华南师范大学实验报告
实验项目:直流激励时霍尔传感器位移特性实验
一、实验目的:
了解霍尔式传感器原理与应用。 二、基本原理:
金属或半导体薄片置于磁场中,当有电流流过时,在垂直于磁场和电流的方向上将产生电动势,这种物理现象称为霍尔效应。具有这种效应的元件成为霍尔元件,根据霍尔效应,霍尔电势UH=KHIB,当保持霍尔元件的控制电流恒定,而使霍尔元件在一个均匀梯度的磁场中沿水平方向移动,则输出的霍尔电动势为
UH kx,式中k—位移传感器的灵敏度。这样它就可以用来测量位移。霍尔电动势的极性表示了元件的方向。磁场梯度越大,灵敏度越高;磁场梯度越均匀,输出线性度就越好。 三、需用器件与单元:
霍尔传感器实验模板、霍尔传感器、±15V直流电源、测微头、数显单元。 四、实验步骤:
1、将霍尔传感器安装在霍尔传感器实验模块上,将传感器引线插头插入实验模板的插座中,实验板的连接线按图9-1进行。1、3为电源±5V,2、4为输出。
2、开启电源,调节测微头使霍尔片大致在磁铁中间位置,再调节Rw1使数显表指示为零。
图9-1 直流激励时霍尔传感器位移实验接线图
3、测微头往轴向方向推进,每转动0.2mm记下一个读数,直到读数近似不变,将读数填入表9-1。 表9-1
作出V-X曲线,计算不同线性范围时的灵敏度和非线性误差。 五、实验注意事项:
1、对传感器要轻拿轻放,绝不可掉到地上。
2、不要将霍尔传感器的激励电压错接成±15V,否则将可能烧毁霍尔元件。 六、思考题:
本实验中霍尔元件位移的线性度实际上反映的是什么量的变化?
答:本人认为应该是实际的输入、输出与拟合的理想的直线的偏离程度的变化,当X不同的时候,实际的输出值与根据拟合直线得到的数值的偏离值是不相同的。
七、实验报告要求:
1、整理实验数据,根据所得得实验数据做出传感器的特性曲线。 实验数据如下:
表9-2
根据上图和实验数据,在X∈[0.2,0.8]区间,霍尔传感器的灵敏度为:
729-177
=920;在X∈[1.2,2.0]区间,霍尔传感器的灵敏度为:
0.8-0.2-235+575k≈≈567。
1.4-2.0k≈
以上曲线本着出于方便,利用Excel软件直接生成的,下面将利用最小二乘法拟合更加符合实验数据处理的V-X曲线。
在这里,直接利用最小二乘法的结论:V=a+bX,其中
a=
∑xi∑xiyi-∑yi∑xi
i=1
KKKK
2
(∑xi)-K∑xi
2
i=1
i=1
i=1Ki=1K
i=12
b=
∑x∑y
ii=1
i=1Ki=1
KK
i
-K∑xiyi
i=1K
2
K
(∑xi)2-K∑xi
i=1
计算a、b(利用表2数据)
∑X
i=110
K
i
=0.2+0.4+0.6+0.8+1.0+1.2+1.4+1.6+1.8+2.0=11
∑XV
i
i=1
i
=0.2*729+0.4*523+0.6*347+0.8*177+1.0*85+1.2*(-80.)+1.4*(-235)
+1.6*(-354)+1.8*(-465)+2.0*(-575)=-2188.6
∑V
i=110
10
i
=729+523+347+177+85-80-235-354-465-575=152
[1**********].2+0.4+0.6+0.8+1.0+1.2+1.4+1.6+1.8+2.0=15.4 X=∑i
2
i=1
11*(-2188.6)-152*15.4
≈800.47 2
11-10*15.411*152-10*(-2188.6)b=≈-713.88 2
11-11*15.4
即得V-X拟合曲线,V=-713.88*X+800.47 误差分析:
把X的值分别代入式V=-713.88*X+800.47,可得:
可得,a=
∆V1=71.306;∆V2=8.082;∆V3=-25.142;∆V4=-52.366;∆V5=-1.59 ;
∆V6=-23.814 ;∆V7=-36.038;∆V8=-12.262;∆V9=19.514;∆V10=52.29。 可得,线性度为
δL=
∆Vmax∆V171.306
⨯100%≈5.55% ⨯100%=⨯100%=
657.694-(-627.29)VFSV1-V10
2、归纳总结霍尔元件的误差主要有哪几种,各自的产生原因是什么,应怎样进行补偿。
答:(1)零位误差。零位误差由不等位电势所造成,产生不等位电势的主要原因是:两个霍尔电极没有安装在同一等位面上;材料不均匀造成电阻分布不均匀;
控制电极接触不良,造成电流分布不均匀。补偿方法是加一不等位电势补偿电路。
(2)温度误差。因为半导体对温度很敏感,因而其霍尔系数、电阻率、霍尔电势的输入、输出电阻等均随温度有明显的变化,导致了霍尔元件产生温度误差。补偿方法是采用恒流源供电和输入回路并联电阻。
华南师范大学实验报告
实验项目:直流激励时霍尔传感器位移特性实验
一、实验目的:
了解霍尔式传感器原理与应用。 二、基本原理:
金属或半导体薄片置于磁场中,当有电流流过时,在垂直于磁场和电流的方向上将产生电动势,这种物理现象称为霍尔效应。具有这种效应的元件成为霍尔元件,根据霍尔效应,霍尔电势UH=KHIB,当保持霍尔元件的控制电流恒定,而使霍尔元件在一个均匀梯度的磁场中沿水平方向移动,则输出的霍尔电动势为
UH kx,式中k—位移传感器的灵敏度。这样它就可以用来测量位移。霍尔电动势的极性表示了元件的方向。磁场梯度越大,灵敏度越高;磁场梯度越均匀,输出线性度就越好。 三、需用器件与单元:
霍尔传感器实验模板、霍尔传感器、±15V直流电源、测微头、数显单元。 四、实验步骤:
1、将霍尔传感器安装在霍尔传感器实验模块上,将传感器引线插头插入实验模板的插座中,实验板的连接线按图9-1进行。1、3为电源±5V,2、4为输出。
2、开启电源,调节测微头使霍尔片大致在磁铁中间位置,再调节Rw1使数显表指示为零。
图9-1 直流激励时霍尔传感器位移实验接线图
3、测微头往轴向方向推进,每转动0.2mm记下一个读数,直到读数近似不变,将读数填入表9-1。 表9-1
作出V-X曲线,计算不同线性范围时的灵敏度和非线性误差。 五、实验注意事项:
1、对传感器要轻拿轻放,绝不可掉到地上。
2、不要将霍尔传感器的激励电压错接成±15V,否则将可能烧毁霍尔元件。 六、思考题:
本实验中霍尔元件位移的线性度实际上反映的是什么量的变化?
答:本人认为应该是实际的输入、输出与拟合的理想的直线的偏离程度的变化,当X不同的时候,实际的输出值与根据拟合直线得到的数值的偏离值是不相同的。
七、实验报告要求:
1、整理实验数据,根据所得得实验数据做出传感器的特性曲线。 实验数据如下:
表9-2
根据上图和实验数据,在X∈[0.2,0.8]区间,霍尔传感器的灵敏度为:
729-177
=920;在X∈[1.2,2.0]区间,霍尔传感器的灵敏度为:
0.8-0.2-235+575k≈≈567。
1.4-2.0k≈
以上曲线本着出于方便,利用Excel软件直接生成的,下面将利用最小二乘法拟合更加符合实验数据处理的V-X曲线。
在这里,直接利用最小二乘法的结论:V=a+bX,其中
a=
∑xi∑xiyi-∑yi∑xi
i=1
KKKK
2
(∑xi)-K∑xi
2
i=1
i=1
i=1Ki=1K
i=12
b=
∑x∑y
ii=1
i=1Ki=1
KK
i
-K∑xiyi
i=1K
2
K
(∑xi)2-K∑xi
i=1
计算a、b(利用表2数据)
∑X
i=110
K
i
=0.2+0.4+0.6+0.8+1.0+1.2+1.4+1.6+1.8+2.0=11
∑XV
i
i=1
i
=0.2*729+0.4*523+0.6*347+0.8*177+1.0*85+1.2*(-80.)+1.4*(-235)
+1.6*(-354)+1.8*(-465)+2.0*(-575)=-2188.6
∑V
i=110
10
i
=729+523+347+177+85-80-235-354-465-575=152
[1**********].2+0.4+0.6+0.8+1.0+1.2+1.4+1.6+1.8+2.0=15.4 X=∑i
2
i=1
11*(-2188.6)-152*15.4
≈800.47 2
11-10*15.411*152-10*(-2188.6)b=≈-713.88 2
11-11*15.4
即得V-X拟合曲线,V=-713.88*X+800.47 误差分析:
把X的值分别代入式V=-713.88*X+800.47,可得:
可得,a=
∆V1=71.306;∆V2=8.082;∆V3=-25.142;∆V4=-52.366;∆V5=-1.59 ;
∆V6=-23.814 ;∆V7=-36.038;∆V8=-12.262;∆V9=19.514;∆V10=52.29。 可得,线性度为
δL=
∆Vmax∆V171.306
⨯100%≈5.55% ⨯100%=⨯100%=
657.694-(-627.29)VFSV1-V10
2、归纳总结霍尔元件的误差主要有哪几种,各自的产生原因是什么,应怎样进行补偿。
答:(1)零位误差。零位误差由不等位电势所造成,产生不等位电势的主要原因是:两个霍尔电极没有安装在同一等位面上;材料不均匀造成电阻分布不均匀;
控制电极接触不良,造成电流分布不均匀。补偿方法是加一不等位电势补偿电路。
(2)温度误差。因为半导体对温度很敏感,因而其霍尔系数、电阻率、霍尔电势的输入、输出电阻等均随温度有明显的变化,导致了霍尔元件产生温度误差。补偿方法是采用恒流源供电和输入回路并联电阻。