霍尔开关器件的特性及应用设计报告.doc

霍尔开关器件的特性及应用设计报告

霍尔开关器件的特性及应用设计报告
霍尔开关器件的特性及应用设计
1979年霍尔在研究载流导体在磁场中受力的性质时发现了霍尔效应,它是电磁基本现象之一.利用此现象制成的各种霍尔元件,特别是测量元件,广泛的应用于工业自动化和电子技术中.对于半导体材料,测量霍尔系数和电导率是研究它们电性能的重要手段.
【实验目的和要求】
掌握霍尔元件的工作原理,了解霍尔开关集成电路的特性及其主要参数和应用.
测量电机在不同工作电压下的转速,并描绘出速度和电压的曲线.
利用霍尔开关集成电路设计并制作一个测速度和里程的装置.
设计利用A/D转换器与计算机连接,自动检测并扫描结果的装置.
【实验仪器】
霍尔开关集成电路、电源、风扇、导线、示波器、计算机、A/D转换器等。
【实验原理】
霍尔元件及霍尔开关集成电路的工作原理
一块长方形金属薄片或半导体薄片，若在某方向上通入电流IH，在其垂直方向上加一磁场B，则在垂直于电流和磁场的方向上将产生电位差UH，这个现象称为“霍尔效应”。UH称为“霍尔电压”。霍尔发现这个电位差UH与电流强度IH成正比，与磁感应强度B成正比，与薄片的厚度d成反比，即
图1霍尔效应原理图
（1）
式中RH叫霍尔系数，它表示该材料产生霍尔效应能力的大小。
霍尔电压的产生可以用洛伦兹力来解释。
如图1所示，将一块厚度为d、宽度为b、长度为L的半导体薄片（霍尔片）放置在磁场B中，磁场B沿Z轴正方向。当电流沿X轴正方向通过半导体时，若薄片中的载流子（设为自由电子）以平均速度沿X轴负方向作定向运动，所受的洛伦兹力为
（2）
在fB的作用下自由电子受力偏转，结果向板面“I”积聚，同时在板面“Ⅱ”上出现同数量的正电荷。这样就形成一个沿Y轴负方向上的横向电场，使自由电子在受沿Y轴负方向上的洛伦兹力fB的同时，也受一个沿Y轴正方向的电场力fE。设E为电场强度，UH为霍尔片I、Ⅱ面之间的电位差（即霍尔电压），则
（3）
fE将阻碍电荷的积聚，最后达稳定状态时有
（4）
即

或
（5）
设载流子浓度为n，单位时间内体积为v·d·b里的载流子全部通过横截面，则电流强度IH与载流子平均速度v的关系为
（6）
将（6）式代入（5）式得
（7）
式中即为前述的霍尔系数RH。
考虑霍尔片厚度d的影响，引进一个重要参数KH，，则（5）式可写为
（8）
KH称为霍尔元件的灵敏度。

利用霍尔传感器测转速的结构原理
利用霍尔传感器测转速的结构原理，如图3所示它实际是利用霍尔开关测转速。待测物上粘粘一对或多对小磁刚（N、S磁极），小磁钢越多，分辨率越高。霍尔开关固定在小磁刚（N、S磁极）附近。待测物以角速度旋转时，每当一个小磁钢(N极或S极)转动经过霍尔开关集成电路时，霍尔开关集成电路便产生一个相应的（正或负）脉冲。检测出单位时间内的脉冲数及其长度，即可确定待测转动物体的转动周期T及其转速n，即
n＝1/T
若N极经过霍尔开关，其输出电压为正，则S极经过霍尔开关，其输出电压为负;反之，亦然。所以N极穿过霍尔开关产生正脉冲，S极穿过霍尔开关产生负脉冲，每经过一对N、S极，就出现一个完整的正弦波或一对正、负方波。转一周有多少个N、S极，就有多少个正、负方波，转一周所产生的正负方波总长度，即是电机的转动周期T（如图4所示）。
将霍尔开关输出的方波信号输入示波器，就可以在示波器上显示出来。将其通过模数转换器输入到计算机，就可以很反便利用计算机进行实时的检测，并进行各种数据于曲线处理。
【内容及步骤】
按图接好线路，调整电机电压从0－10V，再从10－0V，每隔1V测一个转速；将数据逐一填入实验表格。
V（v）012345678910t/格（s）T1（s）T1（s）T2（s）T（s）N(转/秒)【数据表格与数据处理】
根据公式一，按表处理数据，其中T＝（T1+T2）／2。
作转速――电压曲线。
【设计并制作一个测速度和里程的装置（速度表或里程计）】
测速度和里程装置

N~U曲线
【列举用途并进行应用设计】
可用霍尔元件设计制作高斯计。
测量磁场分布。
可以在单摆测量重力加速度g，在三线摆测转动惯量I中用作传感器。
设计一个利用A/D模数转换接口，将霍尔传感器输出的信号输入计算机，进行自动实时测量的装置。讨论并设计计算机获得测量数据后，如何显示出测量结果，并自动描绘出转速―电压曲线。

关于霍尔开关的应用创新设计
―――暨电子流量计的产生
学习了霍尔元件及霍尔开关集成电路的工作原理及利用霍尔传感器测转速之后，我深受启发，认为关于霍尔开关的应用是一个很有前途的方向，并联想式的进行了以下几点创新。创新过程如下：
创新思想的产生过程
1）既然电机的转速