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霍尔开关器件的特性及应用设计报告  PAGE 9 霍尔开关器件的特性及应用设计报告 霍尔开关器件的特性及应用设计 1979年霍尔在研究载流导体在磁场中受力的性质时发现了霍尔效应,它是电磁基本现象之一.利用此现象制成的各种霍尔元件,特别是测量元件,广泛的应用于工业自动化和电子技术中.对于半导体材料,测量霍尔系数和电导率是研究它们电性能的重要手段. 【实验目的和要求】 掌握霍尔元件的工作原理,了解霍尔开关集成电路 的特性及其主要参数和应用. 测量电机在不同工作电压下的转速,并描绘出速度和电压的曲线. 利用霍尔开关集成电路设计并制作一个测速度和里程的装置. 设计利用A/D转换器与计算机连接,自动检测并扫描结果的装置. 【实验仪器】 霍尔开关集成电路、电源、风扇、导线、示波器、计算机、A/D转换器等。 【实验原理】 霍尔元件及霍尔开关集成电路的工作原理 一块长方形金属薄片或半导体薄片，若在某方向上通入电流IH，在其垂直方向上加一磁场B，则在垂直于电流和磁场的方向上将产生电位差UH，这个现象称为“霍尔效应”。UH称为“霍尔电压”。霍尔发现这个电位差UH与电流强度IH成正比，与磁感应强度B成正比，与薄片的厚度d成反比，即 图1 霍尔效应原理图 （1） 式中RH叫霍尔系数，它表示该材料产生霍尔效应能力的大小。 霍尔电压的产生可以用洛伦兹力来解释。 如图1所示，将一块厚度为d、宽度为b、长度为L的半导体薄片（霍尔片）放置在磁场B中，磁场B沿Z轴正方向。当电流沿X轴正方向通过半导体时，若薄片中的载流子（设为自由电子）以平均速度沿X轴负方向作定向运动，所受的洛伦兹力为 （2） 在fB的作用下自由电子受力偏转，结果向板面“I”积聚，同时在板面“Ⅱ”上出现同数量的正电荷。这样就形成一个沿Y轴负方向上的横向电场，使自由电子在受沿Y轴负方向上的洛伦兹力fB的同时，也受一个沿Y轴正方向的电场力fE。设E为电场强度，UH为霍尔片I、Ⅱ面之间的电位差（即霍尔电压），则 （3） fE将阻碍电荷的积聚，最后达稳定状态时有 （4） 即 或 （5） 设载流子浓度为n，单位时间内体积为v·d·b里的载流子全部通过横截面，则电流强度IH与载流子平均速度v的关系为 （6） 将（6）式代入（5）式得 （7） 式中即为前述的霍尔系数RH。 考虑霍尔片厚度d的影响，引进一个重要参数KH，，则（5）式可写为 （8） KH称为霍尔元件的灵敏度。 利用霍尔传感器测转速的结构原理 利用霍尔传感器测转速的结构原理，如图3所示它实际是利用霍尔开关测转速。待测物上粘粘一对或多对小磁刚（N、S磁极），小磁钢越多，分辨率越高。霍尔开关固定在小磁刚（N、S磁极）附近。待测物以角速度旋转时，每当一个小磁钢(N极或S极)转动经过霍尔开关集成电路时，霍尔开关集成电路便产生一个相应的（正或负）脉冲。检测出单位时间内的脉冲数及其长度，即可确定待测转动物体的转动周期T及其转速n，即 n＝1/T 若N极经过霍尔开关，其输出电压为正，则S极经过霍尔开关，其输出电压为负;反之，亦然。所以N极穿过霍尔开关产生正脉冲，S极穿过霍尔开关产生负脉冲，每经过一对N、S极，就出现一个完整的正弦波或一对正、负方波。转一周有多少个N、S极，就有多少个正、负方波，转一周所产生的正负方波总长度，即是电机的转动周期T（如图4所示）。 将霍尔开关输出的方波信号输入示波器，就可以在示波器上显示出来。将其通过模数转换器输入到计算机，就可以很反便利用计算机进行实时的检测，并进行各种数据于曲线处理。 【内容及步骤】 按图接好线路，调整电机电压从0－10V，再从10－0V，每隔1V测一个转速；将数据逐一填入实验表格。 V（v）012345678910t/格（s）T1（s）T1（s）T2（s）T（s）N(转/秒)【数据表格与数据处理】 根据公式一，按表处理数据，其中T＝（T1+T2）／2。 作转速――电压曲线。 【设计并制作一个测速度和里程的装置（速度表或里程计）】 测速度和里程装置 N~U曲线 【列举用途并进行应用设计】 可用