霍爾元件用于靜電場測量的探索

·數(shù)理科學(xué)·

霍爾元件用于靜電場測量的探索

白浪,惠玉香,李小俊

(西北大學(xué) 光子學(xué)與光子技術(shù)研究所, 陜西省光電技術(shù)與功能材料省部共建國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地，陜西 西安710069)

摘要：利用型號為UGN3503的線性霍爾元件對靜電場進(jìn)行測量實(shí)驗(yàn),發(fā)現(xiàn)霍爾元件對靜電場有顯著的、有規(guī)律的響應(yīng),且其測量曲線在某一區(qū)間內(nèi)基本呈線性變化。實(shí)驗(yàn)表明UGN3503霍爾元件可以用于靜電場測量。

關(guān)鍵詞：霍爾元件;靜電場;測量

收稿日期：2014-01-22

基金項(xiàng)目：陜西省教育廳科研計(jì)劃基金資助項(xiàng)目(2010JS111, 12JK0519)

作者簡介：白浪，女，陜西延安人，從事光電磁相關(guān)物理效應(yīng)的研究。

通訊作者：李小俊，男，博士，西北大學(xué)副研究員，從事光電磁相關(guān)物理效應(yīng)的研究。

中圖分類號：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

靜電場是科學(xué)領(lǐng)域和工程技術(shù)中一個(gè)非常重要的電學(xué)量,其測量方法主要包括電學(xué)式測量和光學(xué)式測量。電學(xué)式測量始于20世紀(jì)50年代,曾有文章報(bào)道過早期一種采用感應(yīng)電荷去感應(yīng)外界電場的空間靜電場測量法[1];還有1950年Malan和Schonland所研制的旋轉(zhuǎn)式結(jié)構(gòu)[2-5],以及雙球式、火箭式結(jié)構(gòu)[6-7]。這些靜電場測量系統(tǒng)都得到了一定程度的應(yīng)用,但其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜,探頭體積大,因此只能在大空間內(nèi)進(jìn)行測量。到20世紀(jì)70年代,隨著光學(xué)傳感與測量技術(shù)的迅速發(fā)展,基于Pockels效應(yīng)、電光Kerr效應(yīng)、電致發(fā)光效應(yīng)[8]原理的光學(xué)式傳感器測量系統(tǒng)相繼出現(xiàn)并取得很大進(jìn)展。這類型傳感器特點(diǎn)是絕緣性好、響應(yīng)速度快、安全性高[9-12]。但是，這些測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜,容易受外界環(huán)境干擾,測量精度也只能達(dá)到V/m的數(shù)量級,且元件探頭體積也比較大,不能實(shí)現(xiàn)對小空間的測量。

霍爾元件是應(yīng)用霍爾效應(yīng)原理制成的一種微小、靈敏型傳感器。目前只用于磁場的測量,關(guān)于用霍爾元件進(jìn)行靜電場的測量尚未見報(bào)道。在實(shí)驗(yàn)過程中我們發(fā)現(xiàn)隨著電場的改變，霍爾元件輸出電壓示數(shù)也會呈現(xiàn)穩(wěn)定變化趨勢。基于這一情況,本文利用霍爾元件對靜電場進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測量,得到了霍爾元件輸出電壓測量讀數(shù)隨靜電場強(qiáng)度的變化特征。基于霍爾元件具有體積小、成本低、安裝精度高,操作簡單等優(yōu)點(diǎn),如果可以將其應(yīng)用于靜電場實(shí)際測量,將會帶來很大的應(yīng)用價(jià)值。

1實(shí)驗(yàn)原理及裝置

1.1均勻靜電場發(fā)生與測量裝置

圖1所示為均勻靜電場發(fā)生及測量裝置示意圖。均勻靜電場發(fā)生裝置由一個(gè)高壓電源和兩個(gè)正負(fù)極板組成,其中正負(fù)極板是由長200mm,寬100mm,厚15mm的鋁板制成,極板間距35mm,高壓電源是一個(gè)最大可提供50kV的J2410高壓發(fā)生器,其連續(xù)工作時(shí)間為3 min;測量裝置是由一個(gè)型號為UGN3503的線性霍爾元件及一個(gè)由減法器、放大器組成的放大輸出電路組成,測量系統(tǒng)由5V穩(wěn)壓電源供電。

圖1　均勻靜電場發(fā)生與測量裝置 Fig.1　Uniform electrostatic field generating and measuring devices

1.2霍爾電壓測量裝置原理

實(shí)驗(yàn)中為了更加方便地讀取霍爾元件測量值, 需要將霍爾元件的輸出信號電壓通過減法器減去靜態(tài)輸出電壓(大致等于電源電壓的1/2)再經(jīng)放大輸出。圖2即霍爾元件信號放大電路圖,圖中H1是一個(gè)型號為UGN3503的線性霍爾元件;OP07運(yùn)算放大器在電路中主要起到了減法器和放大器的作用;可變電阻R2提供可調(diào)直流電壓,由霍爾元件的輸出電壓信號減去該直流電壓，最終達(dá)到調(diào)零(減掉靜態(tài)輸出電壓)的目的。經(jīng)過調(diào)零之后的測量信號電壓被放大24倍后從OP07運(yùn)算放大器的輸出端輸出,然后用毫伏表讀取輸出電壓值。

圖2　霍爾電壓測量系統(tǒng)原理圖 Fig.2　Schematic diagram of hall voltage measurement system

2實(shí)驗(yàn)過程與分析

如圖1所示,將電源J2410高壓發(fā)生器接在鋁板的正負(fù)引線柱,為了盡可能減少外界因素的干擾,首先在接線時(shí)要盡可能地讓電路板和高壓電源部分遠(yuǎn)離靜電場。然后將UGN3503霍爾元件的平面分別與均勻電力線垂直或平行放置兩極板之間。J2410高壓發(fā)生器提供給極板的電壓如表1所示。

表1　J2410高壓發(fā)生器提供的電壓值以及對應(yīng)的電場

圖3即為霍爾元件平面垂直電力線放置時(shí),霍爾輸出電壓變化曲線圖,為了盡可能使實(shí)驗(yàn)結(jié)果可靠,采用多次測量法,圖中A，B，C為3次測量的結(jié)果曲線。

圖3　電力線與霍爾元件平面垂直時(shí)霍爾輸出電壓變化曲線 Fig.3　Hall voltage as power line perpendicular to the plane of the Hall element

圖中顯示,當(dāng)極板電場強(qiáng)度在100kV/m到450kV/m之間時(shí),霍爾輸出電壓呈線性緩慢增長趨勢;在450kV/m到750kV/m時(shí),霍爾輸出電壓線性增長趨勢增大并在750kV/m時(shí)達(dá)到最大;在750kV/m到1 000kV/m時(shí),霍爾輸出電壓開始線性緩慢下降;在1 000kV/m到1 500kV/m時(shí),霍爾元件輸出電壓又出現(xiàn)緩慢波動上升趨勢。

然后使霍爾元件平面平行于電力線放置。霍爾輸出電壓的變化如圖4所示。

圖4　電力線與霍爾元件平面平行時(shí)霍爾電壓變化趨勢 Fig.4　Hall voltage as power line Parallel to the plane of the Hall element

圖中A，B，C同樣也是3次測量的結(jié)果曲線,從圖上可以看出極板電場強(qiáng)度在100kV/m到450kV/m時(shí),霍爾輸出電壓也呈線性緩慢增長趨勢;在450kV/m到750kV/m時(shí),霍爾輸出電壓線性增長趨勢增大，但在750kV/m沒有達(dá)到最大,在750kV/m到1 500kV/m時(shí),霍爾輸出電壓在稍有增長的同時(shí)基本處于平穩(wěn)波動狀態(tài)。

從圖3圖4對比發(fā)現(xiàn),無論是UGN3503霍爾元件平面垂直均勻電力線，還是平行于均勻電力線的情況,當(dāng)極板電場強(qiáng)度在100kV/m到450kV/m時(shí)，霍爾輸出電壓基本成線性增長關(guān)系,增長趨勢較緩慢且兩者增長趨勢幾乎一致;在450kV/m到750kV/m時(shí),霍爾輸出電壓也都呈線性增長趨勢,增長趨勢明顯增加。總之由圖3、圖4可以發(fā)現(xiàn)，在極板電場強(qiáng)度處于100kV/m到750kV/m之間時(shí),霍爾輸出電壓都處于線性增長趨勢且變化趨勢十分相似。如在750kV/m之前電場都是先緩慢線性增長,后線性增長加快,在750kV/m之后,基本不再增加且出現(xiàn)了微小的波動現(xiàn)象。

據(jù)此分析圖3與圖4,可推測霍爾輸出電壓變化曲線出現(xiàn)波動,主要是因?yàn)榛魻栐旧硎且环N靈敏度很高的元件,且加在電極上的強(qiáng)電場又距霍爾元件探頭很近,這樣霍爾元件很容易受到外界一些因素如極板微弱放電,電源J2410高壓發(fā)生器產(chǎn)生的高電壓,外界噪聲等的影響,但這些影響因素引起的微小波動對測量結(jié)果的影響并不是很大。而極板間電場強(qiáng)度在100kV/m到750kV/m測量時(shí),霍爾元件感應(yīng)電壓呈現(xiàn)一定的線性變化規(guī)律,這表明UGN3503霍爾元件可以實(shí)現(xiàn)電場測量。

由于霍爾元件本身是用于磁場測量,實(shí)驗(yàn)又發(fā)現(xiàn)UGN3503霍爾元件可以實(shí)現(xiàn)電場測量,故對該元件的磁場測量能力和電場測量能力進(jìn)行比較。比較的方法就是先測出具有相同能量的靜電場和磁場下的霍爾輸出電壓,然后對得到的輸出電壓進(jìn)行對比。

E=cB。

(1)

一般情況下,霍爾元件在進(jìn)行磁場測量時(shí)都是保持霍爾元件平面與電力線垂直。因此選擇霍爾元件垂直電力線時(shí)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行對比。而關(guān)于霍爾元件垂直電力線時(shí)的數(shù)據(jù)在上述圖3已經(jīng)得到。因此采用圖3中的數(shù)據(jù)并求出3次測量的平均值即為極板間電場對應(yīng)下的霍爾輸出電壓變化曲線圖,如圖5中曲線A所示。

然后將霍爾元件與型號為PF-035數(shù)字高斯計(jì)探頭緊貼放置于磁場中,這樣近似可以認(rèn)為它們處于磁場中同一位置,調(diào)節(jié)磁場使得高斯計(jì)示數(shù)分別與上述計(jì)算得到的磁場值對應(yīng),測出每個(gè)磁場值下霍爾輸出電壓值并得到霍爾輸出電壓變化為圖5曲線B所示。

圖5　相同能量電場與磁場下霍爾電壓變化曲線圖 Fig.5　Output voltage as electric field and magnetic field energy same

圖5中上下兩個(gè)橫軸分別為電場強(qiáng)度和磁場強(qiáng)度,其數(shù)值對應(yīng)關(guān)系由公式(1)給出,圖中可以看出,在用霍爾元件進(jìn)行電場測量時(shí),如曲線圖A所示,對應(yīng)的極板間電場強(qiáng)度在450kV以內(nèi)時(shí),霍爾輸出電壓呈線性緩慢增長,在450kV到720kV同樣也是線性增長,同時(shí)增長趨勢略有增加;在用霍爾元件進(jìn)行磁場測量時(shí),其變化規(guī)律如曲線B所示,即霍爾輸出電壓一直呈線性穩(wěn)定增長,在滿足式(1)的條件下,可以從圖中看出,霍爾元件測極板電場的霍爾輸出電壓總是小于測磁場時(shí)霍爾輸出電壓,但其測量讀數(shù)在同一數(shù)量級,即霍爾元件測磁場的能力略微強(qiáng)于測電場的能力。同時(shí)測磁場時(shí)線性度也比測電場時(shí)好一些。但是，作為一種新的電場測量手段,將霍爾元件用于靜電場測量是完全可行的。

在實(shí)驗(yàn)測量和研究過程中,可能受到元件材料、 元件設(shè)計(jì)過程中的缺陷以及實(shí)驗(yàn)環(huán)境與實(shí)驗(yàn)過程等諸多方面因素引起的副效應(yīng)影響,UGN3503霍爾元件在整個(gè)測量過程中,都表現(xiàn)出一定的波動性,但在100kV/m到750kV/m之間時(shí)微小波動對線性變化趨勢的影響不是很大,只有在750kV/m之后,波動性才加劇,但從總體來看,UGN3503霍爾元件還是能夠有效地測量電場。

霍爾元件是由半導(dǎo)體材料制成并用樹脂加以封裝,因此霍爾元件相對于前述幾種現(xiàn)有靜電場測量儀器所用的金屬探頭來說對電場本身的影響就很微小,且霍爾元件具有溫度補(bǔ)償功能,這也使得霍爾測量的穩(wěn)定性得到了提高,而其微小的探頭體積,使其可用于小空間內(nèi)電場的測量,簡單的電路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)使其成本較低,使用起來也比較靈活方便。

3結(jié)語

本文實(shí)驗(yàn)研究表明,UGN3503線性霍爾元件能夠用來進(jìn)行靜電場測量。

此外為了進(jìn)一步觀測是否其他類型霍爾元件也會出現(xiàn)同UGN3503霍爾原件同樣的測量特性,我們對型號為A1321的霍爾元件進(jìn)行相同條件的實(shí)驗(yàn)研究,發(fā)現(xiàn)并沒有出現(xiàn)與UGN3503同樣的現(xiàn)象。同樣為了確定靜電場的測量是UGN3503這一類霍爾元件特有的功能還是霍爾元件普遍具有的測量能力,本課題組將會對不同型號的霍爾元件繼續(xù)測試分析。

在原理性研究取得較大進(jìn)展的情況下,我們將進(jìn)一步開發(fā)基于霍爾元件的靜電場測量儀器。

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(編輯曹大剛)