【文章內容簡介】 本方法。 將一塊半導體或導體材料 置于磁場之中，當施加的外磁場垂直于半導體中流過的電流時，如圖 所示，會在半導體內垂直于磁場和電 流的方向上產生霍爾電動勢。沿 Z 方向施加 磁場 B，沿 X 軸 負方向通以工作電流 I，那么載流子將在 Y 軸方向受到洛侖茲力的作用，在 Y 軸 方向產生霍爾電動勢 VH，這 一 現(xiàn)象稱為霍爾效應。根據霍爾效應制造的霍爾器件是具有一定形狀的半導體薄片，實驗表明，在磁場不太強時，電位差 VH與電流強度 I 和磁感應強度 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是與材料有關的霍爾系數(shù)； I 為通過霍爾片的電流；B 為外磁場的磁感應強度。 KH 表示單位控制電流和單位磁感應強度下的霍爾電勢，稱為器件的乘積靈敏度，單位為 mV/( mA T)。對 霍爾器件而言，如果霍爾元件的靈敏度 KH已知，測出 控制電流 I 和產生的霍爾電壓 VH， 就可確 定霍爾元件所在處的磁感應強度。 沈陽化工大學學士學位論文 第 2 章 特斯拉計的工作原理 6 圖 霍爾效應原理圖 產生霍爾效應的原因是作定向運動的帶電粒子即載流子（ N 型半導體中的載流子是帶負電荷的電子 ， P 型半導體中的載流子是帶正電荷的空穴）在磁場中受到洛侖茲力 的 作用而產生的。 下面以 N 型半導體為例，討論一下霍爾電動勢的產生，電子所受到的洛侖茲力為 ： F qV B eV B eVB j? ? ? ? ? 式中 V 為電子的漂移運動速度， 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，同時在相反 方向 上出現(xiàn)相同數(shù)量的正電 子 荷，在兩側面間形成一個沿 Y 軸正方向上的橫向電場 EH（即霍爾電場），使運動電子受到一個沿 Y 軸負方向的電場力 Fe，兩側面 之間的電位差為 VH（即霍爾電壓），則 HeHq e jbVFE? ? ? 電場力將阻礙電荷的積聚，最后達穩(wěn)定狀態(tài)時有 0meFF?? 沈陽化工大學學士學位論文 第 2 章 特斯拉計的工作原理 7 即 HeVB ebV? 得 HV VBb? 若 N 型單晶中的電子濃度為 n，則流過樣品橫截面的電流 nebdVI? 得 IV nebd? 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 料產生霍爾效應的本領大?。?1H nedK ?稱為霍爾元件的靈敏度，一般地說， 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 恒磁場又稱為靜磁場，但 交變磁場，脈動磁場和脈沖磁場屬于動磁場。測量磁場的方法很多，根據磁場的類型以及強度，測量的方法也有所不同，下面介紹幾種測量磁場的方法。并討論霍爾傳感器及其優(yōu)點和特性。 幾種測 磁方法 感應線圈磁力計法是根據法拉第電磁感應定律而制成的，即線圈中感應電壓和線圈中磁場的變化率成正比關系。在線圈中產生和磁場變化率成比例的電流。感應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中或 在磁場中運動，就 會產生感應電流。感應線圈 大 多用于距離探測，不能探測靜態(tài)或緩慢變化的磁場。 超導測磁法是利用超導結的臨界電流隨磁場周期起伏的現(xiàn)象來測磁的。目前的儀器設計靈敏度很高，測程可從零到數(shù)千高斯，能響應零到幾兆甚至到 1000MHz 快速的 磁場變化。工作原理如圖 所示。由于低溫超導較難達到，現(xiàn) 有超導測磁儀器主要是對高溫超導進行研究的成果。超導量子干涉裝置磁力計可感應磁場范圍從 fT 幾沈陽化工大學學士學位論文 第 2 章 特斯拉計的工作原理 8 到 9T，而人腦產生的磁場一般約為數(shù)十 fT ，因此這種磁力計在醫(yī)學領域廣泛應用。 圖 超導測磁原理示意圖 光泵測磁法是應 用光學技術物理原理實現(xiàn)的，用光學設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能級（這種技術稱為光泵技術），將交變磁場加在吸收室上，當交變磁場的頻率與電子兩亞能級之間的躍遷頻率 相等時，達到共振，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成正比，所以測量共振頻率就可以求出外磁場的值。光泵測磁儀器是利用近 30 年來新發(fā)展起來的光泵技術制成的高靈敏度測磁儀器，其靈敏 度很高?？?用來測量原子的超精細結構及地磁場。 霍爾傳感器 霍爾效應原理 本章第一節(jié)已經介紹。圖 所示為霍爾元件基本電路。磁場 B穿過元件，控制電流由電源 E 供給， R 為控制電流的調節(jié)電阻，霍爾電勢輸出端接負載電阻 RL，它可以是一般電阻，也可以是信號放大器的輸入電阻?？刂齐娏?I、磁感應強度 B 兩者均為輸入信 號，在它們相互作用下，產生電勢 VH＝ KHIB。霍爾傳感器既可以測得磁場的大小，又可以測得磁場的方向。 霍爾傳感器在平衡點上，載流子大約沿長度方向 上 作直線運動，另外的電荷不再聚集在側面上。在磁場作用下，兩端電阻幾乎沒有變化。兩側面所測霍爾差分電壓和垂直于半導體片的磁場成正比，符號隨外加磁場方向的改變而改變?；魻柎艌鰝鞲衅鞔蠖嗍褂?N 型硅和砷化鎵（ GaAs ），因為它們具有較大的空隙帶和較高的抗溫度沈陽化工大學學士學位論文 第 2 章 特斯拉計的工作原理 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。 圖 霍爾元件的基本電路 由于霍爾元件對磁場敏感，且有簡單、頻率響應寬（從直流到微波）、動態(tài)范圍大、壽命長、無接觸等優(yōu)點，因此在測量技術、自動化技術和信息處理等方 面得到的 應用 非常廣 ?；魻杺鞲衅鞯湫皖l率帶寬可達 10～ 20kHz，基本特性好，原理及結構簡單，和微電子電路兼容。簡單化使其在不同應用中易于優(yōu)化及小型化，并且對靈敏度影響不大 。和微電子電路的兼容使它可利用微電子工業(yè)中的先進校正方法和高質量材料，促進了自身的持續(xù)發(fā)展?；魻栐透玫慕涌诩靶盘柼幚黼娮?電路的集成將會導致性價比高的新型傳感器系統(tǒng)的發(fā)展。它在電流傳感和 無刷電機控制中占有絕對優(yōu)勢，在磁場的測量中占據著不可替代的重要地位。 沈陽化工大學學士學位論文 第 3章 系統(tǒng)的 硬件電路設計 10 第 3 章系統(tǒng)的硬件電路設計 本章就所研究的多功能特斯拉計各硬件模塊做 了 詳細討論，該電路系統(tǒng)主要由主控電路、定標電路、信號處理及采集電路、頻率測量電路等組成。電路的原理框圖如圖 所示。 圖 特斯拉計電路原理框圖 工作原理： CPU 輸出的控制信號經 D/A 轉換，控制壓控恒流源。當磁場強度小于 時，霍爾探頭輸出與線圈測得的實際場強一致，呈良好線性。這時，可通過改變探頭的工作電流 I,使霍爾電壓 VH與測量線圈獲得的磁感應強度 B 成一定的比例關系，完成線性區(qū)的標定。當場強大于 時，霍爾探頭輸出呈非線性， A/D 轉換的結果必須進行修正才能得到被測磁場的準確值。這時只要單片機讀取與特斯拉計接口處所封裝的 E2PROM 中表格中相應的數(shù)值，經過插值運 算就可得到磁場的值。該表格是根據每個霍爾探頭特 性的各不相同 ，事先將測得的真實場強數(shù)據和對應的霍爾探頭輸出，整理成表格，固化到 E2PROM 中， 封裝在霍爾探頭與特斯拉計接口處，待 以后 使用。以完成非線性區(qū)的標定和測量工作。此外，儀器采用程控放大，可實現(xiàn)自動量程轉換。在系統(tǒng)中添加了采樣保持電路，使交變和脈沖磁場的測量成為可能。同時利用單片機的定時 /計數(shù)器測量磁場的頻率。 壓控恒流源 待測磁場 霍爾探頭 信號預處理 信號放大 采樣與峰值測量 隔離電路 數(shù)字調零 鍵盤顯示 A / D 轉 換 C P U D/A 轉換 存儲器 頻率測量 沈陽化工大學學士學位論文 第 3章 系統(tǒng)的 硬件電路設計 11 主控電路設計 本文所介紹的特斯拉計主控電路以 AT89C52 為核心，包括一個雙通道雙極性的A/D 轉換器 MAX1兩個串行十六位 D/A 轉換器 MAX54一個定標參數(shù)表格存儲器 X2412用 1602 組成的顯示電路以及與微機通訊的 RS232 串行接口等。為了減少數(shù)字信號與模擬信號之間的相互干擾，在模擬電路與數(shù)字電路 之間添加 光電耦合器 TLP521。 A/D轉換器 MAX110用來采集保持后的感應電壓信號。兩個 D/A轉換器 MAX541中的一個用來輸出霍爾不等位電勢的補償電壓，用于數(shù)字調零電路 中 的調零；另一個用來輸出單片機給出的控制信號，控制壓控恒流源。 該特斯拉計由 I/O 口實現(xiàn)六個按鍵：電源鍵、定標鍵、調零鍵、量程轉換鍵、 自動測量鍵、顯示暫停鍵，鍵盤采用 中斷方式工作。用 LED 顯示實時測量數(shù)據，其中一行用來顯示交變磁場頻率，另一行顯示測量的各種類型的磁場數(shù)值。當測量穩(wěn)恒場時，顯示磁場值；當測量脈沖場時，顯示峰值；當測量交變磁場時， 由軟件的控制依次顯示正、負峰值及峰峰值，顯示時間間隔由軟件控制 定為 5s，當按下顯示暫停鍵時，保持當前顯示數(shù)據，再次按顯示暫停鍵，顯示下一個數(shù)據，從而實現(xiàn)交變場的測量。 存有霍爾探頭參數(shù)表的存儲器 X24128 與特斯拉計封裝在一起， 當 特斯拉計工作時，通過串行總線和主機相連。更換探頭時，通過主機的控制，讀出表格，實現(xiàn)定標等工作。 定標電路的設計 定標電路主要由一個壓控恒流源和 提供控制電壓的 D/A 轉換電路組成。定標數(shù)據存儲在數(shù)據存儲器 X24128 中。下面 就 這三個方面 做出了介紹 。 D/A 轉換器 MAX541 是美國 MAXIM 公司生產的 D/A 轉換芯片，它是低功耗（ ），無緩沖電壓輸出，能夠驅動 60k? 的負載，用單 +5V 電源工作的串行 16 位數(shù)模轉換器。沈陽化工大學學士學位論文 第 3章 系統(tǒng)的 硬件電路設計 12 其轉換時間為 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。 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，又可以作為有源負載，以提高放大倍數(shù)。恒流源在差動放大電路、脈沖產生電路中得到了廣泛應用。 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、場效應管恒流源、集成運放恒流源三類。晶體管恒流源利用了晶體三極管集電極電壓變化 對電流影響小的特點，并 在電路中采用電流負反饋來提高輸出電流的恒定性， 有時還經 常采用一定的溫度補償和穩(wěn)壓措施。廣泛地用作差動放大器的射極公共電 阻，或作為放大電路的有源負載，也用作偏流使用，還可以作為脈沖產生電路的 充放電電流。場效應管恒流源和 晶體管恒流源相比，其等效內阻較小，如果增大電流負反饋電阻，場效應管恒流源會取得更好的效果。而且不需要輔助電源，是一個純粹的兩端網絡，可以用來代替任意一個歐姆電阻。通常，將場效應管和晶體管配合使用，其恒流效果會更好。集成運放恒流源具有穩(wěn)定性更好，恒流性能 更高的優(yōu)點，特別 在負載一端需接地，要求大電流的場合，獲得了廣泛應用。 本文采用運算放大器 LM358 構成壓控恒流源，為霍爾元件提供工作電流，控制電壓 Vi 由 16 位 D/A 轉換器 MAX541 來 提供，該恒流源的內阻和輸出電流均能滿足沈陽化工大學學士學位論文