基于霍爾效應(yīng)的角位移傳感器演示儀

唐亞明，葛松華，楊清雷

(青島科技大學(xué)，山東青島 266042)

由物理學(xué)可知，當(dāng)電流IC通過(guò)半導(dǎo)體片時(shí)，若在垂直于電流IC的方向施加磁場(chǎng)B，則半導(dǎo)體片兩側(cè)面會(huì)出現(xiàn)橫向電位差，如圖1所示。當(dāng)電子所受到的洛侖茲力(fL)與電場(chǎng)力(fE)二力作用平衡時(shí)，電子的積累便達(dá)到了動(dòng)態(tài)平衡。這時(shí)在兩橫端面之間建立的電場(chǎng)稱(chēng)為霍爾電場(chǎng)EH，相應(yīng)的電壓稱(chēng)為霍爾電壓VH，其大小可表示為VH=，式中RH為霍爾常數(shù)，令，可得:

圖1 霍爾效應(yīng)原理圖

圖2 霍爾電壓輸出與磁場(chǎng)角度的關(guān)系

由上式可知，當(dāng)電流IC一定時(shí)，霍爾電壓與磁感應(yīng)強(qiáng)度B成正比，當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度B和半導(dǎo)體片平面法線(xiàn)n成一定角度θ時(shí)(見(jiàn)圖2)，實(shí)際上作用于半導(dǎo)體片的有效磁場(chǎng)是其法線(xiàn)方向的分量，即 Bcosθ，這時(shí)的霍爾電壓輸出為:［1-5］

1 霍爾式角度位移傳感器演示儀結(jié)構(gòu)

1．1 制作材料和安裝

材料:永久磁鐵、厚度為5 mm和10 mm有機(jī)玻璃板、Ф2 mm、Ф6 mm和Ф15 mm有機(jī)玻璃棒、三氯化甲烷(氯仿)、粘黏劑、開(kāi)關(guān)導(dǎo)線(xiàn)、電阻電容、集成放大器、數(shù)顯表頭、電源變壓器等電子元件。［6-7］

用一段Ф6 mm有機(jī)玻璃棒做演示儀的轉(zhuǎn)軸2，一端用氯仿粘接Ф15 mm有機(jī)玻璃棒(長(zhǎng)約20 mm)作為旋轉(zhuǎn)手輪1，另一端用鋸鋸出槽口，鑲嵌上霍爾片(或稱(chēng)半導(dǎo)體片)6，霍爾片四根引線(xiàn)7，用粘黏劑粘貼在轉(zhuǎn)軸上，經(jīng)信號(hào)連接線(xiàn)到測(cè)試儀的各個(gè)端口。用Ф2 mm有機(jī)玻璃棒做指針5，銼尖一頭，另一頭粘接在轉(zhuǎn)軸上，要求指針和霍爾片在空間處于同一平面內(nèi)。轉(zhuǎn)軸由兩個(gè)支撐架3和4支持，支撐架全部由厚度為10 mm的有機(jī)玻璃板加工而成，中間鉆Ф6 mm孔，其中支撐架4是半圓形的，上邊帶有刻度，這樣通過(guò)指針在刻度盤(pán)的位置，就可確定霍爾片在磁場(chǎng)轉(zhuǎn)過(guò)的角度。兩支撐架最終用氯仿固定在厚度為5 mm的有機(jī)玻璃板上。角度傳感演示儀見(jiàn)如圖3。

圖3 角位移傳感器演示儀示意圖

1．2 演示儀測(cè)控箱

圖4 、圖5是自制本演示儀專(zhuān)用控制箱面板圖和內(nèi)部電路框圖，就是把原先分散放置的電源、三極管、信號(hào)放大集成塊等組件，通過(guò)開(kāi)關(guān)和線(xiàn)路構(gòu)成整體，方便連接，易于操作。

圖4 演示儀專(zhuān)用控制箱面板圖

圖5 專(zhuān)用控制箱內(nèi)部電路框圖

2 霍爾輸出電壓與角位移關(guān)系演示

按圖6連接霍爾式角位移傳感演示儀，開(kāi)通測(cè)試儀電源后，首先旋轉(zhuǎn)IC調(diào)節(jié)鈕，設(shè)置霍爾片工作電流值IC，然后再調(diào)節(jié)靈敏度旋鈕，使得隨角位移變化的霍爾電壓在可顯示范圍內(nèi)。轉(zhuǎn)動(dòng)旋轉(zhuǎn)手輪，使霍爾片在磁場(chǎng)中的位置:依次從與磁場(chǎng)磁力線(xiàn)平行位置(角度指示器－90°)——與磁場(chǎng)磁力線(xiàn)垂直位置(角度指示器0°)——與磁場(chǎng)磁力線(xiàn)平行位置(角度指示器90°)方向旋轉(zhuǎn)。中間可多取幾個(gè)特定位置，例如 ±15°、±30°、±45°……。列表分別記錄這些位置的霍爾電壓，并在X-Y坐標(biāo)作霍爾輸出電壓與角位移關(guān)系曲線(xiàn)。

表1 IC=3mA B=896GS

圖6 霍爾輸出電壓與角位移關(guān)系曲線(xiàn)

3 結(jié) 論

(1)演示裝置設(shè)計(jì)巧妙、原理清晰、操作簡(jiǎn)單易行，效果明顯。非常明快地幫助學(xué)生理解和實(shí)現(xiàn):把一個(gè)非電量(角度)轉(zhuǎn)換成電量(mV)輸出的全過(guò)程，對(duì)工業(yè)上應(yīng)用廣泛的傳感器有了初步的認(rèn)識(shí)。

(2)通過(guò)對(duì)霍爾效應(yīng)原理的應(yīng)用實(shí)踐，加深了學(xué)生對(duì)物理知識(shí)的認(rèn)識(shí)和拓展，有了對(duì)開(kāi)發(fā)物理應(yīng)用的好感和樂(lè)趣，真真實(shí)實(shí)的培養(yǎng)了學(xué)生應(yīng)用能力和自信心。

［1］ 趙凱華．電磁學(xué)(第二版)(上冊(cè))［M］．北京:高等教育出版社，1985．

［2］ 楊述武．普通物理實(shí)驗(yàn)(一、電磁學(xué)部分)［M］．北京:高等教育出版社，2000:67-75．

［3］ 馬文蔚，解希順，談漱梅，等．物理學(xué)(第四版)(上冊(cè))［M］．北京:高等教育出版社，2003．

［4］ 劉昊，彭光正，郭海蓉．靈巧手中霍爾傳感器測(cè)角精度的仿真研究［J］．儀器儀表學(xué)報(bào)，2010，31(10):2254-2259．

［5］ 張夢(mèng)，吳克剛，朱慶功．基于霍爾效應(yīng)的車(chē)用角位置傳感器線(xiàn)性化研究［J］．汽車(chē)零部件，2013(6):83-85．

［6］ 朱正安．基于大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中霍爾元件的保護(hù)及探討［J］．大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)，2013(5):48-51．

［7］ 方路線(xiàn)，等．電動(dòng)車(chē)測(cè)速報(bào)警裝置的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)［J］．大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)，2013(3):44-46．