【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 應(yīng)。根據(jù)霍爾效應(yīng)制造的霍爾器件是具有一定形狀的半導(dǎo)體薄片，實(shí)驗(yàn)表明，在磁場(chǎng)不太強(qiáng)時(shí)，電位差 VH與電流強(qiáng)度 I 和磁感應(yīng)強(qiáng)度 B 成正比，與板的厚度 d 成反比，即 HHIBVRd? 或 VH=KHIB 式中： d 為霍爾器件 厚度； RH是與材料有關(guān)的霍爾系數(shù)； I 為通過(guò)霍爾片的電流；B 為外磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度。 KH 表示單位控制電流和單位磁感應(yīng)強(qiáng)度下的霍爾電勢(shì)，稱為器件的乘積靈敏度，單位為 mV/( mA T)。對(duì) 霍爾器件而言，如果霍爾元件的靈敏度 KH已知，測(cè)出 控制電流 I 和產(chǎn)生的霍爾電壓 VH， 就可確 定霍爾元件所在處的磁感應(yīng)強(qiáng)度。 沈陽(yáng)化工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 第 2 章 特斯拉計(jì)的工作原理 6 圖 霍爾效應(yīng)原理圖 產(chǎn)生霍爾效應(yīng)的原因 是作定向運(yùn)動(dòng)的帶電粒子即載流子（ N 型半導(dǎo)體中的載流子是帶負(fù)電荷的電子， P 型半導(dǎo)體中的載流子是帶正電荷的空穴）在磁場(chǎng)中受到洛侖茲力 的 作用而產(chǎn)生的。 下面以 N 型半導(dǎo)體為例，討論一下霍爾電動(dòng)勢(shì)的產(chǎn)生，電子所受到的洛侖茲力為 ： F qV B eV B eVB j? ? ? ? ? 式中 V 為電子的漂移運(yùn)動(dòng)速度， e 為電子的電荷量。 Fm指向 Y 軸的正方向。自由電子受力偏轉(zhuǎn)，同時(shí)在相反 方向 上出現(xiàn)相同數(shù)量的正電 子 荷，在兩側(cè)面間形成一個(gè)沿 Y 軸正方向上的橫向電場(chǎng) EH（即霍爾電場(chǎng)），使運(yùn)動(dòng)電子受到一個(gè)沿 Y 軸負(fù)方向的電場(chǎng)力 Fe，兩側(cè)面之間的電位差為 VH（即霍爾電壓），則 HeHq e jbVFE? ? ? 電場(chǎng)力將阻礙電荷的積聚，最后達(dá)穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)有 0meFF?? 沈陽(yáng)化工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 第 2 章 特斯拉計(jì)的工作原理 7 即 HeVB ebV? 得 HV VBb? 若 N 型單晶中的電子濃度為 n，則流過(guò)樣品橫截面的電流 nebdVI? 得 IVnebd? 將 式代入 式得 1 HHH IBIB IBn e d dV RK? ? ? 式中 1H neR ?稱為霍爾系數(shù)，它表示材料產(chǎn)生霍爾效應(yīng)的本領(lǐng)大??； 1H nedK ?稱為霍爾元件的靈敏度，一般地說(shuō)， KH 愈大愈好，以便獲得較大的霍爾電壓 VH。因 KH和載流子濃度 n 成反比，所以采用半導(dǎo)體材料作霍爾元件靈敏度較高。 KH 和樣品厚度 d 成反比，所以霍爾片都切得很薄，一般 d≈ 。 霍爾傳感器 恒磁場(chǎng)又稱為靜磁場(chǎng)，但 交變磁場(chǎng)，脈動(dòng)磁場(chǎng)和脈沖磁場(chǎng)屬于動(dòng)磁場(chǎng)。測(cè)量磁場(chǎng)的方法很多，根據(jù)磁場(chǎng)的類型以及強(qiáng)度，測(cè)量的方法也 有所不同，下面介紹幾種測(cè)量磁場(chǎng)的方法。并討論霍爾傳感器及其優(yōu)點(diǎn)和特性。 幾種測(cè)磁方法 感應(yīng)線圈磁力計(jì)法是根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律而制成的，即線圈中感應(yīng)電壓和線圈中磁場(chǎng)的變化率成正比關(guān)系。在線圈中產(chǎn)生和磁場(chǎng)變化率成比例的電流。感應(yīng)線圈的靈敏度依賴于鐵心、匝數(shù)和線圈面積。只 要 線圈處于變化的磁場(chǎng)中或 在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)，就 會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流。感應(yīng)線圈 大 多用于距離探測(cè)，不能探測(cè)靜態(tài)或緩慢變化的磁場(chǎng)。 超導(dǎo)測(cè)磁法是利用超導(dǎo)結(jié)的臨界電流隨磁場(chǎng)周期起伏的現(xiàn)象來(lái)測(cè)磁的。目前的儀器設(shè)計(jì)靈敏度很高，測(cè)程可從零到數(shù)千高斯，能響應(yīng)零到 幾兆甚至到 1000MHz 快速的 磁場(chǎng)變化。工作原理如圖 所示。由于低溫超導(dǎo)較難達(dá)到，現(xiàn)有超導(dǎo)測(cè)磁儀器主要是對(duì)高溫超導(dǎo)進(jìn)行研究的成果。超導(dǎo)量子干涉裝置磁力計(jì)可感應(yīng)磁場(chǎng)范圍從 fT 幾沈陽(yáng)化工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 第 2 章 特斯拉計(jì)的工作原理 8 到 9T，而人腦產(chǎn)生的磁場(chǎng)一般約為數(shù)十 fT ，因此這種磁力計(jì)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。 圖 超導(dǎo)測(cè)磁原理示意圖 光泵測(cè)磁法是應(yīng) 用光學(xué)技術(shù)物理原理實(shí)現(xiàn)的，用光學(xué)設(shè)備選擇出一定頻率的光照射含有堿金屬蒸汽的吸收室，將其泵激到特定的某個(gè)能級(jí)（ 這種技術(shù)稱為光泵技術(shù)），將交變磁場(chǎng)加在吸收室上，當(dāng)交變磁場(chǎng)的頻率與電子兩亞能級(jí)之間的躍遷頻率相等時(shí)，達(dá)到共振，將改變吸收室的吸收程度，使其變混濁，由于這一共振頻率與外磁場(chǎng)成正比，所以測(cè)量共振頻率就可以求出外磁場(chǎng)的值。光泵測(cè)磁儀器是利用近 30 年來(lái)新發(fā)展起來(lái)的光泵技術(shù)制成的高靈敏度測(cè)磁儀器，其靈敏 度很高?？?用來(lái)測(cè)量原子的超精細(xì)結(jié)構(gòu)及地磁場(chǎng)。 霍爾傳感器 霍爾效應(yīng)原理 本章第一節(jié)已經(jīng)介紹。圖 所示為霍爾元件基本電路。磁場(chǎng) B穿過(guò)元件，控制電流由電源 E 供給， R 為控制電流的調(diào)節(jié)電阻，霍爾電勢(shì)輸出端接負(fù)載電阻 RL，它可以是一般電阻，也可以是信號(hào)放大器的輸入電阻?？刂齐娏?I、磁感應(yīng)強(qiáng)度 B 兩者均為輸入信號(hào)，在它們相互作用下，產(chǎn)生電勢(shì) VH＝ KHIB?；魻杺鞲衅骷瓤梢詼y(cè)得磁場(chǎng)的大小，又可以測(cè)得磁場(chǎng)的方向。 霍爾傳感器在平衡點(diǎn)上，載流子大約沿長(zhǎng)度方向 上 作直線運(yùn)動(dòng)，另外的電荷不再聚集在側(cè)面上。在磁場(chǎng)作用下，兩端電阻幾乎沒(méi)有變化。兩側(cè)面所測(cè)霍爾差分電壓和垂直于半導(dǎo)體片的磁場(chǎng)成正比，符號(hào)隨外加磁場(chǎng)方向的改變而改變?；魻柎艌?chǎng)傳感器大多使用 N 型硅和砷化鎵（ GaAs ），因?yàn)樗鼈兙哂休^大的 空隙帶和較高的抗溫度沈陽(yáng)化工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 第 2 章 特斯拉計(jì)的工作原理 9 變化的能力。此 外，砷化銦（ InAs ）和銻化銦（ InSb ）等材料由于其載流子的遷移率 高 ， 可 獲 得 較 大 的 靈 敏 度 和 較 高 的 頻 率 響 應(yīng) 。 圖 霍爾元件的基本電路 由于霍爾元件對(duì)磁場(chǎng)敏感，且有簡(jiǎn)單、頻率響應(yīng)寬（從直流到微波）、動(dòng)態(tài)范圍大、壽命長(zhǎng)、無(wú)接觸等優(yōu)點(diǎn)，因此在測(cè)量技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)和信息處理等方 面得到的 應(yīng)用 非常廣 ?；魻杺鞲衅鞯湫皖l率帶寬可達(dá) 10～ 20kHz，基本特性 好，原理及結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，和微電子電路兼容。簡(jiǎn)單化使其在不同應(yīng)用中易于優(yōu)化及小型化，并且對(duì)靈敏度影響不大。和微電子電路的兼容使它可利用微電子工業(yè)中的先進(jìn)校正方法和高質(zhì)量材料，促進(jìn)了自身的持續(xù)發(fā)展?；魻栐透玫慕涌诩靶盘?hào)處理電子 電路的集成將會(huì)導(dǎo)致性價(jià)比高的新型傳感器系統(tǒng)的發(fā)展。它在電流傳感和 無(wú)刷電機(jī)控制中占有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，在磁場(chǎng)的測(cè)量中占據(jù)著不可替代的重要地位。 沈陽(yáng)化工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論 文 第 3章 系統(tǒng)的 硬件電路設(shè)計(jì) 10 第 3 章系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì) 本章就所研究的多功能特斯拉計(jì)各硬件模塊做 了 詳細(xì)討論，該電路系統(tǒng)主要由主控電路、定標(biāo)電路、信號(hào)處理及采集電路、頻率測(cè)量 電路等組成。電路的原理框圖如圖 所示。 圖 特斯拉計(jì)電路原理框圖 工作原理： CPU 輸出的控制信號(hào)經(jīng) D/A 轉(zhuǎn)換，控制壓控恒流源。當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度小于 時(shí)，霍爾探頭輸出與線圈測(cè)得的實(shí)際場(chǎng)強(qiáng)一致，呈良好線性。這時(shí)，可通過(guò)改變探頭的工作電流 I,使霍爾電壓 VH與測(cè)量線圈獲得的磁感應(yīng)強(qiáng)度 B 成一定的比例關(guān)系，完成線性區(qū)的標(biāo)定。當(dāng)場(chǎng)強(qiáng)大于 時(shí)，霍爾探頭輸出呈非線性， A/D 轉(zhuǎn)換的結(jié)果必須進(jìn)行修正才能得到被測(cè)磁場(chǎng)的準(zhǔn)確值。這時(shí)只要單片機(jī)讀取與特斯拉計(jì)接口 處所封裝的 E2PROM 中表格中相應(yīng)的數(shù)值，經(jīng)過(guò)插值運(yùn) 算就可得到磁場(chǎng)的值。該表格是根據(jù)每個(gè)霍爾探頭特性的各不相同 ，事先將測(cè)得的真實(shí)場(chǎng)強(qiáng)數(shù)據(jù)和對(duì)應(yīng)的霍爾探頭輸出，整理成表格，固化到 E2PROM 中， 封裝在霍爾探頭與特斯拉計(jì)接口處，待 以后 使用。以完成非線性區(qū)的標(biāo)定和測(cè)量工作。此外，儀器采用程控放大，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)量程轉(zhuǎn)換。在系統(tǒng)中添加了采樣保持電路，使交變和脈沖磁場(chǎng)的測(cè)量成為可能。同時(shí)利用單片機(jī)的定時(shí) /計(jì)數(shù)器測(cè)量磁場(chǎng)的頻率。 壓控恒流源 待測(cè)磁場(chǎng) 霍爾探頭 信號(hào)預(yù)處理 信號(hào)放大 采樣與峰值測(cè)量 隔離電路 數(shù)字調(diào)零 鍵盤顯示 A / D 轉(zhuǎn) 換 C P U D/A轉(zhuǎn)換 存儲(chǔ)器 頻率測(cè)量 沈陽(yáng)化工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論 文 第 3章 系統(tǒng)的 硬件電路設(shè)計(jì) 11 主控電路設(shè)計(jì) 本文所介紹的特斯拉計(jì)主控電路以 AT89C52 為核心，包括一個(gè)雙通道雙極性的A/D 轉(zhuǎn)換器 MAX1兩個(gè)串行十六位 D/A 轉(zhuǎn)換器 MAX54一個(gè)定標(biāo)參數(shù)表格存儲(chǔ)器 X2412用 1602 組成的顯示電路以及與微機(jī)通訊的 RS232 串行接口等。為了減少數(shù)字信號(hào)與模擬信號(hào)之間的相互干擾，在模擬電路與數(shù)字電路 之間添加 光電耦合器 TLP521。 A/D轉(zhuǎn)換器 MAX110用來(lái)采集保持后的感應(yīng)電壓信號(hào)。兩個(gè) D/A轉(zhuǎn)換器 MAX541中的一個(gè)用來(lái)輸出霍爾不等位電勢(shì)的補(bǔ)償電壓，用于數(shù)字調(diào)零電路 中 的調(diào)零；另一個(gè)用來(lái)輸出單片機(jī)給出的控制信號(hào)，控制壓控恒流源。 該特斯拉計(jì)由 I/O 口實(shí)現(xiàn)六個(gè)按鍵：電源鍵、定標(biāo)鍵 、調(diào)零鍵、量程轉(zhuǎn)換鍵、 自動(dòng)測(cè)量鍵、顯示暫停鍵，鍵盤采用 中斷方式工作。用 LED 顯示實(shí)時(shí)測(cè)量數(shù)據(jù)，其中一行用來(lái)顯示交變磁場(chǎng)頻率，另一行顯示測(cè)量的各種類型的磁場(chǎng)數(shù)值。當(dāng)測(cè)量穩(wěn)恒場(chǎng)時(shí)，顯示磁場(chǎng)值；當(dāng)測(cè)量脈沖場(chǎng)時(shí)，顯示峰值；當(dāng)測(cè)量交變磁場(chǎng)時(shí)， 由軟件的控制依次顯示正、負(fù)峰值及峰峰值，顯示時(shí)間間隔由軟件控制 定為 5s，當(dāng)按下顯示暫停鍵時(shí)，保持當(dāng)前顯示數(shù)據(jù)，再次按顯示暫停鍵，顯示下一個(gè)數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)交變場(chǎng)的測(cè)量。 存有霍爾探頭參數(shù)表的存儲(chǔ)器 X24128 與特斯拉計(jì)封裝在一起， 當(dāng) 特斯拉計(jì)工作時(shí)，通過(guò)串行總線和主機(jī)相連。更換探頭時(shí) ，通過(guò)主機(jī)的控制，讀出表格，實(shí)現(xiàn)定標(biāo)等工作。 定標(biāo)電路的設(shè)計(jì) 定標(biāo)電路主要由一個(gè)壓控恒流源和提供控制電壓的 D/A 轉(zhuǎn)換電路組成。定標(biāo)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 X24128 中。下面 就 這三個(gè)方面 做出了介紹 。 D/A 轉(zhuǎn)換器 MAX541 是美國(guó) MAXIM 公司生產(chǎn)的 D/A 轉(zhuǎn)換芯片，它是低功耗（ ），無(wú)緩沖電壓輸出，能夠驅(qū)動(dòng) 60k? 的負(fù)載，用單 +5V電源工作的串行 16 位數(shù)模轉(zhuǎn)換器。沈陽(yáng)化工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論 文 第 3章 系統(tǒng)的 硬件電路設(shè)計(jì) 12 其轉(zhuǎn)換時(shí)間為 1μ s，輸出電壓變換范圍為 0V~VREF。 儀器中用 MAX541 輸出控制電壓，控制恒流源完成定標(biāo)。 OUT 接壓控恒流 源的輸入端。接口電路圖如 下圖 所示。 圖 MAX541 接口電路圖 壓控恒流源 恒流源，是一種能向負(fù)載提供恒定電流的電路。它既可以為各種放大電路提供偏流以穩(wěn)定其靜態(tài)工作點(diǎn)，又可以作為有源負(fù)載，以提高放大倍數(shù)。恒流源在差動(dòng)放大電路、脈沖產(chǎn)生電路中得到了廣泛應(yīng)用。 按照恒流源電路主要組成器件的不同， 可分為晶體管恒流源、場(chǎng)效應(yīng)管恒流源、集成運(yùn)放恒流源三類。晶體管恒流源利用了晶體三極管集電極電壓變化 對(duì)電流影響小的特點(diǎn)，并 在電路中采用電流負(fù) 反饋來(lái)提高輸出電流的恒定性， 有時(shí)還經(jīng) 常采用一定的溫度補(bǔ)償和穩(wěn)壓措施。廣泛地用作差動(dòng)放大器的射極公共電阻，或作為放大電路的有源負(fù)載，也用作偏流使用，還可以作為脈沖產(chǎn)生電路的 充放電電流。場(chǎng)效應(yīng)管恒流源和 晶體管恒流源相比，其等效內(nèi)阻較小，如果增大電流負(fù)反饋電阻，場(chǎng)效應(yīng)管恒流源會(huì)取得更好的效果。而且不需要輔助電源，是一個(gè)純粹的兩端網(wǎng)絡(luò)，可以用來(lái)代替任意一個(gè)歐姆電阻。通常，將場(chǎng)效應(yīng)管和晶體管配合使用，其恒流效果會(huì)更好。集成運(yùn)放恒流源具有穩(wěn)定性更好，恒流性能 更高的優(yōu)點(diǎn)，特別 在負(fù)載一端需接地，要求大電流的場(chǎng)合，獲得了廣泛 應(yīng)用。 本文采用運(yùn)算放大器 LM358 構(gòu)成壓控恒流源，為霍爾元件提供工作電流，控制電壓 Vi由 16 位 D/A 轉(zhuǎn)換器 MAX541 來(lái) 提供，該恒流源的內(nèi)阻和輸出電流均能滿足沈陽(yáng)化工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論 文 第 3章 系統(tǒng)的 硬件電路設(shè)計(jì) 13 霍爾元件的工作要求，且所組成的電路中，電阻阻值較低，電路較為簡(jiǎn)單實(shí)用。 運(yùn)算放大器構(gòu)成恒流源電路如圖 所示。由運(yùn)算放大器 A A