郭 俊　唐亞明

(青島科技大學數(shù)理學院　山東 青島　266042)

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位移傳感器演示裝置的制作

郭 俊唐亞明

(青島科技大學數(shù)理學院山東 青島266042)

通過自制的位移傳感器演示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(shù)應用，有著良好的教學效果.

霍爾元件磁阻效應位移測量

1　引言

我們通過自制的實驗裝置，實現(xiàn)位移量到電信號的轉(zhuǎn)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.

2　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(cè)之間會產(chǎn)生一橫向電壓，這種現(xiàn)象稱為霍爾效應.半導體在產(chǎn)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，即半導體電阻率增大，這就是半導體的磁電阻效應.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(tǒng)計分布，就不顯示磁阻效應.如果進一步考慮電子速度的統(tǒng)計分布，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(tǒng)計分布的結(jié)果.

圖1　電子在磁場中運動的情況

圖2　電子偏轉(zhuǎn)示意圖

實際上，半導體的磁阻效應與它的幾何形狀和結(jié)構(gòu)密切相關(guān).在制造半導體磁阻元件時，巧妙地利用幾何形狀和結(jié)構(gòu)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.

3　器材安裝與演示內(nèi)容

本演示實驗裝置由磁鐵、水平調(diào)節(jié)機構(gòu)、垂直調(diào)節(jié)機構(gòu)、接線柱、十位波段開關(guān)、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.

圖3　測量演示裝置示意圖

在裝置平臺上，十位波段開關(guān)焊上不同阻值的精密電阻構(gòu)成二組(×1,×10,×100,×1k)十進制電阻箱，即圖3中的R1和R2.實現(xiàn)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(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)的動塊上，調(diào)節(jié)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(diào)節(jié)的二維機構(gòu)上，目的就是上下、前后都能調(diào)，確?；魻柶妹鎸Υ配?另外，調(diào)節(jié)機構(gòu)安裝孔稍微開大些，方便機構(gòu)的左右調(diào)整，以使磁鋼和霍爾片的兩個面平行.

圖4　霍爾片示意圖

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(diào)節(jié)測量電路的工作電流IC,分別取2 mA和5 mA.通過旋轉(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1 mm，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(fā)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(shù)據(jù)記錄在表1和表2中，圖6，圖7為對應的電壓-位移曲線.

圖5　實驗演示裝置實物圖

由實驗數(shù)據(jù)和圖示曲線可以知道測量橋路輸出電壓隨磁鋼和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；還有磁鋼和霍爾片之間距離相對較小時(本裝置大約在0～10 mm)，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.

表1　工作電流IC=2 mA時的測量數(shù)據(jù)

表2　工作電流IC=5 mA時的測量數(shù)據(jù)

圖6　測量工作電流IC=2 mA時的電壓-位移曲線

圖7　測量工作電流IC=5 mA時的電壓-位移曲線

4　結(jié)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(xiàn)了物理實驗的技術(shù)內(nèi)涵.

(2)裝置結(jié)構(gòu)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(xiàn)場演示生動、易于操作，提升了教學效果.

(3)裝置設計、安裝調(diào)試和實驗演示全過程，是我校設計性物理實驗項目內(nèi)容.極大地吸引了學生到實驗室來動手實驗，鼓舞了他們創(chuàng)新的熱情，賦予了經(jīng)典實驗現(xiàn)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(chuàng)新大賽，獲得了一等獎.

1張之圣,胡明,劉志剛,等. InSb磁敏電阻器導電機理及可靠性.半導體學報,1996,17(2)：136～140

2張之圣,劉志剛,胡明,等.磁阻元件的理論基礎及旋轉(zhuǎn)傳感器.電子測量技術(shù),1996(3)： 9～10

3王冰,黃釗洪,周冬躍. 一種檢測弱電流的半導體磁阻式電流傳感器.儀表技術(shù)與傳感器,2003(3): 4～6

4黃德星，等編著.磁敏感器件及其應用.北京:科學出版社, 1987

5唐耀輝.用霍爾元件測微小位移.物理實驗,2001(8):36～37

6張之圣,白花珍,陳金亭,等.InSb磁阻元件的特性及無接觸旋轉(zhuǎn)傳感器.天津大學學報，1999(6)：774～776

7吳揚,婁捷,陸申龍.銻化銦磁阻傳感器特性測量及應用研究.物理實驗,2001(10):46～48

The Fabrication of Displacement Sensor Demonstration Devices

Guo JunTang Yaming Liu Shuang Lv Xiangyun

(College of Mathematics Physical, Qingdao University of Science and Technology, Qingdao,Shandong266042)

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

郭俊(1974-)，女，副教授，主要從事大學物理教學與研究工作.劉 爽呂翔雲(yún)

2016-03-11)