演示小位移傳感器的裝置制作

趙 波唐亞明郭 俊周儒杰郝曉玲

（1青島科技大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，山東青島 266042；2青島科技大學(xué)數(shù)理學(xué)院，山東青島 266042；3青島科技大學(xué)化學(xué)院，山東青島 266042）

演示小位移傳感器的裝置制作

趙 波1唐亞明2郭 俊2周儒杰3郝曉玲2

（1青島科技大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，山東青島 266042；2青島科技大學(xué)數(shù)理學(xué)院，山東青島 266042；3青島科技大學(xué)化學(xué)院，山東青島 266042）

本文介紹了半導(dǎo)體材料的霍爾效應(yīng)及磁阻效應(yīng)，討論了霍爾磁阻元件的特性，提出位移傳感器的工作原理、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并詳細(xì)說(shuō)明安裝和調(diào)試過(guò)程.演示裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、物理概念清晰、易于操作.它將磁場(chǎng)的變化無(wú)接觸轉(zhuǎn)化為材料的電阻變化，從而把與磁場(chǎng)變化相聯(lián)的位移形式轉(zhuǎn)化為電信號(hào)輸出，形成位移傳感器.由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和圖示曲線表明:測(cè)量橋路輸出電壓隨磁鋼和霍爾片之間的距離變化而變化；另外，測(cè)量橋路的測(cè)量靈敏度隨工作電流IC增加而提高.通過(guò)本裝置可以對(duì)霍爾磁阻效應(yīng)、一種小位移測(cè)量傳感器原理和方法進(jìn)行演示和探究.在課堂教學(xué)、課程設(shè)計(jì)等場(chǎng)合，直觀顯示霍爾元件的各種效應(yīng)和技術(shù)應(yīng)用，有著良好的教學(xué)效果.

霍爾元件；磁阻效應(yīng)；位移測(cè)量

我們通過(guò)自制的實(shí)驗(yàn)裝置，實(shí)現(xiàn)位移量到電信號(hào)的轉(zhuǎn)換，演示了霍爾元件的磁阻效應(yīng)和基于這種效應(yīng)的一種應(yīng)用.給物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)帶來(lái)了很好的效果.

1 原理

通有電流的半導(dǎo)體置于與電流方向垂直的磁場(chǎng)中，在垂直于電流和磁場(chǎng)的方向上，半導(dǎo)體兩側(cè)之間會(huì)產(chǎn)生一橫向電壓，這種現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng).半導(dǎo)體在產(chǎn)生霍爾電壓的同時(shí)，由于磁場(chǎng)對(duì)載流子的作用改變了載流子的運(yùn)動(dòng)軌跡，使得通過(guò)霍爾元件的電流密度下降，即出現(xiàn)半導(dǎo)體電阻率增大，這就是半導(dǎo)體的磁阻效應(yīng).磁阻效應(yīng)是半導(dǎo)體材料非常有用的效應(yīng).以N型半導(dǎo)體為例，電子在互相垂直的電場(chǎng)和磁場(chǎng)中，由于受到電場(chǎng)力和洛倫茲力的作用呈擺線運(yùn)動(dòng)，如圖1所示.電子因弧形運(yùn)動(dòng)，走過(guò)的路程增加，散射幾率增大，平均自由程縮短，從而引起電流密度下降、電阻率增加.理論分析表明，若不考慮載流子速度的統(tǒng)計(jì)分布，就不顯示磁阻效應(yīng).如果進(jìn)一步考慮電子速度的統(tǒng)計(jì)分布，那么比平均速度快的和慢的電子分別往兩側(cè)偏轉(zhuǎn)，如圖2所示.比平均速度快的電子受到的洛倫茲力大于霍爾電場(chǎng)作用力，向洛倫茲力作用的方向偏轉(zhuǎn)，如圖2中2所示；反之，比平均速度慢的電子向霍爾電場(chǎng)力作用的方向偏轉(zhuǎn)，如圖2中3所示.因此，速度快的和慢的電子漂移路程增加，將使整個(gè)電阻增加，顯示出磁阻效應(yīng).可見(jiàn)半導(dǎo)體材料的磁阻效應(yīng)是由于載流子速度統(tǒng)計(jì)分布的結(jié)果.

圖1 電子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的情況

圖2 電子偏轉(zhuǎn)示意圖

實(shí)際上，半導(dǎo)體的磁阻效應(yīng)與它的幾何形狀和結(jié)構(gòu)密切相關(guān).在制造半導(dǎo)體磁阻元件時(shí)，巧妙地利用幾何形狀和結(jié)構(gòu)對(duì)磁阻效應(yīng)的影響，使霍爾元件的體電阻隨磁場(chǎng)的增加明顯增大.

2 器材安裝與演示內(nèi)容

本演示實(shí)驗(yàn)裝置由磁鐵、水平調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、垂直調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、接線柱、十位波段開(kāi)關(guān)、霍爾元件、精密電阻、自制演示裝置測(cè)控儀等組成.演示實(shí)驗(yàn)裝置如圖3所示.在裝置平臺(tái)上，十位波段開(kāi)關(guān)焊上不同阻值的精密電阻構(gòu)成二組（×1、×10、×100、×1K）十進(jìn)制電阻箱，即圖3中的R1和R2.實(shí)現(xiàn)0～kΩ的阻值變化.購(gòu)置的永磁體是一個(gè)圓形磁鋼，其通過(guò)連接桿固定在水平調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)的動(dòng)塊上，調(diào)節(jié)手輪使磁鋼在水平方向移動(dòng)，改變它與霍爾片之間的距離.霍爾元件安裝在既有水平、又有垂直調(diào)節(jié)的二維機(jī)構(gòu)上，目的就是就是上下、前后都能調(diào)，確保霍爾片正好面對(duì)磁鋼.另外調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)安裝孔稍微開(kāi)大些，方便機(jī)構(gòu)的左右調(diào)整，好使磁鋼和霍爾片的兩個(gè)面平行.霍爾片選用了杭州天煌科技早期生產(chǎn)的霍爾效應(yīng)實(shí)驗(yàn)儀上的，如圖4（a）所示.1—2是工作電流端，一般電流IC可達(dá)幾m A，3—4為霍爾電壓輸出端，一般在幾～幾十m V.用它來(lái)觀測(cè)磁阻效應(yīng)時(shí)，把霍爾片3、4端短接（形成所謂格柵）后由一線引出，如圖4（b）所示.這樣原霍爾片可以看成了上下兩部分，即圖4（c）中的RH1和RH2，當(dāng)永磁體相對(duì)霍爾片運(yùn)動(dòng)，1、2端通以電流，那么RH1和RH2隨著磁場(chǎng)的強(qiáng)弱相應(yīng)變化.另外本演示裝置配有自制的恒流輸出（0～30m A）、位數(shù)字毫伏表（0.00～ 100m V）測(cè)控箱，實(shí)現(xiàn)對(duì)工作電路的恒流供給和橋路輸出的精確測(cè)量.

圖5是實(shí)驗(yàn)演示裝置實(shí)物圖.按圖3（b）所示電路原理圖連接好線路，打開(kāi)電源，調(diào)節(jié)測(cè)量電路的工作電流IC分別取2m A和5m A.通過(guò)旋轉(zhuǎn)固定磁鋼支架的水平調(diào)節(jié)鈕，逐漸增加磁鋼與霍爾片之間的距離，每位移1mm，記錄測(cè)量電橋電路對(duì)應(yīng)的輸出電壓.這是由于其中由霍爾片形成的橋臂RH1和RH2，當(dāng)磁鋼和霍爾片之間的位置改變時(shí)，其阻值也隨之發(fā)生改變，從而引起測(cè)量橋路輸出不平衡電壓.測(cè)得的電壓值反映了位移變化的多少.測(cè)量數(shù)據(jù)記錄在表1和表2中，圖6、圖7為對(duì)應(yīng)的電壓—位移曲線.

圖3 測(cè)量演示裝置示意圖

圖4 霍爾片示意圖

圖5 實(shí)驗(yàn)演示裝置實(shí)物圖

圖6 測(cè)量工作電流IC為2m A時(shí)的電壓—位移曲線

表1 測(cè)量數(shù)據(jù)　　測(cè)量工作電流I C:2m A

表2 測(cè)量數(shù)據(jù)　　測(cè)量工作電流I C:5m A

圖7 測(cè)量工作電流IC為5m A時(shí)的電壓—位移曲線

由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和圖示曲線可以知道測(cè)量橋路輸出電壓隨磁鋼與霍爾片之間的位置變化而變化；另外測(cè)量橋路的測(cè)量靈敏度隨工作電流IC增加而提高；還有磁鋼與霍爾片之間距離相對(duì)較小時(shí)（本裝置在0～10mm），測(cè)量橋路的電壓輸出與磁鋼和霍爾片之間位置改變近乎線性，這就為實(shí)際應(yīng)用帶來(lái)方便.

3 結(jié)論

（1）本演示裝置巧妙利用霍爾元件的磁阻效應(yīng)，直觀展示了傳感器的傳感原理，體現(xiàn)了物理實(shí)驗(yàn)的技術(shù)內(nèi)涵.

（2）裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、物理概念清晰，無(wú)論在理論教學(xué)的課堂，還是在實(shí)驗(yàn)室，現(xiàn)場(chǎng)演示生動(dòng)、易于操作，提升了教學(xué)效果.

（3）裝置設(shè)計(jì)、安裝調(diào)試和實(shí)驗(yàn)演示全過(guò)程，是我校設(shè)計(jì)性物理實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目?jī)?nèi)容.極大地吸引學(xué)生到實(shí)驗(yàn)室來(lái)動(dòng)手，鼓舞了他們創(chuàng)新的熱情，賦予了經(jīng)典實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的信息.學(xué)生拿著自己制作的這套裝置，參加了2015年山東省第七屆大學(xué)生物理科技創(chuàng)新大賽，獲得了一等獎(jiǎng).

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SMALL DISPLACEMENT SENSOR DEVICE IN POWERPOINT

Zhao Bo1Tang Yaming2Guo Jun2Zhou Rujie3Hao Xiaoling2
（1College of Automation and Electronic Engineering，Qingdao University of Science and Technology，Qingdao，Shandong 266042；2College of Mathematics Physical，Qingdao University of Science and Technology，Qingdao Shandong 26604；3College of Chemistry，Qingdao University of Science and Technology，Qingdao，Shandong 26604）

This article introduces the hall effect of semiconductor materials and magnetic resistance effect，discussed the characteristics of the hall magnetic resistance element，put forward the working principle，structure design of displacement sensor，and detailed installation and debugging process.Demonstration device has the advantages of simple structure，clear physical concept and easy to operate.It convert the change of the magnetic field without contact to the resistance of the material changes，thus the magnetic field changes associated with the form of displacement is converted to electrical signal output，form a displacement sensor. The bridge is measured by the experimental data and graphic curves show that the output voltage change with the distance between the magnets and hall and change；In addition，the sensitivity of the measuring bridge road increase with the increase of working current IC.By this device can be magnetic resistance effect，a small hall displacement sensor principle and the method of demonstration and explored.In classroom teaching，curriculum design，visual display various effect and the technical application of hall element，has a good teaching effect.

hall element；magnetic resistance effect；displacement measurement

2015-11-30；

2016-03-11

趙波，男，工程師，主要從事實(shí)驗(yàn)教學(xué)和實(shí)驗(yàn)儀器裝置的研究.zhaobo@qust.edu.cn.

唐亞明，男，高級(jí)實(shí)驗(yàn)師，主要從事實(shí)驗(yàn)教學(xué)和實(shí)驗(yàn)儀器裝置的研究.13687652685@163.com

趙波，唐亞明，郭俊，等.演示小位移傳感器的裝置制作［J］.物理與工程，2016，26（4）:79-82.