Оборудование и приборы

Цели работы

· Изучение принципа действия, применения и основных характеристик датчиков Холла;

· Исследование характеристики преобразования датчика;

· Измерение основных параметров датчика.

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.

Для измерения выходного напряжения датчика используется измерительный прибор—многофункциональный цифровой мультиметр. Характеристики мультиметра по напряжению постоянного тока приведены в табл. 1.

Таблица 1. Характеристики погрешности мультиметра

Верхний предел диапазона измерений. В	Единица младшего разряда в данном диапазоне Uразр., мВ	Основная допускаемая погрешность прибора пр., В
0,200	0,100
2,0	1-0	(0,005Uизмер.+1разр.)
20,0	10,0

Предел основной допускаемой погрешности установлен для нормальных условий эксплуатации:

температура окружающей среды 23±5° С;

относительная влажность воздуха 60±20%;

атмосферное давление 750±30 мм рт. ст.;

номинальное напряжение питания 9 В.

Дополнительная погрешность при изменении температуры окружающей среды на 1°С составляет 0,15 от предела допускаемой основной погрешности.

Входное сопротивление мультиметра—10 Ом.

3. Основные теоритические сведения

3.1. Эффект Холла

Согласно теории электромагнетизма на заряд q, движущийся со скоростью v в магнитном поле, действует сила Лоренца:

,

где В—индукция магнитного поля. Движущиеся в магнитном поле электрические заряды под воздействием силы Лоренца изменяют свою траекторию.

Если в магнитное поле поместить пластину с током, направление которого перпендикулярно вектору магнитной индукции, то под действием силы Лоренца движущиеся заряды будут отклоняться от направления тока, и на противоположных гранях пластины будут скапливаться заряды разных знаков. Накапливание зарядов будет продолжаться до тех пор, пока возникшее электрическое поле зарядов не скомпенсирует магнитную составляющую силы Лоренца. В результате, на соответствующих сторонах пластины появится разность потенциалов—ЭДС (напряжение Холла), что показано на рис.2.

или ,

где d —ширина пластины, q —заряд частицы-носителя, n —концентрация носителей, I—ток, протекающий через пластину, K—коэффициент, зависящий от материала пластины и её размеров.

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.

3.2. 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.3.

Преимущества датчиков Холла: малые размеры, простота использования и измерения электрического напряжения.

3.3. Виды 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. 4).

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.

3.4. Основные характеристики датчиков Холла

3.4.1. Линейные датчики:

· Полная шкала вых ода 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.

3.4.2. Логические датчики:

· 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. Сертифицируется отдельно для нарастания и спада магнитного поля.

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

Промышленность выпускает широкую номенклатуру датчиков для измерения индуктивности МП от долей микротеслы до единиц теслы. Напряжение питания датчиков Холла постоянное, от 4.5 до 10.5 В. Ток питания высокоомных ПП достигает десят­ков, а низкоомных—сотен миллиампер. Чувствитель­ность датчиков Холла с высокоомным ПП достигает сотен милли­вольт на теслу, а с низкоомным ПП—единиц вольт на теслу.

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

Дата добавления: 2015-05-09