Величина ЭДС Холла определяется формулой или , n—концентрация носителей, j — плотность тока, протекающего через пластину, K—коэффициент, зависящий от материала пластины и её размеров.

Дата: 2025-05-01; Просмотры: 3

Оценка:

0.00 из 5.00 — оценок

Скачиваний: 0

Скачать

Из приведённого соотношения следует, что измеряемый милливольтметром сигнал пропорционален магнитной индукции МП и плотности электрического тока, протекающего в пластине. Следовательно, характеристика преобразования датчиков Холла линейна (как правило, в пределах 1%) практически во всём диапазоне измерений.

Поскольку напряжённость и магнитная индукция МП—векторные величины, показания датчика зависят от ориентации пластины относительно направления МП, а также от неравномерности самого МП. Для того, чтобы полнее охарактеризовать МП, необходимо представить его параметры в трёх пространственных координатах.

Так как напряжение Холла пропорционально величине индукции магнитного поля, то эффект широко используется для измерения параметров магнитных полей. По величине и знаку напряжения в магнитном поле с известными параметрами определяют концентрацию и знак носителей тока.

1.2.2. Датчики Холла (ДХ)

При снижении концентрации носителей ЭДС Холла возрастает, поэтому в качестве материала для датчиков Холла предпочтительно использование таких полупроводников, как кремний и арсенид галлия, так как они обладают относительно невысокой концентрацией собственных носителей заряда. Напряжение Холла, создаваемого на пластине полупроводника (чувствительного элемента), как правило, требует усиления, поэтому датчики Холла, кроме чувствительного элемента, содержат схемы усиления в интегральном исполнении. Датчики также могут содержать схемы обработки сигналов и схемы компенсации нежелательных эффектов, например, тензоэффекта, влияющие на метрологические характеристики. Все эти схемы выполняются на одном кристалле и смонтированы в одном корпусе.

Датчики Холла являются основой многих типов датчиков, таких как датчики линейного или углового перемещения, датчики магнитного поля, датчики тока, датчики расхода и др. Удобство бесконтактного срабатывания (полное отсутствие механического износа), низкая стоимость, простота использования делают их незаменимыми в приборостроении, автомобильной, авиационной и других отраслях промышленности. Внешний вид и размеры некоторых датчиков Холла показаны на рис.1.2.

Преимущества датчиков Холла: электрический сигнал на выходе, малые размеры, простота использования.

1.2.3. Типы датчиков Холла

ДХ является преобразователем величины индукции магнитного поля в электрическое напряжение.

В зависимости от вида передаточной функции (ПФ) датчики разделяются на линейные и цифровые (см. рис. 1.3).

Линейные датчики магнитного поля на эффекте Холла состоят из полупроводникового элемента Холла, стабилизатора питания, дифференциального усилителя и выходного каскада. При отсутствии магнитного поля выходное напряжение датчика должно быть равно нулю, поэтому требуется дифференциальный усилитель, устраняющей дрейф 0 при отсутствии сигнала с чувствительного элемента. Выходное напряжение этих датчиков находится в линейной зависимости от величины вектора магнитной индукции. За пределами рабочей области датчик входит в насыщение. При отсутствии внешнего магнитного поля напряжение на выходе равно половине напряжения питания.

В отличие от линейных датчиков магнитного поля, выход логических приборов, в зависимости от величины приложенного магнитного поля, принимает всего два состояния: высокий или низкий уровень. Отсюда происходит их альтернативное наименование—магнитоуправляемые коммутаторы. Обычно они применяются для определения наличия какого-либо ферромагнитного объекта в поле «зрения» датчика.

1.2.4. Основные характеристики линейных датчиков Холла

Полная шкала выхода соответствует диапазону выходных напряжений, в котором нелинейность не выходит из заданных пределов. Определяется как часть напряжения питания;

Диапазон измеряемой индукции устанавливается изготовителем в гауссах или миллитеслах;

Чувствительность определяется как крутизна характеристики преобразования в мВ/Гс или мВ/мТл;

Погрешность линейности характеристики преобразования - отклонение статической характеристики преобразования датчика от идеальной прямой линии в заданном диапазоне давлений. Один из способов определения погрешности линейности состоит в использовании метода наименьших квадратов, который математически обеспечивает получение прямой линии наилучшего приближения к точкам данных. Указывается в процентах от полной шкалы;

Напряжение нуля магнитного поля — значение выходного напряжения, соответствующее отсутствию магнитного поля;

Температурный дрейф нуля — изменение напряжения нуля, вызванное изменением температуры. Указывается в %/°С от напряжения нуля, соответствующего 25°С;

Температурный дрейф чувствительности — изменение чувствительности, вызванное изменением температуры. Указывается в %/°С от напряжения полной шкалы, соответствующего 25°С;

Время отклика определяется как время изменения выходного сигнала от 10% до 90% установившегося значения его приращения при скачкообразном изменении магнитного поля;

Полоса пропускания f_S определяется по уровню снижения чувствительности на 3 дБ в режиме малого сигнала.

Основные характеристики логических датчиков Холла

Индукция включения — значение индукции, при которой происходит переход выходного напряжения датчика от низкого к высокому уровню;

Индукция выключения—значение индукции, при которой происходит переход выходного напряжения датчика от высокого к низкому уровню;

Гистерезис—разность между индукциями включения и выключения;

Время переключения—определяется как время изменения выходного сигнала от 10% до 90% его установившегося значения при скачкообразном изменении индукции. Определяется отдельно для нарастания и спада магнитного поля.

Для двухвыводных датчиков задается ток потребления при низкой индукции (Н) и при высокой (В).

Промышленность выпускает широкую номенклатуру датчиков для измерения индуктивности МП от долей мкТл до единиц Тл. Напряжение питания датчиков Холла постоянное, от 4.5 до 10.5 В. Ток питания высокоомных ДХ достигает десят­ков, а низкоомных—сотен мА. Чувствитель­ность датчиков Холла с высокоомным полупроводником достигает сотен мВ/Тл, а с низкоомным — единиц В/Тл.

Диаграмма направленности датчика Холла близка к идеальной, что позволяет использовать его для определения направления вектора напряжённости МП.

1.3. Оборудование и приборы для выполнения ЛР

В лабораторной работе используют измерительное устройство, содержащее:

Измерительный щуп с датчиком Холла или измерительный щуп с двумя датчиками Холла продольным и поперечным;

Блок питания;

Мультиметр для измерения выходного сигнала датчика;

Коммутационную коробку, служащую для электрического соединения перечисленных выше компонентов.

Измерительное устройство схематично изображено на рис. 1.4.

1.4. Порядок выполнения ЛР

Лабораторная работа выполняется в следующей последовательности:

1. Ознакомиться с устройством и руководствами по эксплуатации блоков измерительного устройства (датчик Холла, блок питания, мультиметр).

2. Получить от преподавателя лабораторную установку с источником постоянного магнитного поля — постоянным магнитом.

3. Расположить источник МП на стенде в указанном месте, сохранив ориентацию север/юг как указано на стенде.

4. Подготовить измерительное устройство к измерениям:

• Присоединить измерительный щуп, мультиметр и источник питания к коммутационному блоку.

• Включить мультиметр и установить режим и диапазон измерений электрического напряжения постоянного тока согласно руководству по эксплуатации;

• Включить источник питания, установить напряжение питания 8В.

5. Помещая щуп с ДХ в намеченные точки измерить выходной сигнал. При измерении щуп поворачивать вокруг оси до регистрации максимального сигнала. Измерения проводить в каждой точке не менее 5 раз. Результаты оформить в виде таблицы (табл.1.1)

Таблица 1.1

Результаты измерения выходного сигнала ДХ

6. Отключить питание, выключить мультиметр, отсоединить измерительный кабель от щупа с датчиком.

1.5. Обработка результатов измерений