基于霍尔效应的角位移传感器演示仪

2014-07-03唐亚明葛松华杨清雷

大学物理实验 2014年3期

唐亚明，葛松华，杨清雷

(青岛科技大学，山东青岛 266042)

由物理学可知，当电流IC通过半导体片时，若在垂直于电流IC的方向施加磁场B，则半导体片两侧面会出现横向电位差，如图1所示。当电子所受到的洛仑兹力(fL)与电场力(fE)二力作用平衡时，电子的积累便达到了动态平衡。这时在两横端面之间建立的电场称为霍尔电场EH，相应的电压称为霍尔电压VH，其大小可表示为VH=，式中RH为霍尔常数，令，可得:

图1 霍尔效应原理图

图2 霍尔电压输出与磁场角度的关系

由上式可知，当电流IC一定时，霍尔电压与磁感应强度B成正比，当磁感应强度B和半导体片平面法线n成一定角度θ时(见图2)，实际上作用于半导体片的有效磁场是其法线方向的分量，即 Bcosθ，这时的霍尔电压输出为:［1-5］

1 霍尔式角度位移传感器演示仪结构

1．1 制作材料和安装

材料:永久磁铁、厚度为5 mm和10 mm有机玻璃板、Ф2 mm、Ф6 mm和Ф15 mm有机玻璃棒、三氯化甲烷(氯仿)、粘黏剂、开关导线、电阻电容、集成放大器、数显表头、电源变压器等电子元件。［6-7］

用一段Ф6 mm有机玻璃棒做演示仪的转轴2，一端用氯仿粘接Ф15 mm有机玻璃棒(长约20 mm)作为旋转手轮1，另一端用锯锯出槽口，镶嵌上霍尔片(或称半导体片)6，霍尔片四根引线7，用粘黏剂粘贴在转轴上，经信号连接线到测试仪的各个端口。用Ф2 mm有机玻璃棒做指针5，锉尖一头，另一头粘接在转轴上，要求指针和霍尔片在空间处于同一平面内。转轴由两个支撑架3和4支持，支撑架全部由厚度为10 mm的有机玻璃板加工而成，中间钻Ф6 mm孔，其中支撑架4是半圆形的，上边带有刻度，这样通过指针在刻度盘的位置，就可确定霍尔片在磁场转过的角度。两支撑架最终用氯仿固定在厚度为5 mm的有机玻璃板上。角度传感演示仪见如图3。

图3 角位移传感器演示仪示意图

1．2 演示仪测控箱

图4 、图5是自制本演示仪专用控制箱面板图和内部电路框图，就是把原先分散放置的电源、三极管、信号放大集成块等组件，通过开关和线路构成整体，方便连接，易于操作。

图4 演示仪专用控制箱面板图

图5 专用控制箱内部电路框图

2 霍尔输出电压与角位移关系演示

按图6连接霍尔式角位移传感演示仪，开通测试仪电源后，首先旋转IC调节钮，设置霍尔片工作电流值IC，然后再调节灵敏度旋钮，使得随角位移变化的霍尔电压在可显示范围内。转动旋转手轮，使霍尔片在磁场中的位置:依次从与磁场磁力线平行位置(角度指示器－90°)——与磁场磁力线垂直位置(角度指示器0°)——与磁场磁力线平行位置(角度指示器90°)方向旋转。中间可多取几个特定位置，例如 ±15°、±30°、±45°……。列表分别记录这些位置的霍尔电压，并在X-Y坐标作霍尔输出电压与角位移关系曲线。