传感器课程设计——霍尔传感器测量磁场

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)

一、课程设计目的与要求

1.了解霍尔传感器的工作原理

2.掌握运用霍尔传感器测量磁场的方法

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

.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

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+85°C。

特点:

²极为敏感

²至23 kHz的平坦的响应Array²低噪声输出

²4.5 V至6 V的操作

²磁性优化装箱

图2-4 3503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 把矩形的金属或半导体薄片放在磁感应强度为的磁场中，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B v e F m ⨯-=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U H 。电子在霍尔电场H 中所受的电场力为H H e -=，当电场力与磁场力达到平衡时，有

()()

0=⨯-+-e e H

B v E H ⨯-=

若只考虑大小，不考虑方向有

E H =vB

因此霍尔电压

U H =wE H =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

IB K IB d R end IB U H H H =⎪⎭⎫ ⎝⎛== (3) 即

I K U B H H =

(4) 式中en R H 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K H 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，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，K H 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，U H =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U HO 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 －”、“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，“V out ”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，V out 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：