霍尔传感器实验

一、实验课题意义及要求

霍尔传感器是基于霍尔效应原理而将被测量物理量如电流、磁场、位移、压力、压差、转速等转换成电动势输出的一种传感器。虽然它的转换率较低、温度影响大，要求转换精度较高时必须进行温度补偿，但霍尔传感器结构简单、体积小、坚固、频率响应宽（从直流到微波）、动态范围（输出电动势的变化）大、无触点、使用寿命长、可靠性高、易于微型化和集成电路化，因此在测量技术、自动化技术和信息处理等方面得到广泛的应用。

掌握霍尔效应原理，了解霍尔元件在工业上的应用；了解霍尔传感器直流激励工作原理和工作状况；了解霍尔传感器在交流激励下的工作原理和状况；利用霍尔元件设计电子秤。

二、参考文献

[1] 张天喆，董有尔.近代物理实验[M].北京:科学出版社，2004.

[2] 刘恩山，卢光华.霍尔传感器的应用[J].仪表技术与传感器， 1993（3）:14-16.

[3] 郑一相.霍尔传感器及其应用[J].电子产品世界，1996（6）:37-38.

[4] 李路明.提高霍尔器件检测灵敏度的一种方法[J].无损检测， 1998，（20）8:219-221.

[5] 张欣，陆申龙.新型霍尔传感器的特性及在测量与控制中的应用[J].大学物理，2002，（21）10:28-31.

三、提供的仪器与材料

CSY系列传感器实验综合实验仪，示波器，计算机。

四、开题报告及预习

1.霍尔效应原理。

2.如何提高霍尔元件灵敏度。

3.霍尔效应有哪些副效应，产生原因及如何消除其影响。

4.霍尔传感器直流激励与交流激励原理。

5.磁场与霍尔元件平面法线方向不一致，对测量结果有什么影响，如何用实验的方法去判断是否一致。

6.考虑现实生活中是否接触过霍尔传感器，或者霍尔传感器可能应用到什么地方。

五、实验课题内容及要求

1.掌握霍尔效应原理，熟悉传感器综合测试仪。

2.霍尔传感器直流激励特性测试。

（1）正确连线，仔细调节仪器，熟悉传感器联机软件操作。

（2）测量位移 电压关系曲线，尽量获得线性度好，灵敏度高的曲线结果。

3.霍尔传感器交流激励特性测试。

（1）正确连线，结合示波器观察差动放大器，相敏检波器，低通滤波器输出端波形，仔细调节仪器。

（2）测量位移 电压关系曲线，尽量获得线性度好、灵敏度高的曲线结果。

4.利用霍尔传感器制作简单的电子秤。

六、实验结题报告及论文

1.报告实验课题研究目的。

2.介绍实验基本原理和实验方法。

3.介绍实验所用仪器装置及其操作步骤。

4.对实验数据按照课题内容与要求进行处理和计算。

（1）计算直流激励条件下的灵敏度S，并作出电压位移关系曲线。

（2）计算交流激励条件下的灵敏度S，并作出电压位移关系曲线。

（3）利用所制作的电子秤，作出相应的重量电压关系曲线。

5.报告通过本实验所得收获并提出自己的意见。

实 验 指 导

一、实验原理

1.霍尔效应

霍尔效应是霍尔于1879年发现的。随后，根据该效应生产的霍尔器件，既可以检测磁场，也可以检测电流，还可以检测位移、振动以及其他只要能转换成位移量变化的非电量的物理量。同时霍尔器件还具有线性特性好，灵敏度高，稳定性好，控制简单、方便等特点。所以，霍尔器件在自动检测、自动控制和信息技术等方面得到了广泛的应用。如在一些具有四遥（遥调、遥控、遥测、遥信）功能的设备上，霍尔效应产品随处可见。随着我国四个现代化的逐步实现，霍尔器件的应用将会更为广泛。

一块长方形金属薄片或半导体薄片，若在某方向上通入电流IH，在其垂直方向上加一磁场B，则在垂直于电流和磁场的方向上将产生电位差UH，这个现象称为“霍尔效应”。UH称为“霍尔电势”。霍尔发现这个电位差UH与电流强度IH成正比，与磁感应强度B成正比，与薄片的厚度d成反比，即

式中，RH为霍尔系数，它表示该材料产生霍尔效应能力的大小。

霍尔电势的产生可以用洛伦兹力来解释。霍尔效应从本质上讲是运动的带电粒子在磁场中受洛伦兹力的作用而引起的偏转。当带电粒子被约束在固体材料中，这种偏转就导致在垂直电流和磁场的方向产生正负电荷在不同侧的聚集，从而形成附加的横向电场。

如图1所示，将一块厚度为d、宽度为b、长度为L的半导体薄片（霍尔片）放置在磁场B中，磁场B沿z轴正方向。当电流沿x轴正方向通过半导体时，若薄片中的载流子（设为自由电子）以平均速度v-沿x轴负方向做定向运动，所受的洛伦兹力为

图1 霍尔效应原理图

f B=e-B（2）

在f B的作用下自由电子受力偏转，结果向板面“Ⅰ”积聚，同时在板面“Ⅱ”上出现同数量的正电荷。这样就形成一个沿y轴负方向上的横向电场，使自由电子在受沿y轴负方向上的洛伦兹力f B的同时，也受一个沿y轴正方向的电场力f E。设E为电场强度，UH为霍尔片Ⅰ，Ⅱ面之间的电位差（即霍尔电势），则

f E将阻碍电荷的积聚，最后达稳定状态时有

f B=f E（4）

即

或

UH=v Bb（5）

设载流子浓度为n，单位时间内体积为v·d·b里的载流子全部通过横截面，则电流强度IH与载流子平均速度v的关系为

将式（6）代入式（5）得

考虑霍尔片厚度d的影响，引进一个重要参数KH，，则式（5）可写为

UH=KHIHB（8）

KH称为霍尔元件的灵敏度。它表示在单位磁感应强度和单位控制电流下霍尔电势的大小，其单位是[m V/（m A·T）]，一般要求KH越大越好。由于金属的电子浓度很高，所以它的霍尔系数或灵敏度都很小，不适宜做霍尔元件。此外元件厚度越薄，灵敏度越高，因此在制作霍尔元件时，厚度可以适当减小，但不能太薄，因为此时元件的输入输出电阻也相应增加，导致最终效果并不理想。

2.霍尔电势的特性及测量

从式（8）便可看出霍尔电势的特性为:

（1）在一定的工作电流IH下，霍尔电势UH与外磁场磁感应强度B成正比。这就是霍尔效应检测磁场的原理。

（2）在一定的外磁场中，霍尔电势UH与通过霍尔片的电流强度IH（工作电流）成正比。这就是霍尔效应检测电流的原理。

伴随霍尔效应还存在其他几个副效应，给霍尔电势的测量带来附加误差。例如，由于测量电势的两电极位置不在同一等位面上而引起的电位差U0称为不等位电位差。U0的方向随电流方向而变，与磁场无关。另外还有几个副效应引起的附加误差UE，UN，URL。由于这些电位差的符号与磁场、电流方向有关。因此在测量时只要改变磁场、电流方向就能减小和消除这些附加误差，故取（+B，+IH）、（+B，-IH）、（-B，-IH）、（-B，+IH）4种条件下进行测量，将测量到的4个电压值取绝对值平均，作为UH的测量结果。

3.霍尔效应的主要用途

应用霍尔效应不仅可以测量磁场和电流，还可以用来测量其他非电量。例如，保持流过霍尔元件的电流恒定，使霍尔元件在已知的梯度磁场中移动，则霍尔电势的大小就能反映磁场的变化，因而也就反映出位移的变化。在此情况下，利用霍尔效应可以测量微小位移和机械振动等。其他任何非电量，只要能转换成位移量的变化，根据上述原理均可应用霍尔元件制成的变换器进行自动检测。

4.霍尔效应的副效应及其消除方法

在测量霍尔电压时，会伴随产生一些副效应，影响到测量的精确度，这些副效应是:

1）不等位效应

由于制造工艺技术的限制，霍尔元件的电位极不可能接在同一等位面上，因此，当电流IH流过霍尔元件时，即使不加磁场，两电极间也会产生一电位差，称不等位电位差U0，显然，U0只与电流IH有关，而与磁场无关。

2）埃廷豪森效应（Etinghausen Effect）

由于霍尔片内部的载流子速度服从统计分布，有快有慢，由于它们在磁场中受的洛伦兹力不同，则轨道偏转也不相同。动能大的载流子趋向霍尔片的一侧，而动能小的载流子趋向另一侧，随着载流子的动能转化为热能，使两侧的温升不同，形成一个横向温度梯度，引起温差电压UE，UE的正负与IH， B的方向有关。

3）能斯特效应（Nernst Effect）

由于两个电流电极与霍尔片的接触电阻不等，当有电流通过时，在两电流电极上有温度差存在，出现热扩散电流，在磁场的作用下，建立一个横向电场EN，因而产生附加电压UN。UN的正负仅取决于磁场的方向。

4）里纪勒杜克效应（Righi-Leduc Effect）

由于热扩散电流载流子的迁移率不同，类似于埃廷豪森效应中载流子速度不同一样，也将形成一个横向的温度梯度而产生相应的温度电压URL， URL的正、负只与B的方向有关，和电流IH的方向无关。

综上所述，由于附加电压的存在，实测的电压，既包括霍尔电压UH，也包括U0，UE，UN和URL等这些附加电压，形成测量中的系统误差来源。但我们利用这些附加电压、电流和磁感应强度B的方向有关，测量时改变IH和B的方向基本上可以消除这些附加误差的影响。具体方法如下:

当（+B，+IH）时测量，U1=UH+U0+UE+UN+URL（11）

当（+B，-IH）时测量，U2=-UH-U0-UE+UN+URL（12）

当（-B，-IH）时测量，U3=UH-U0+UE-UN-URL（13）

当（-B，+IH）时测量，U4=-UH+U0-UE-UN-URL（14）

式（10）-式（11）+式（12）-式（13）并取平均值，得

可见，这样处理后，除埃廷豪森效应引起的附加电压外，其他几个主要的附加电压全部被消除了。但因UE≪UH，故可将上式写为

即

值得注意的是，以上讨论都是在磁场方向与电流方向垂直的条件下进行的，这时霍尔电势最大，因此测量时应使霍尔片平面与被测磁感应强度B的方向垂直，这样的测量才能得到正确的结果。若磁感应强度与元件平面法线成一定角度θ时，此时作用于霍尔元件上的有效磁场是其法线方向的分量:

UH=KHIHBcosθ（15）

另外，当控制电流或磁感应强度两者之一改变方向时，霍尔电势的方向随之改变；若两者方向同时改变，则霍尔电势的极性不变。

二、实验内容

本实验使用CSY系列传感器系统综合实验仪，该仪器由试验台、激励源、显示面板和处理电路等4部分组成。

1.霍尔传感器直流激励特性测试（见图2）

图2 霍尔传感器直流激励特性测试电路

实验所需部件:霍尔传感器、直流稳压电源、差动放大器、电桥平衡网络、测微器、V/F表，计算机。

注意事项:注意霍尔元件最好处于环形磁铁的中间；直流激励电压不能过大（±2V档），以免烧坏霍尔片；本实验所测出的为磁场的分布情况，其线性越好，位移测量的线性度也就越好；其变化越陡，位移测量的灵敏度就越大。

实验步骤:

（1）按照图2所示电路，将霍尔传感器、直流稳压电源、电桥平衡网络、差动放大器、数字电压表连接组成测量电路。

（2）转动测微器，使霍尔元件处于环形磁铁中间位置，并以此为零点。

（3）开启电源，差动放大器调零；直流稳压电源置±2V档，差动放大器增益调于中间位置，调节电桥平衡电位器WD，尽量使20V量程数字电压表显示最小，稳定数分钟后，电压表量程置于2V档，再仔细调零。

（4）上下转动测微头±4mm，使梁的自由端位移，并以计算机联机软件记录数字电压表显示的数据。每位移0.2mm记录一次电压数值，根据所得结果计算灵敏度S。S=ΔV/ΔX，（电压变化值/位移量），并作出VX关系曲线。

2.霍尔传感器交流激励特性测试（见图3）

图3 霍尔传感器交流激励特性测试电路

实验所需部件:霍尔传感器、差动放大器、电桥平衡网络、音频振荡器、移相器、相敏检波器、测微器、V/F表、低通滤波器、双踪示波器，计算机。

注意事项:音频振荡器输出交流激励信号控制其V0≤5V，以免烧毁霍尔片。

实验步骤:

（1）按照图3所示电路，连接测量线路，示波器探头根据需要分别接至差动放大器、相敏检波器与低通滤波器输出端。

（2）开启电源，差动放大器调零；从音频振荡器插口取出频率为2k Hz，电压小于5V的交流激励信号。

（3）转动测微器，使霍尔片处于环形磁铁中间位置，并以此为零点。调整电桥平衡电位器WD和WA，使差动放大器的输出为最小（示波器观察），稳定数分钟后，再仔细调零，使数字电压表指示为零。

（4）向上转动测微器2mm，使霍尔片上移。调整移相器电位器，使数字电压表指示为最大（绝对值），同时观察相敏检波器输出端的输出波形。

（5）测微器退回到零点，若此时读数偏离零点，重复调整WD和WA，使数字电压表指示为零。

（6）上下转动测微器±4mm，使梁的自由端位移，并以计算机联机软件记录数字电压表显示的数据。每位移0.2mm记录一次电压数值，根据所得结果计算灵敏度S。S=ΔV/ΔX，（电压变化值/位移量），并作出VX关系曲线。