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青島科技大學自動化學院，山東青島 266042；2青島科技大學數理學院，山東青島 266042；3青島科技大學化學院，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青島科技大學自動化學院，山東青島 266042；2青島科技大學數理學院，山東青島 266042；3青島科技大學化學院，山東青島 266042）

本文介紹了半導體材料的霍爾效應及磁阻效應，討論了霍爾磁阻元件的特性，提出位移傳感器的工作原理、結構設計，并詳細說明安裝和調試過程.演示裝置結構簡單、物理概念清晰、易于操作.它將磁場的變化無接觸轉化為材料的電阻變化，從而把與磁場變化相聯的位移形式轉化為電信號輸出，形成位移傳感器.由實驗數據和圖示曲線表明:測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，測量橋路的測量靈敏度隨工作電流IC增加而提高.通過本裝置可以對霍爾磁阻效應、一種小位移測量傳感器原理和方法進行演示和探究.在課堂教學、課程設計等場合，直觀顯示霍爾元件的各種效應和技術應用，有著良好的教學效果.

霍爾元件；磁阻效應；位移測量

我們通過自制的實驗裝置，實現位移量到電信號的轉換，演示了霍爾元件的磁阻效應和基于這種效應的一種應用.給物理實驗教學帶來了很好的效果.

1 原理

通有電流的半導體置于與電流方向垂直的磁場中，在垂直于電流和磁場的方向上，半導體兩側之間會產生一橫向電壓，這種現象稱為霍爾效應.半導體在產生霍爾電壓的同時，由于磁場對載流子的作用改變了載流子的運動軌跡，使得通過霍爾元件的電流密度下降，即出現半導體電阻率增大，這就是半導體的磁阻效應.磁阻效應是半導體材料非常有用的效應.以N型半導體為例，電子在互相垂直的電場和磁場中，由于受到電場力和洛倫茲力的作用呈擺線運動，如圖1所示.電子因弧形運動，走過的路程增加，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計分布，就不顯示磁阻效應.如果進一步考慮電子速度的統計分布，那么比平均速度快的和慢的電子分別往兩側偏轉，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作用力，向洛倫茲力作用的方向偏轉，如圖2中2所示；反之，比平均速度慢的電子向霍爾電場力作用的方向偏轉，如圖2中3所示.因此，速度快的和慢的電子漂移路程增加，將使整個電阻增加，顯示出磁阻效應.可見半導體材料的磁阻效應是由于載流子速度統計分布的結果.

圖1 電子在磁場中運動的情況

圖2 電子偏轉示意圖

實際上，半導體的磁阻效應與它的幾何形狀和結構密切相關.在制造半導體磁阻元件時，巧妙地利用幾何形狀和結構對磁阻效應的影響，使霍爾元件的體電阻隨磁場的增加明顯增大.

2 器材安裝與演示內容

本演示實驗裝置由磁鐵、水平調節機構、垂直調節機構、接線柱、十位波段開關、霍爾元件、精密電阻、自制演示裝置測控儀等組成.演示實驗裝置如圖3所示.在裝置平臺上，十位波段開關焊上不同阻值的精密電阻構成二組（×1、×10、×100、×1K）十進制電阻箱，即圖3中的R1和R2.實現0～kΩ的阻值變化.購置的永磁體是一個圓形磁鋼，其通過連接桿固定在水平調節結構的動塊上，調節手輪使磁鋼在水平方向移動，改變它與霍爾片之間的距離.霍爾元件安裝在既有水平、又有垂直調節的二維機構上，目的就是就是上下、前后都能調，確保霍爾片正好面對磁鋼.另外調節機構安裝孔稍微開大些，方便機構的左右調整，好使磁鋼和霍爾片的兩個面平行.霍爾片選用了杭州天煌科技早期生產的霍爾效應實驗儀上的，如圖4（a）所示.1—2是工作電流端，一般電流IC可達幾m A，3—4為霍爾電壓輸出端，一般在幾～幾十m V.用它來觀測磁阻效應時，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，當永磁體相對霍爾片運動，1、2端通以電流，那么RH1和RH2隨著磁場的強弱相應變化.另外本演示裝置配有自制的恒流輸出（0～30m A）、位數字毫伏表（0.00～ 100m V）測控箱，實現對工作電路的恒流供給和橋路輸出的精確測量.

圖5是實驗演示裝置實物圖.按圖3（b）所示電路原理圖連接好線路，打開電源，調節測量電路的工作電流IC分別取2m A和5m A.通過旋轉固定磁鋼支架的水平調節鈕，逐漸增加磁鋼與霍爾片之間的距離，每位移1mm，記錄測量電橋電路對應的輸出電壓.這是由于其中由霍爾片形成的橋臂RH1和RH2，當磁鋼和霍爾片之間的位置改變時，其阻值也隨之發生改變，從而引起測量橋路輸出不平衡電壓.測得的電壓值反映了位移變化的多少.測量數據記錄在表1和表2中，圖6、圖7為對應的電壓—位移曲線.

圖3 測量演示裝置示意圖

圖4 霍爾片示意圖

圖5 實驗演示裝置實物圖

圖6 測量工作電流IC為2m A時的電壓—位移曲線

表1 測量數據　　測量工作電流I C:2m A

表2 測量數據　　測量工作電流I C:5m A

圖7 測量工作電流IC為5m A時的電壓—位移曲線

由實驗數據和圖示曲線可以知道測量橋路輸出電壓隨磁鋼與霍爾片之間的位置變化而變化；另外測量橋路的測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較小時（本裝置在0～10mm），測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，這就為實際應用帶來方便.

3 結論

（1）本演示裝置巧妙利用霍爾元件的磁阻效應，直觀展示了傳感器的傳感原理，體現了物理實驗的技術內涵.

（2）裝置結構簡單、物理概念清晰，無論在理論教學的課堂，還是在實驗室，現場演示生動、易于操作，提升了教學效果.

（3）裝置設計、安裝調試和實驗演示全過程，是我校設計性物理實驗項目內容.極大地吸引學生到實驗室來動手，鼓舞了他們創新的熱情，賦予了經典實驗現場測試的信息.學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生物理科技創新大賽，獲得了一等獎.

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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，主要從事實驗教學和實驗儀器裝置的研究.zhaobo@qust.edu.cn.

唐亞明，男，高級實驗師，主要從事實驗教學和實驗儀器裝置的研究.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.