Преобразователи перемещения, основанные на эффекте Холла. Конструкция и принцип действия.

Датчиком Холла называют устройство, с помощью которого измеряют величину магнитного поля используя эффект Холла. Датчик Холла состоит из полупроводниковой прямоугольной пластинки, к которой присоединены четыре электрических вывода. Схематически чувствительный элемент датчика Холла показан на рис.1.

Эффект Холла заключается в следующем. Пусть образец имеет форму прямоугольной пластинки длиной l, шириной d, толщиной b (см.рис. 1).

Эффект Холла и физические основы работы датчика Холла.Если вдоль образца пропустить электрический ток I, а перпендикулярно плоскости пластинки создать магнитное поле B, то на боковых плоскостях пластинки в направлении CD возникнет электрическое поле, которое называют полем Холла. На практике, как правило, поле Холла характеризуют разницей потенциалов, которую измеряют между симметричными точками С и D на боковой поверхности образца. Эта разница потенциалов называется Холловской разницей потенциалов Uхол или ЭДС Холла ε хол.

В классической теории проводимости эффект Холла объясняется тем, что в магнитном поле на движущиеся электрические заряды действует сила Лоренца, величина и направление которой определяются векторным уравнением:

 

F = e [VB] ( 1 ),

 

где B - вектор индукции магнитного поля,

V - скорость движения зарядов,

е - заряд носителей тока с учетом знака.

 

Электрическое поле Холла

Eхол = V B ( 2 ),

связано c ЭДС Холла ε хол, или холловской разницей потенциалов следующим образом:

ε хол = Uхол = Eхол d= VBd ( 3 ).

Сила тока, который протекает через единицу площади поперечного сечения образца, равна плотности тока:

 

J = enV ( 4 ),

где п - количество носителей тока в единице объема образца (концентрация носителей тока). Отсюда сила тока:

 

I = jbd=enVbd ( 5 ).

 

Что дает возможность записать:

 

V = I / enbd ( 6 ),

 

ε хол = IB/ enb ( 7 ).

Таким образом, ЭДС Холла (или Uхол) пропорциональна силе тока, индукции магнитного поля, и обратно пропорциональна толщине образца и концентрации носителей тока в нем.

Принцип работы датчика Холла.На рис.2 показана характерная зависимость Uхол от магнитного поля при постоянном токе питания.

При отсутствии магнитного поля ЭДС Холла должна равняться нулю. Но в результате разных побочных явлений (например, недостаточно симметричное размещение измерительных электродов датчика) измерительный прибор может показать некоторую разницу потенциалов Uо на выходе Датчика Холла даже при отсутствии магнитного поля. Для исключения связанных с этим погрешностей, величину Uо следуют вычитать от измеренной разницы потенциалов в магнитном поле.

Одной из основных характеристик датчика Холла является чувствительность:

γ = Δ Uхол/ Δ B.

Чувствительность датчика, указанную в его паспортных данных, используют при определении величины индукции измеренного магнитного поля:

B = Uхол / γ .

 

Следует иметь в виду, что датчик измеряет перпендикулярную (к плоскости датчика) составляющую вектора магнитного поля. Поэтому если нужно измерять максимальное значение магнитного поля, то необходимо датчик ориентировать соответствующим образом.

Для изготовления датчиков Холла чаще всего используют полупроводники InP, InSb, GaAs, Ge, Si. Использование полупроводников обусловлено тем, что благодаря высокой подвижности носителей тока они имеют большую чувствительность к влиянию магнитного поля. Чувствительный элемент датчика Холла может изготавливаться как из объемного материала, так и на основе полупроводниковых пленок на изолирующих подложках. Датчик Холла может иметь различную форму, что влияет на линейность зависимости выходного сигнала от магнитного поля, чувствительность. Размеры современных датчиков Холла могут не превышать 1х1х0.5 мм, токи питания как правило 1- 100 мА (зависит от величины входного сопротивления датчика), чувствительность может достигать 1000 мВ/Тл и более, рабочий диапазон температур от -270 °С до 200 °С. Кроме чувствительности одними из основных параметров датчиков Холла являются температурная зависимость чувствительности, входного сопротивления, начального выходного сигнала Uо. У хороших датчиков Холла они должны быть незначительными.

 

 

⇐ Предыдущая12345

Поделиться: