霍尔元件用于静电场测量的探索

·数理科学·

霍尔元件用于静电场测量的探索

白浪,惠玉香,李小俊

(西北大学 光子学与光子技术研究所, 陕西省光电技术与功能材料省部共建国家重点实验室培育基地，陕西 西安710069)

摘要：利用型号为UGN3503的线性霍尔元件对静电场进行测量实验,发现霍尔元件对静电场有显著的、有规律的响应,且其测量曲线在某一区间内基本呈线性变化。实验表明UGN3503霍尔元件可以用于静电场测量。

关键词：霍尔元件;静电场;测量

收稿日期：2014-01-22

基金项目：陕西省教育厅科研计划基金资助项目(2010JS111, 12JK0519)

作者简介：白浪，女，陕西延安人，从事光电磁相关物理效应的研究。

通讯作者：李小俊，男，博士，西北大学副研究员，从事光电磁相关物理效应的研究。

中图分类号：O441.5

A study on Hall element used in electrostatic

field measurement

BAI Lang, HUI Yu-xiang, LI Xiao-jun

(Institute of Photonics and Photon-Technology,National Key Laboratory of Photoelectric

Technology and Functional Materials (CultureBase), Northwest University, Xi′an 710069, China)

Abstract:Using A3503 linear Hall element to measure the electric field. It is found that Hall element has regular and significant response to electrostatic field, even the measured characteristics are basically to be linear in a certain range. The experiment result indicates A3503 linear Hall element can be used in electrostatic field measurements.

Key words:Hall element; electrostatic field; measurement

静电场是科学领域和工程技术中一个非常重要的电学量,其测量方法主要包括电学式测量和光学式测量。电学式测量始于20世纪50年代,曾有文章报道过早期一种采用感应电荷去感应外界电场的空间静电场测量法[1];还有1950年Malan和Schonland所研制的旋转式结构[2-5],以及双球式、火箭式结构[6-7]。这些静电场测量系统都得到了一定程度的应用,但其系统结构复杂,探头体积大,因此只能在大空间内进行测量。到20世纪70年代,随着光学传感与测量技术的迅速发展,基于Pockels效应、电光Kerr效应、电致发光效应[8]原理的光学式传感器测量系统相继出现并取得很大进展。这类型传感器特点是绝缘性好、响应速度快、安全性高[9-12]。但是，这些测量系统结构复杂,容易受外界环境干扰,测量精度也只能达到V/m的数量级,且元件探头体积也比较大,不能实现对小空间的测量。

霍尔元件是应用霍尔效应原理制成的一种微小、灵敏型传感器。目前只用于磁场的测量,关于用霍尔元件进行静电场的测量尚未见报道。在实验过程中我们发现随着电场的改变，霍尔元件输出电压示数也会呈现稳定变化趋势。基于这一情况,本文利用霍尔元件对静电场进行实验测量,得到了霍尔元件输出电压测量读数随静电场强度的变化特征。基于霍尔元件具有体积小、成本低、安装精度高,操作简单等优点,如果可以将其应用于静电场实际测量,将会带来很大的应用价值。

1实验原理及装置

1.1均匀静电场发生与测量装置

图1所示为均匀静电场发生及测量装置示意图。均匀静电场发生装置由一个高压电源和两个正负极板组成,其中正负极板是由长200mm,宽100mm,厚15mm的铝板制成,极板间距35mm,高压电源是一个最大可提供50kV的J2410高压发生器,其连续工作时间为3 min;测量装置是由一个型号为UGN3503的线性霍尔元件及一个由减法器、放大器组成的放大输出电路组成,测量系统由5V稳压电源供电。

图1　均匀静电场发生与测量装置 Fig.1　Uniform electrostatic field generating and measuring devices

1.2霍尔电压测量装置原理

实验中为了更加方便地读取霍尔元件测量值, 需要将霍尔元件的输出信号电压通过减法器减去静态输出电压(大致等于电源电压的1/2)再经放大输出。图2即霍尔元件信号放大电路图,图中H1是一个型号为UGN3503的线性霍尔元件;OP07运算放大器在电路中主要起到了减法器和放大器的作用;可变电阻R2提供可调直流电压,由霍尔元件的输出电压信号减去该直流电压，最终达到调零(减掉静态输出电压)的目的。经过调零之后的测量信号电压被放大24倍后从OP07运算放大器的输出端输出,然后用毫伏表读取输出电压值。

图2　霍尔电压测量系统原理图 Fig.2　Schematic diagram of hall voltage measurement system

2实验过程与分析

如图1所示,将电源J2410高压发生器接在铝板的正负引线柱,为了尽可能减少外界因素的干扰,首先在接线时要尽可能地让电路板和高压电源部分远离静电场。然后将UGN3503霍尔元件的平面分别与均匀电力线垂直或平行放置两极板之间。J2410高压发生器提供给极板的电压如表1所示。

表1　J2410高压发生器提供的电压值以及对应的电场

图3即为霍尔元件平面垂直电力线放置时,霍尔输出电压变化曲线图,为了尽可能使实验结果可靠,采用多次测量法,图中A，B，C为3次测量的结果曲线。

图3　电力线与霍尔元件平面垂直时霍尔输出电压变化曲线 Fig.3　Hall voltage as power line perpendicular to the plane of the Hall element

图中显示,当极板电场强度在100kV/m到450kV/m之间时,霍尔输出电压呈线性缓慢增长趋势;在450kV/m到750kV/m时,霍尔输出电压线性增长趋势增大并在750kV/m时达到最大;在750kV/m到1 000kV/m时,霍尔输出电压开始线性缓慢下降;在1 000kV/m到1 500kV/m时,霍尔元件输出电压又出现缓慢波动上升趋势。

然后使霍尔元件平面平行于电力线放置。霍尔输出电压的变化如图4所示。

图4　电力线与霍尔元件平面平行时霍尔电压变化趋势 Fig.4　Hall voltage as power line Parallel to the plane of the Hall element

图中A，B，C同样也是3次测量的结果曲线,从图上可以看出极板电场强度在100kV/m到450kV/m时,霍尔输出电压也呈线性缓慢增长趋势;在450kV/m到750kV/m时,霍尔输出电压线性增长趋势增大，但在750kV/m没有达到最大,在750kV/m到1 500kV/m时,霍尔输出电压在稍有增长的同时基本处于平稳波动状态。

从图3图4对比发现,无论是UGN3503霍尔元件平面垂直均匀电力线，还是平行于均匀电力线的情况,当极板电场强度在100kV/m到450kV/m时，霍尔输出电压基本成线性增长关系,增长趋势较缓慢且两者增长趋势几乎一致;在450kV/m到750kV/m时,霍尔输出电压也都呈线性增长趋势,增长趋势明显增加。总之由图3、图4可以发现，在极板电场强度处于100kV/m到750kV/m之间时,霍尔输出电压都处于线性增长趋势且变化趋势十分相似。如在750kV/m之前电场都是先缓慢线性增长,后线性增长加快,在750kV/m之后,基本不再增加且出现了微小的波动现象。

据此分析图3与图4,可推测霍尔输出电压变化曲线出现波动,主要是因为霍尔元件本身是一种灵敏度很高的元件,且加在电极上的强电场又距霍尔元件探头很近,这样霍尔元件很容易受到外界一些因素如极板微弱放电,电源J2410高压发生器产生的高电压,外界噪声等的影响,但这些影响因素引起的微小波动对测量结果的影响并不是很大。而极板间电场强度在100kV/m到750kV/m测量时,霍尔元件感应电压呈现一定的线性变化规律,这表明UGN3503霍尔元件可以实现电场测量。

由于霍尔元件本身是用于磁场测量,实验又发现UGN3503霍尔元件可以实现电场测量,故对该元件的磁场测量能力和电场测量能力进行比较。比较的方法就是先测出具有相同能量的静电场和磁场下的霍尔输出电压,然后对得到的输出电压进行对比。

E=cB。

(1)

一般情况下,霍尔元件在进行磁场测量时都是保持霍尔元件平面与电力线垂直。因此选择霍尔元件垂直电力线时所得数据进行对比。而关于霍尔元件垂直电力线时的数据在上述图3已经得到。因此采用图3中的数据并求出3次测量的平均值即为极板间电场对应下的霍尔输出电压变化曲线图,如图5中曲线A所示。

然后将霍尔元件与型号为PF-035数字高斯计探头紧贴放置于磁场中,这样近似可以认为它们处于磁场中同一位置,调节磁场使得高斯计示数分别与上述计算得到的磁场值对应,测出每个磁场值下霍尔输出电压值并得到霍尔输出电压变化为图5曲线B所示。

图5　相同能量电场与磁场下霍尔电压变化曲线图 Fig.5　Output voltage as electric field and magnetic field energy same

图5中上下两个横轴分别为电场强度和磁场强度,其数值对应关系由公式(1)给出,图中可以看出,在用霍尔元件进行电场测量时,如曲线图A所示,对应的极板间电场强度在450kV以内时,霍尔输出电压呈线性缓慢增长,在450kV到720kV同样也是线性增长,同时增长趋势略有增加;在用霍尔元件进行磁场测量时,其变化规律如曲线B所示,即霍尔输出电压一直呈线性稳定增长,在满足式(1)的条件下,可以从图中看出,霍尔元件测极板电场的霍尔输出电压总是小于测磁场时霍尔输出电压,但其测量读数在同一数量级,即霍尔元件测磁场的能力略微强于测电场的能力。同时测磁场时线性度也比测电场时好一些。但是，作为一种新的电场测量手段,将霍尔元件用于静电场测量是完全可行的。

在实验测量和研究过程中,可能受到元件材料、 元件设计过程中的缺陷以及实验环境与实验过程等诸多方面因素引起的副效应影响,UGN3503霍尔元件在整个测量过程中,都表现出一定的波动性,但在100kV/m到750kV/m之间时微小波动对线性变化趋势的影响不是很大,只有在750kV/m之后,波动性才加剧,但从总体来看,UGN3503霍尔元件还是能够有效地测量电场。

霍尔元件是由半导体材料制成并用树脂加以封装,因此霍尔元件相对于前述几种现有静电场测量仪器所用的金属探头来说对电场本身的影响就很微小,且霍尔元件具有温度补偿功能,这也使得霍尔测量的稳定性得到了提高,而其微小的探头体积,使其可用于小空间内电场的测量,简单的电路系统结构使其成本较低,使用起来也比较灵活方便。

3结语

本文实验研究表明,UGN3503线性霍尔元件能够用来进行静电场测量。

此外为了进一步观测是否其他类型霍尔元件也会出现同UGN3503霍尔原件同样的测量特性,我们对型号为A1321的霍尔元件进行相同条件的实验研究,发现并没有出现与UGN3503同样的现象。同样为了确定静电场的测量是UGN3503这一类霍尔元件特有的功能还是霍尔元件普遍具有的测量能力,本课题组将会对不同型号的霍尔元件继续测试分析。

在原理性研究取得较大进展的情况下,我们将进一步开发基于霍尔元件的静电场测量仪器。

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(编辑曹大刚)