霍尔HCC—2A型(螺线管)

WHCC—2A型霍尔效应测磁仪实验指导书南京高特电子科技有限公司2WHCC—2A型霍尔效应测磁仪螺线管磁场测定仪实验指导书用霍尔法测量磁场是根据霍尔效应制成的霍尔元件测量磁场。霍尔元件具有结构简单、体积小、频率响应宽（从直流到微波）、输出电压变化大、自然寿命长等优点，在测量技术、自动控制、信息处理等方面已有极广泛应用。WHCC—2A型霍尔效应测磁仪就是采用霍尔元件作为探头，来测量不同强弱磁场的大小及其分布情况。一、目的和要求1.了解用霍尔元件测量磁场的原理。2.学习并掌握用霍尔元件测量长直螺线管磁场及分布的方法。二、实验原理1．用霍尔法测量磁场的原理1879年美国霍普金斯大学研究生院二年级研究生霍尔在研究载流导体在磁场中受力的性质时发现：处在磁场中的载流导体，如果磁场方向和电流方向垂直，则在与磁场和电流都垂直的方向上出现横向电场，这就是霍尔效应。所产生的电场称霍尔电场，相应的电位差称霍尔电压。产生霍尔效应的载流导体称霍尔元件。如图1所示，在厚为d，长和宽分别为L和D的N型半导体薄片的四个侧面MN（通常为长L的两端面，称电流输入端）和PQ（通常为宽D的两端面，称电压输出端），分别引出两对电极MN极和PQ极。当MN极通入工作电流IS时，在PQ极将出现霍尔电压UH。该电压的产生是由于半导体在磁场中作定向运动的载流子（传导电荷的粒子）受到洛伦兹力fE作用而偏转，结果使电荷在PQ两侧聚集而成电场，该电场又给载流子一个与fE反向的电场力fE。当电场力fE和洛伦兹力fE达到平衡时，霍尔电压UH一定，且BKIUSH（1）式中比例系数K称为霍尔元件的灵敏度。根据理论推导nqd1K（2）n为单位体积中载流子的数量，称载流子浓度。q为载流子的电量，d为薄片的厚度。显然，霍尔元件的灵敏度K越大越好。因K和n成反比，而半导体载流子的浓度远比金属的为小，因此，一般霍尔元件都是用半导体材料做的。K又和d成反比，所以霍尔元件图23都很薄。半导体材料分N型和P型两种。N型为电子型材料，载流子为电子，传导的是负电荷；P型为空穴型材料，相当于带正电的粒子。可见图1所示的霍尔元件是N型半导体材料。如果图1所示为P型半导体材料，则P侧面带负电荷，Q侧面带正电荷。因此，知道了半导体的类型，根据霍尔电压UH的正负，可以定出待测磁场的方向。反之，知道了磁场方向，可以判出半导体的类型。从（1）式可见，如果知道了霍尔元件的灵敏度K，则在测出了工作电流IS和霍尔电压UH（通常UH很小，需用电位差计测定）后，即可计算出被测磁场的磁感强度B的大小和方向。如果霍尔元件的灵敏度K为未知，则需先用标准磁感强度B根据（1）式定出K值，通常使工作电流IS一定，霍尔电压UH与磁感强度B值就可以从仪器上直接读出来了。这样的测磁仪器称特斯拉计（原称高斯计），特斯拉和高斯都是磁感强度B的单位，以上所述，就是用霍尔元件测量磁场的原理。2．实验系统误差及消除必须注意，（1）式是在理想情形下得到的，实际上从PQ极上测得的并不仅是霍尔电压UH，尚包括其它因素引起的附加电压，其中尤以不等式电位差影响较大。1）不等位电势U0由于制作时，两个霍尔电势不可能绝对对称的焊在霍尔片两侧（图2-1）、霍尔片电阻率不均匀、控制电流极的端面接触不良（图2-2）都可能造成A、B两极不处在同一等位面上，此时虽未加磁场，但A、B间存在电势差U0，此称不等位电势，U0＝ISR0，R0是两等位面间的电阻，由此可见，在R0确定的情况下，U0与IS的大小成正比，且其正负随IS的方向而改变。图2-1图2-22）爱廷豪森效应当元件X方向通以工作电流IS，Z方向加磁场B时，由于霍尔片内的载流子速度服从统计分布，有快有慢。在到达动态平衡时，在磁场的作用下慢速快速的载流子将在洛仑兹力和霍耳电场的共同作用下，沿y轴分别向相反的两侧偏转，这些载流子的动能将转化为热能，使两侧的温升不同，因而造成y方向上的两侧的温差（TA－TB）。因为霍尔电极和元件两者材料不同，电极和元件之间形成温差电偶，这一温差在A、B间产生温差电动势UE，UE∝IB。这一效应称爱廷豪森效应，UE的大小与正负符号与I、B的大小和方向有关，跟UH与I、B的关系相同，所以不能在测量中消除。3）伦斯脱效应4图2-3正电子运动平均速度图中V’_VV”_V如图2-3由于控制电流的两个电极与霍尔元件的接触电阻不同，控制电流在两电极处将产生不同的焦耳热，引起两电极间的温差电动势，此电动势又产生温差电流（称为热电流）Q，热电流在磁场作用下将发生偏转，结果在y方向上产生附加的电势差UN，且UN∝QB这一效应称为伦斯脱效应，由上式可知UN的符号只与B的方向有关。4）里纪－杜勒克效应如3）所述霍尔元件在x方向有温度梯度dxdT，引起载流子沿梯度方向扩散而有热电流Q通过元件，在此过程中载流子受Z方向的磁场B作用下，在y方向引起类似爱廷豪森效应的温差TA－TB，由此产生的电势差UR∝QB，其符号与B的方向有关，与IS的方向无关。为了减少和消除以上效应的附加电势差，利用这些附加电势差与霍尔元件工作电流IS，磁场B（即相应的励磁电流IM）的关系，采用对称（交换）测量法进行测量。当＋IS，＋IM时UAB1＝＋UH＋U0＋UE＋UN＋UR当＋IS，－IM时UAB2＝－UH＋U0－UE＋UN＋UR当－IS，－IM时UAB3＝＋UH－U0＋UE－UN－UR当－IS，＋IM时UAB4＝－UH－U0－UE－UN－UR对以上四式作如下运算则得：41（UAB1－UAB2+UAB3－UAB4）＝UH＋UE可见，除爱廷豪森效应以外的其他副效应产生的电势差会全部消除，因爱廷豪森效应所产生的电势差UE的符号和霍尔电势UH的符号，与IS及B的方向关系相同，故无法消除，但在非大电流、非强磁场下，UHUE，因而UE可以忽略不计，由此可得：UH≈UH＋UE＝4U-UUU4321（3）此外，霍尔电压的产生过程是短暂的，在10-13～10-11秒内完成，故工作电流IS可以用直流也可以用交流。IS为交流时，霍尔电压UH也是交变的，但IS和UH均为有效值。同样道理，霍尔法也可以测量交变磁场。53．载流长直螺线管中的磁场从电磁学中我们知道，螺线管是绕在圆柱面上的螺旋型线圈。对于密绕的螺线管来说，可以近似地看成是一系列圆线圈并排起来组成的。如果其半径为R、总长度为L，单位长度的匝数为n，并取螺线管的轴线为X轴，其中心点O为坐标原点，则1）对于无限长螺线管L-∞或当L远大于R的有限长螺线管，其轴线上的磁场是一个均匀磁场，且等于：nIuB0（4）式中0u—真空磁导率；n—单位长度的线圈匝数；I—线圈的励磁电流。在实际中螺线管的长度是有限的，对有限长密绕长直螺线管，轴线上中点的磁感应强度nIULDLB022（5）式中22LDL为一修正系数，L和D分别为螺线管的长度和直径。在实际应用中，将有限长直螺线管产生的磁场作为标准磁场是欠妥的，但作为学生是可取的。2）对于半无限长螺丝管端或有限长螺线管两端口磁场为nIU21B0即端口处磁感应强度约为中部磁感应强度的一半，如图3所示。图34．用霍尔法测量磁场的电路用霍尔法测量磁场的电路如图4所示。该图是电路原理图，在用不同的仪器进行测量时，具体电路可以有所变化，但基本原理是一样的。图4AmAmVR1E1K1R2E2K2K3线圈RLYX0BB00.5B00.5L0.5L6三、实验仪器WHCC-2A型霍尔效应测磁仪由实验装置、测量装置（工作电路及测量仪表）两大部分组成。WHCC-2A型霍尔效应测磁仪示意图如下：○1○2○3○4○5○6○7○8○9○10图51．霍尔效应测磁仪测量装置(如图5)①霍尔元件工作电流IS显示窗，显示范围“00.00～19.99”mA。②霍尔电压显示窗，mV档显示范围“0～20”mV；V档显示范围“0～20”V。③励磁电流IM显示窗，显示范围“0.000～1.999”A。④霍尔传感器工作电流IS调节旋钮，用来调节霍尔电流IS大小，调节范围0～10mA。⑤霍尔元件输入输出连接插座，与实验装置的霍尔探头连接。⑥霍尔元件UH与Uσ测量电压量程的切换按钮，UH测量用mV档，Uσ测量用V档。⑦霍尔传感器不等位电势“调零”旋钮。在所选择的工作电流IS=0和IM=0的情况下，调节此调零旋钮，使霍尔电压UH指示窗○2显示“0”值。⑧励磁电流源输出插座，连接实验装置IM输入插座。⑨励磁电流IM调节旋钮，用来调节电流IM的大小。⑩电源开关。7○1○2○3○4○5○6○7○8图62．螺线管磁场测定仪实验装置（如图6）①连接到霍尔片的工作电流端(红色插头与红色插座相连,黑色插头与黑色插座相连)②连接到霍尔片霍尔电压输出端(红色插头与红色插座相连,黑色插头与黑色插座相连)③霍尔电流IS输入转换开关，向上拨为IS+,向下拨为IS-。④霍尔元件输入插座，与霍尔效应测磁仪测量装置霍尔探头连接。⑤霍尔电压UH、Uσ输出转换开关，向上拨为VH,向下拨为Vσ。⑥励磁电流IM保护电路中保险丝插座，配置2A保险丝。⑦励磁电流输入插座，与霍尔效应测磁仪测量装置励磁电流输出连接。⑧励磁电流IM输入转换开关，向上拨为IM+,向下拨为IM-。四、主要技术参数1．霍尔测磁传感器：（1）霍尔元件：材料：砷化镓N型尺寸：L×h×d2.7×2.4×1㎜3内阻：650～850Ω灵敏度K：170mv·mA-1·T-1工作电流IS：0～10mA（2）探杆刻度长：220mm（1mm分度）2．长直螺线管：（1）线圈外径：R2=19mm线圈内径：R1=16mm等效半径（平均半径）mmRRIRRRN46.1712128注明：等效半径专用词参见《电磁学》，赵凯华、陈熙谋著。（2）线圈线径：Φ0.8mm（3）线圈有效长度：L=150mm（1）线圈匝数:N=650匝4．励磁电流IM：0至大于1A五、操作说明1、将霍尔效应测磁仪上霍尔探头与螺线管磁场测定仪上霍尔探头相连，霍尔效应测磁仪右下角的励磁电流输出与螺线管磁场测定仪右下角IM输入相连。2、将霍尔效应测磁仪上三个旋钮全部逆时针旋到底，量程转换按钮按下到mV档，螺线管磁场测定仪上UH、Uσ输出转换开关向上拨到VH档，打开电源开关，调节“VH调零”旋钮，使UH显示窗指示为零。六、实验步骤1、测量霍尔元件的零位（不等位）电势U0和不等位电阻R01)参照前述操作说明，调整好测磁仪。2)将IM电流调节到最小调节，将霍尔工作电流IS调节到5.00mA，利用IS转换开关，改变霍尔工作电流输入方向，分别测出零位霍尔电压U01、U02，并计算不等位电阻：R01＝S01IU，R02＝S02IU（8）2、测量霍尔电压UH与工作电流Is的关系从(1)式可知UH=KBIS。对于给定的霍尔器件，K是一个定值，如果给定磁感应强度B值，则霍尔电压UH是霍尔器件工作电流IS的函数，即SHIKBfU。1)先将Is，IM都调零，调节中间的“VH调零”旋钮，使其显示为0mV。2)根据探杆上刻度，将霍尔器件插入到螺线管中心位置（刻度尺上10cm处），调节IM=1000mA，将螺线管通电预热2分钟，3)调节Is=2mA,按表中Is，IM正负情况切换“实验装置”上的方向，待数值稳定，分别测量霍尔电压UH值（U1，U2，U3，U4）填入表（1）。以后Is每次递增1mA，测量各U1，U2，U3，U4值。绘出Is—UH曲线，验证线性关系。表(1)HUIsIM=1000mAIs(mA)U1(mV)U2(mV)U3(mV)U4(mV)4UUUUU4321H(mV)+Is+IM+Is-IM-Is-IM-Is+IM2.003.004.005.006.0093、长直螺线管内的磁场测量1)将霍尔器件调节至0刻度处，调节Is=5mA,IM=1000mA。2)按表中Is，IM正负情况切换“实验架”上的方向，待数值稳定，分别测量霍尔电压UH值（U1，U2，U3，U4）填入表（2）。3)将探杆在螺线管中缓慢前移，从探杆上的刻度读出霍尔元件在螺线管中所处位置X，同时读出相应点的霍尔电压值；用（1）式求出对应点B值；如此取10～20个点，将各数