集成霍尔传感器在标准工作电流时，与(1)式相似，由(1)式可得：KU K U B ')500.2(=-=（此处K 类似于（1）式中的K H I ，I ：工作电流，为确定值），式中U 为集成霍尔传感器的输出电压，K 为该传感器的灵敏度，'U 经用2.500V 外接电压补偿以后，用数字电压表测出的传感器输出值(仪器用mV 档读数)。

四、实验过程仪器连线如图4所示。

上海复旦天欣科教仪器有限公司图4 螺线管磁场测定仪连线图1、实验接线如图4所示。

左面数字直流稳流源的“励磁恒流输出”端接电流换向开关，然后接螺线管的线圈接线柱。

右面稳压电源4.8V —5.2V 的输出接线柱(红)接霍尔元件的V ＋(即引脚2－红色导线)，直流稳压电源的⊥(黑)接线柱接霍尔元件的V-(即引脚3－黑色导线)，霍尔元件的V OUT （引脚1－黄色导线）接右边电压表‘电压输入’的＋(红)接线柱电压表切换到V 档(即拨动开关向上拨)。

2、检查接线无误后接通电源，断开励磁电流换向开关K 2，集成霍尔传感器放在螺线管的中间位置(X=17.0cm 处)，开关K 1拨向1，调节“霍尔片工作电压”调节旋钮，使右边数字电压表显示2.500V ，这时集成霍尔元件便达到了标准化工作状态，即集成霍尔传感器通过电流达到规定的数值，且剩余电压恰好得到补偿（抵消），即U 0=0V 。

3、仍断开开关K 2，在保持“V +”和“V -”电压不变的情况下，把开关K 1拨向2，调节“补偿电压”调节旋钮（2.4V —2.6V 电源输出电压），使数字电压表指示值为0，然后将数字电压表量程拨动开关拨向mV 档，继续微调补偿电压旋钮，使输出为0，即达到了精确补偿（也就是用一外接2.500V 的电压与霍尔传感器传感器输出的2.500V 电压相抵消），这样就可直接用数字电压表读出集成霍尔传感器电压输出值'U 。

4、测定霍尔传感器的灵敏度K（1）改变输入螺线管的励磁电流m I ，将传感器置于螺线管的中央位置(即X=17.0cm)，测量'U —m I 关系，记录10组数据，m I 范围在0—500mA ，每隔50mA 测一次。

（2）用最小二乘法求出'U —m I 直线的斜率mI U K ∆∆=''和相关系数r （要求用计算机或APP 软件处理）。

（3）集成霍尔传感器的灵敏度BU K ∆∆='注：实验中所用螺线管参数为：螺线管长度L=260±1mm ，N=(3000±20)匝，平均直径D =35±1mm ，而真空磁导率m H /10470-⨯=πμ。

由于螺线管为有限长，由此必须用公式：m I DL N B 220+=μ进行计算，即BU K ∆∆='='022'022K NDL I U N D L m μμ+=∆∆+ (单位：伏/特斯拉，即：V/T)5、测量通电螺线管中的磁场分布(1) 当螺线管通恒定电流m I (例如250mA)时，测量'U —X 关系。

X 范围为0—30.0cm ，两端的测量数据点应比中心位置的测量数据点密一些。

(2) 利用上面所得的传感器灵敏度K 计算B —X 关系，并作出B —X 分布图。

(3) 计算并在图上标出均匀区的磁感应强度'0B 及均匀区范围(包括位置与长度)，理论值m I DL NB 2200+=μ,假定磁场变化小于1%的范围为均匀区(即%1%100||0'00≤⨯-B B B )。

(4) 已知螺线管长度L=26.0cm ，在图上标出螺线管边界的位置坐标(即P 与'P 点，一般认为在边界点处的磁场是中心位置的一半，即'021'B B B P P ==)。

验证'P P -间距约26.0cm 。

注意：1． 测量m I U ~'时，传感器位于螺线管中央(即X=17.0cm ，即均匀磁场中)。

2． 测量X U ~'时，螺线管通电电流m I 应保持不变。

3． 常检查m I =0（即螺线管磁场为0）时，传感器输出电压应为2.500V 。

4． 常检查用mV 档读'U 值，当m I =0时，mV 指示应该为0。

5． 实验完毕后，请逆时针旋转仪器上的三个调节旋钮，使恢复到起始位置(最小的位置)。

2．选做内容设计一个实验，用95A 型霍尔传感器测量手机扬声器附近最大磁场强度B ，每人单独测量，写清楚手机品牌，型号。

五、实验数据1．霍尔电势差与励磁电流m I 的关系将霍尔传感器置于螺线管中央位置(即X=17.0cm 处)；1'U 为螺线管通正向直流电流时测得集成霍尔传感器输出电压；2'U 为螺线管通反向直流电流时测得集成霍尔传感器输出电压；'U 为|1'U -2'U |/2的值(测量正、反二次不同电流方向所产生磁感应强度值取平均值，可消除地磁场影响)。

表1 测量霍尔电势差'U 与螺线管通电电流m I 关系用最小二乘法求出'U —m I 直线的斜率mI U K ∆∆=''和相关系数r(从网上下载软件到手机上，用手机进行计算，要求手机是Android 系统)。

'K = V/A , 相关系数r= 。

结论：1）由于螺线管内磁感应强度B 与通过螺线管励磁电流m I 成正比，所以表1数据可以证明霍尔电势差'U 与磁感应强度B 成 （正比or 反比？）。

2）计算集成霍尔元件的灵敏度'0K K Nμ== V/T通电螺线管内磁感应强度分布测定(螺线管的励磁电流m I =250mA)表2 螺线内磁感应强度B 与位置刻度X 的关系(B=)/'K U根据表2描绘通电螺线管内磁感应强度分布图。

图5 通电螺线管内磁感应强度分布图3. 确定磁场均匀区和螺线管长度：螺线管中心磁感应强度理论值：=+=m I DL N B 220μ T ，由%1%100||0'00≤⨯-B B B 可以求出'B = mT,从而定出螺线管的均匀磁场区，由上面图5可知，在X 1= cm 到X 2= cm 内螺线管为均匀磁场区。

由于=2B mT,在P ≈ cm 处P B =B 0/2；'P ≈ cm 处，'P B = B 0/2, 所以螺线管长度=-P P 'cm ，与理论值26cm 的百分误差为 %。

4、请设计一个实验，测量地磁场的水平分量大小（提示：指南针，95A 型集成霍尔传感器，参照之前实验内容自行设计实验过程）。

要求写清楚实验过程及原理，并做简单的计算（不要求计算不确定度）。

5、设计一个实验，用95A 型霍尔传感器测量手机扬声器附近最大磁场强度B ，每人单独测量（测量一次，不要求不确定度计算），写清楚手机品牌，型号。

六、思考题1． 什么是霍尔效应？霍尔传感器在科研即生活中有何用途，请举例说明。

2．SS95A型集成霍尔传感器为何工作电流必须标准化？如果该传感器工作电流增大些，对其灵敏度有无影响？3.如果螺线管在绕制中两边的单位匝数不相同或绕制不均匀，这时将出现什么情况？磁场将会如何分布？七、注意事项1．FD-ICH-II 新型螺线管磁场测定仪-电源(以下简称实验电源)，供电电压交流220V，50H Z。

电源插座位于机箱后面。

新型电源插座内装0.5A保险丝，可方便保险丝的更换。

2．实验电源分三个部分(如上图1所示)，面板左面为数字式直流稳流源，用精密多圈电位器调节输出电流的大小，调节精度1mA，电流大小由三位半数字电流表显示；面板右边为四位半电压表，黑色拨动开关切换量程0—19.999V和0-1999.9mV。

面板中间为直流稳压电源,对应输出接线柱上方是调节输出电压电位器(顺时针调节电压增加)。

3．集成霍尔元件的V＋和V＿不能接反，否则将损坏元件。

4．拆除接线前应先将螺线管工作电流调至零，再关闭电源，以防止电感电流突变引起高电压。

5．仪器应预热10分钟后测量数据。