集成霍尔传感器特性测量与应用实验的改进

王 瑗,潘 葳

(上海交通大学 物理与天文学院 物理国家级实验教学示范中心，上海 200240)

近年来，基于霍尔效应的集成霍尔传感器在各领域应用极其广泛，发展非常迅速[1-2]，为了紧跟时代发展的步伐，许多高校在大学物理实验中开设了“集成霍尔传感器特性测量与应用实验”，主要测量、研究霍尔传感器的灵敏度及使用霍尔传感器测量通电螺线管内的磁场[3]. 对磁场进行准确测量，理论上要求霍尔片的平面与磁场垂直，但实际测量中霍尔片并不一定能保证与磁场垂直，由此产生测量值偏差；另外在测量待测通电螺线管磁场之前应该用专门的螺线管对霍尔片的灵敏度先行测量、标定. 为此对传统实验方法进行了改进，并采用1对位置关系呈正交的霍尔片对磁场同时进行测量，实际测量结果理想.

1 实验方法与电路原理简介

1.1 实验原理

如图1所示，垂直于磁感应强度B放置的通有电流强度为I的导体(金属或半导体)，在它与B和I垂直的横向端面a和b间会产生电势差UH，这种现象称为霍尔效应，UH称为霍尔电压, 在外磁场不太强的情况下，有[4-5]

UH=KHIB，

(1)

其中KH为霍尔元件的灵敏度.

实验使用霍尼韦尔公司SS495型集成霍尔传感器[6]，它由霍尔单元、恒流源、放大器和薄膜电阻剩余电压补偿器组成，体积小、功耗低，在-40～+150 ℃的工作温度范围内具有增强的温度稳定性和灵敏度，在工作电压US=5 V，B= 0 T时,U0=2.5 V，其输出电压U与输入的工作电源电压US成正比变化关系，并与磁场磁感应强度B成正比，如图2所示，该关系为

B=(U-U0)/K，

(2)

其中K为该霍尔传感器的灵敏度，利用(2)式可以计算出磁场的磁感应强度[3].

图1 霍尔效应原理示意图

图2 SS495输出电压与磁感应强度的关系图

测量选用的螺线管的长度为L，远远大于管的直径D，绕线均匀整齐，通电后螺线管内将形成平行于螺线管中轴线的匀强磁场[7-8]，单层N匝绕线通电螺线管内磁感应强度沿螺线管中轴线分布的理论计算[9]为

(3)

式中，IM为励磁电流，μ0为真空磁导率，x为以螺线管中心为坐标原点时的位置. 实验采用10层绕线.

1.2 传统的实验方法及存在的问题

传统的实验方法是将霍尔片焊接到能自由插入到螺线管内的探头上，芯片平面与螺线管的中轴线方向垂直，然后测量以下内容[3]：

a.螺线管的中心点处霍尔传感器灵敏度K随工作电压US的变化关系.

b.作出螺线管的中心点处霍尔传感器输出电压U0与磁感应强度B的关系图，用直线拟合功能求出灵敏度K值.

c.利用求出的灵敏度K值，测量励磁电流IM=250 mA时螺线管内中轴线上磁场分布.

该实验在测量中存在如下问题：

1)对K值的测量和计算中使用的磁感应强度B的取值是由式(3)计算所得的通电螺线管磁感应强度B的理论值，而c.中内容是利用a.～b.中测出的K值再次测同一通电螺线管内的B的实际值，这样在以上3项实验内容中使用的都是同一螺线管，不太合适.

2)焊接在探测杆前端的霍尔片已尽量与探测杆中轴线保持垂直，但当探测杆在螺线管中前后长距离移动时并不一定确保霍尔片与螺线管中轴线还是垂直的，即不保证霍尔片与磁场始终垂直，这会使测量数据产生偏差.

1.3 实验方法及电路的改进

针对以上问题,对传统实验方法及所用的实验电路进行了重新设计和改进.

1)将a.和b.的内容使用同一螺线管进行研究、测量，而c.的内容对待测通电螺线管磁场进行测量.

2)对c.的内容采用1对位置关系呈正交的霍尔片(片1和片2)对磁场同时测量，所使用的是同批次并经过实验室测定筛选出的K值非常接近的1对芯片构成，安装时保证两芯片的平面法矢量与螺线管内磁感应强度B在同一平面内，校准两芯的片平面保证相互垂直，它们在螺线管内放置情况如图3所示，电路连接如图4所示.

图3 两正交芯片在螺线管内放置示意图

图4 两正交芯片测量磁场的电路连接

从图3可以看出，在两相互垂直的霍尔片中产生霍尔效应的磁感应强度分量分别应该是B1⊥和B2⊥，它们与B的关系为

B1⊥=Bcosθ，

(4)

B2⊥=Bsinθ，

(5)

(6)

B与θ角无关，这就使安装好的霍尔片在螺线管中沿中轴线长距离移动时不会对B的测量产生影响.

如图4所示，测量螺线管内同一位置的磁感应强度B时，给两霍尔片所加的工作电压US完全相同，然后由开关K控制切换采集片1和采集片2的输出电压U01和U02, 将其代入(2)式中计算出的该点的磁感应强度分别是B1⊥和B2⊥，再将B1⊥和B2⊥代入(6)式中即可计算出该点的磁感应强度B.

2 实验数据及结果分析

测量通电螺线管磁感应强度B的前提是已测量计算出了2片正交霍尔片的灵敏度K1和K2，在工作电压US=5 V，IM=250 mA,x=0 cm (螺线管中心为坐标原点)时分别是K1=30.906 V/T，K2=30.894 V/T. 对待测通电螺线管的磁感应强度B进行测量，测量结果如图5所示，其中曲线1和2分别是B1⊥和B2⊥2个分量在螺线管内不同位置的变化关系曲线，曲线3是由(6)式计算出的螺线管内不同位置的B的变化曲线，曲线4是由(3)式计算出的通电螺线管内B值变化的理论值曲线，由图5可知，曲线3和4吻合得很好.

图5 B1⊥,B2⊥,B和B(理论)在螺线管内的分布曲线

3 结束语

改进的实验使学生们明白了2个问题：其一，使用集成霍尔传感器对磁场进行测量时，不能直接照搬芯片说明书中提供的灵敏度K，要先用很标准的、能形成匀强磁场的螺线管对灵敏度K进行重新测量标定，测量出它在该环境中的实际值. 其二，保证测量磁场的霍尔片与螺线管中轴线垂直是减小测量中系统误差的重要环节，应该加以重视.