实验名称用霍尔传感器测定螺线管磁场

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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 =

ned

1

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:

K

U 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m

I 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

B

U 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 D

L N B 2

20

+=μ进行计算,

即B

U K ∆∆='=

'02

2'

02

2K N

D

L 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。

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