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一種霍爾效應(yīng)法測(cè)量螺線管軸線磁感應(yīng)強(qiáng)度的實(shí)驗(yàn)裝置制造方法
【專利摘要】本實(shí)用新型提出了一種霍爾效應(yīng)法測(cè)量螺線管軸線磁感應(yīng)強(qiáng)度的實(shí)驗(yàn)裝置。它是在一螺線管軸線處設(shè)置一導(dǎo)軌，上面設(shè)置霍爾元件及直線電機(jī)，通過(guò)連接桿相連，直線電機(jī)與驅(qū)動(dòng)器相連，數(shù)控恒流源與螺線管及霍爾元件相連，主控制器與霍爾元件相連。設(shè)定霍爾元件的位置，通過(guò)直線電機(jī)帶動(dòng)霍爾元件移至該處，設(shè)定螺線管勵(lì)磁電流IM與霍爾元件驅(qū)動(dòng)電流IS的大小，按對(duì)稱測(cè)量法依次測(cè)量四組不同方向IM和IS時(shí)霍爾元件輸出電壓，可計(jì)算磁感應(yīng)強(qiáng)度。本實(shí)用新型定位準(zhǔn)確，可以方便地改變勵(lì)磁電流及驅(qū)動(dòng)電流的方向及大小，可精確控制測(cè)量時(shí)間，避免螺線管發(fā)熱，從而提高實(shí)驗(yàn)精度，保護(hù)實(shí)驗(yàn)裝置，采用霍爾元件驅(qū)動(dòng)電流檢測(cè)器件，可以避免電流過(guò)大燒毀霍爾元件。
【專利說(shuō)明】一種霍爾效應(yīng)法測(cè)量螺線管軸線磁感應(yīng)強(qiáng)度的實(shí)驗(yàn)裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及一種大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)裝置，具體是涉及一種霍爾效應(yīng)法測(cè)量螺線管軸線磁感應(yīng)強(qiáng)度的實(shí)驗(yàn)裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]霍爾效應(yīng)是指置于磁場(chǎng)中的載流體，如果電流方向與磁場(chǎng)方向垂直，則在垂直于電流和磁場(chǎng)的方向上會(huì)產(chǎn)生一附加的橫向電場(chǎng)，稱為霍爾電場(chǎng)，從而在載流體兩側(cè)會(huì)產(chǎn)生一電壓，這種電壓稱為霍爾電壓，這種現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)，因?yàn)檫@一現(xiàn)象最初是由霍普金斯大學(xué)研究生霍爾在1879年發(fā)現(xiàn)的。
[0003]霍爾效應(yīng)有很多用途。隨著半導(dǎo)體物理學(xué)的迅速發(fā)展，霍爾效應(yīng)已經(jīng)成為研究半導(dǎo)體材料的主要手段之一，通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)定半導(dǎo)體材料的霍爾系數(shù)及電導(dǎo)率，可以判斷其導(dǎo)電類(lèi)型，即N型半導(dǎo)體還是P型半導(dǎo)體，并且可以計(jì)算出載流子濃度及遷移率等重要參數(shù)。進(jìn)一步測(cè)量半導(dǎo)體材料的霍爾系數(shù)及電導(dǎo)率隨溫度變化的關(guān)系，還可以得到半導(dǎo)體材料的雜質(zhì)電離能及禁帶寬度等。另外，在工業(yè)、國(guó)防和科研中，例如粒子回旋加速器、受控?zé)岷朔磻?yīng)、同位素分離、地球資源探測(cè)、地震預(yù)測(cè)和磁性材料研究等方面，經(jīng)常要對(duì)磁場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量。測(cè)量磁場(chǎng)的方法很多，主要有沖擊電流計(jì)法、霍爾效應(yīng)法、核磁共振法和天平法等。其中霍爾效應(yīng)法具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、探頭體積小、測(cè)量快及可以直接連續(xù)讀數(shù)等優(yōu)點(diǎn)。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，利用霍爾效應(yīng)制成的霍爾器件，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、壽命長(zhǎng)、可靠性高、頻率響應(yīng)寬(高達(dá)IOGHz)，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于非電量測(cè)量、自動(dòng)檢測(cè)控制和信息處理等很多方面。
[0004]因此，霍爾效應(yīng)測(cè)磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)就成為大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中一個(gè)非常常見(jiàn)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。目前大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中，霍爾效應(yīng)實(shí)驗(yàn)一般是采取霍爾元件測(cè)量螺線管軸線磁感應(yīng)強(qiáng)度的分布。通常是在長(zhǎng)直螺線管中通以勵(lì)磁電流IM，使其內(nèi)部產(chǎn)生磁場(chǎng)，采用螺旋裝置通過(guò)標(biāo)尺改變霍爾元件在螺線管內(nèi)部軸線處的位置，測(cè)其在一定驅(qū)動(dòng)電流Is下的輸出霍爾電壓Vh，接下來(lái)根據(jù)公式Vh=KhIsB (其中Kh為霍爾元件靈敏度，為已知量)，就可計(jì)算出磁感應(yīng)強(qiáng)度B。不過(guò)在產(chǎn)生霍爾效應(yīng)的同時(shí)，因伴隨著多種副效應(yīng)，以致實(shí)驗(yàn)測(cè)得的霍爾元件的輸出電壓并不等于真實(shí)的霍爾電壓Vh，而是同時(shí)包含著各種副效應(yīng)引起的附加電壓。根據(jù)各種副效應(yīng)的產(chǎn)生機(jī)理，通常采用電流和磁場(chǎng)換向的對(duì)稱測(cè)量法，基本上可以將副效應(yīng)的影響從測(cè)量結(jié)果中消除。具體做法是保持Is和B(即Im)的大小不變，設(shè)定其正方向，依次測(cè)量下列四組不同方向Is和B組合，即(+Is，+B)、(+Is, -B)、(-1s, -B)及(_IS，+B)時(shí)霍爾元件的輸
出電壓，分別為'、\、V3及V4，然后代入公式可得Fw = ν^ν?^~νΛ。通過(guò)這種對(duì)稱測(cè)量
法求得的霍爾電壓Vh，雖然還存在個(gè)別無(wú)法消除的副效應(yīng)，但其引入的誤差甚小，可以忽略不計(jì)。
[0005]目前的實(shí)驗(yàn)裝置主要存在以下不足:
[0006]其一，采用螺旋裝置通過(guò)標(biāo)尺改變霍爾元件在螺線管內(nèi)部軸線處的位置，操作繁瑣，定位精度不高。[0007]其二，對(duì)稱測(cè)量法一般采用雙刀雙擲換向閘刀來(lái)實(shí)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)中每一位置都需要切換四次，操作單調(diào)重復(fù)，并且容易磨損接觸部件，影響實(shí)驗(yàn)精度。
[0008]其三，由于螺線管中的勵(lì)磁電流比較大，長(zhǎng)時(shí)間工作容易發(fā)熱，按要求測(cè)量時(shí)接通，測(cè)量完畢馬上斷開(kāi)，但學(xué)生實(shí)驗(yàn)中往往不注意，使螺線管一直工作，發(fā)熱甚至發(fā)燙，不僅影響實(shí)驗(yàn)效果而且容易對(duì)儀器造成損傷。
[0009]其四，螺線管中的勵(lì)磁電流比較大，霍爾元件中的驅(qū)動(dòng)電流比較小，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，如果學(xué)生誤將二者接錯(cuò)，則會(huì)燒毀霍爾元件。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]為了克服現(xiàn)有技術(shù)的上述不足，本實(shí)用新型提出一種新型霍爾效應(yīng)法測(cè)量螺線管軸線磁感應(yīng)強(qiáng)度的實(shí)驗(yàn)裝置，該裝置采用直線電機(jī)帶動(dòng)霍爾元件在螺線管中移動(dòng)，定位準(zhǔn)確方便，螺線管勵(lì)磁電流及霍爾元件驅(qū)動(dòng)電流采用數(shù)控恒流源來(lái)提供，可以方便地改變方向及大小，并且可以控制測(cè)量時(shí)間，避免螺線管發(fā)熱。
[0011]本實(shí)用新型解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是:在一螺線管軸線處設(shè)置一導(dǎo)軌，導(dǎo)軌一部分位于螺線管內(nèi)部，上面設(shè)置一霍爾元件，可以沿導(dǎo)軌自由移動(dòng)，另一部分位于螺線管外部，上面設(shè)置一直線電機(jī)，直線電機(jī)和霍爾元件之間通過(guò)連接桿相連，以帶動(dòng)霍爾元件沿導(dǎo)軌移動(dòng)，連接桿上設(shè)置一位移傳感器，用來(lái)確定霍爾元件在螺線管中的位置。直線電機(jī)與直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)器相連，直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)器及位移傳感器分別通過(guò)接口與主控制器相連，通過(guò)主控制器上的霍爾元件位移調(diào)節(jié)旋鈕可以設(shè)定霍爾元件在螺線管中的位置，測(cè)量時(shí)由主控制器通過(guò)直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)器控制直線電機(jī)運(yùn)動(dòng)，從而帶動(dòng)霍爾元件沿導(dǎo)軌移動(dòng)至設(shè)定位置處。數(shù)控恒流源通過(guò)接口與螺線管及霍爾元件相連，分別為其提供勵(lì)磁電流及驅(qū)動(dòng)電流，數(shù)控恒流源通過(guò)接口與主控制器相連，通過(guò)主控制器上的螺線管勵(lì)磁電流與霍爾元件驅(qū)動(dòng)電流切換按鍵及數(shù)控恒流源電流調(diào)節(jié)旋鈕，可以分別設(shè)定螺線管勵(lì)磁電流與霍爾元件驅(qū)動(dòng)電流的大小，并通過(guò)數(shù)控恒流源電流顯示屏顯示出來(lái)，具體為按鍵按下可設(shè)置螺線管勵(lì)磁電流的大小，按鍵彈起可設(shè)置霍爾元件驅(qū)動(dòng)電流的大小，測(cè)量時(shí)由主控制器可以使二者的方向按對(duì)稱測(cè)量法的要求依次改變，并且可以控制接通時(shí)間，避免螺線管長(zhǎng)時(shí)間通電發(fā)熱。霍爾元件驅(qū)動(dòng)電流檢測(cè)器件與主控制器相連，一旦電流過(guò)大，則自動(dòng)斷開(kāi)，避免霍爾元件燒毀。主控制器通過(guò)接口與霍爾元件相連，測(cè)量其輸出電壓，通過(guò)霍爾元件電壓切換查詢鍵可以依次顯示不同電流方向時(shí)的電壓。通過(guò)主控制器上的霍爾元件位移調(diào)節(jié)旋鈕設(shè)定霍爾元件在螺線管中的位置，由主控制器通過(guò)直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)器控制直線電機(jī)運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)霍爾元件移動(dòng)至設(shè)定位置處，通過(guò)主控制器上電流切換按鍵及數(shù)控恒流源電流調(diào)節(jié)旋鈕，分別設(shè)定螺線管勵(lì)磁電流與霍爾元件驅(qū)動(dòng)電流的大小，按下主控制器上的霍爾元件電壓測(cè)量啟動(dòng)按鍵，在主控制器作用下按對(duì)稱測(cè)量法的要求依次測(cè)量四組不同方向Is和B時(shí)的霍爾元件輸出電壓，進(jìn)而可計(jì)算出霍爾電壓及該位置的磁感應(yīng)強(qiáng)度。
[0012]本實(shí)用新型的有益效果是，采用直線電機(jī)定位準(zhǔn)確方便，采用數(shù)控恒流源可以方便地改變螺線管勵(lì)磁電流及霍爾元件驅(qū)動(dòng)電流的方向及大小，精確控制測(cè)量時(shí)間，避免螺線管發(fā)熱，從而提高實(shí)驗(yàn)精度，保護(hù)實(shí)驗(yàn)裝置，采用霍爾元件驅(qū)動(dòng)電流檢測(cè)器件，可以避免電流過(guò)大燒毀霍爾元件。【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0013]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)一步說(shuō)明。
[0014]附圖是本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0015]圖中1.霍爾元件，2.螺線管，3.連接桿，4.位移傳感器，5.直線電機(jī)，6.導(dǎo)軌，
7.直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，8.直線電機(jī)與驅(qū)動(dòng)器的接口一，9.直線電機(jī)與驅(qū)動(dòng)器的接口二，10-13.直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)器與主控制器之間的接口，14.主控制器與位移傳感器的接口一，15.主控制器與位移傳感器的接口二，16.主控制器與霍爾元件之間的電壓接口一，17.主控制器與霍爾元件之間的電壓接口二，18.數(shù)控恒流源與霍爾元件驅(qū)動(dòng)電流接口一，19.數(shù)控恒流源與霍爾元件驅(qū)動(dòng)電流接口二，20.霍爾元件驅(qū)動(dòng)電流檢測(cè)器件，21.主控制器與霍爾元件驅(qū)動(dòng)電流檢測(cè)器件之間的接口，22-25.主控制器與數(shù)控恒流源之間的接口，26.數(shù)控恒流源，27.數(shù)控恒流源與螺線管勵(lì)磁電流接口一，28.數(shù)控恒流源與螺線管勵(lì)磁電流接口二，29.數(shù)控恒流源電流調(diào)節(jié)旋鈕，30.螺線管勵(lì)磁電流與霍爾元件驅(qū)動(dòng)電流切換按鍵，31.數(shù)控恒流源電流顯示屏，32.霍爾元件電壓測(cè)量啟動(dòng)按鍵，33.霍爾元件電壓切換查詢鍵，34.霍爾元件電壓顯示屏，35.霍爾元件位移調(diào)節(jié)旋鈕，36.霍爾元件位移顯示屏，37.主控制器。
【具體實(shí)施方式】
[0016]圖中，在一螺線管2軸線處設(shè)置一導(dǎo)軌6，導(dǎo)軌6 —部分位于螺線管2內(nèi)部，上面設(shè)置一霍爾元件1，可以沿導(dǎo)軌6自由移動(dòng)，另一部分位于螺線管2外部，上面設(shè)置一直線電機(jī)5，直線電機(jī)5和霍爾元件I之間通過(guò)連接桿3相連，可帶動(dòng)霍爾元件I沿導(dǎo)軌6移動(dòng)，連接桿3上設(shè)置一位移傳感器4，用來(lái)確定霍爾元件I在螺線管2中的位置。直線電機(jī)5通過(guò)直線電機(jī)與驅(qū)動(dòng)器的接口一 8及直線電機(jī)與驅(qū)動(dòng)器的接口二 9與直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)器7相連，直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)器7通過(guò)直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)器與主控制器之間的接口 10-13與主控制器37相連，位移傳感器4通過(guò)主控制器與位移傳感器的接口一 14及主控制器與位移傳感器的接口二 15與主控制器37相連，用來(lái)檢測(cè)霍爾元件I的位置。主控制器37上的霍爾元件位移調(diào)節(jié)旋鈕35可以設(shè)定霍爾元件I在螺線管2中的位置，測(cè)量時(shí)由主控制器37通過(guò)直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)器7控制直線電機(jī)5運(yùn)動(dòng)，從而帶動(dòng)霍爾元件I沿導(dǎo)軌6移動(dòng)至設(shè)定位置處。數(shù)控恒流源26通過(guò)數(shù)控恒流源與霍爾元件驅(qū)動(dòng)電流接口一 18及數(shù)控恒流源與霍爾元件驅(qū)動(dòng)電流接口二 19與霍爾元件I相連，為其提供驅(qū)動(dòng)電流；數(shù)控恒流源26通過(guò)數(shù)控恒流源與螺線管勵(lì)磁電流接口一 27及數(shù)控恒流源與螺線管勵(lì)磁電流接口二 28與螺線管2相連，為其提供勵(lì)磁電流。數(shù)控恒流源26通過(guò)主控制器與數(shù)控恒流源之間的接口 22-25與主控制器37相連，通過(guò)主控制器37上的螺線管勵(lì)磁電流與霍爾元件驅(qū)動(dòng)電流切換按鍵30及數(shù)控恒流源電流調(diào)節(jié)旋鈕29，可以分別設(shè)定螺線管勵(lì)磁電流與霍爾元件驅(qū)動(dòng)電流的大小，并通過(guò)數(shù)控恒流源電流顯示屏31顯示出來(lái)，具體為按鍵按下可設(shè)置螺線管勵(lì)磁電流的大小，按鍵彈起可設(shè)置霍爾元件驅(qū)動(dòng)電流的大小，測(cè)量時(shí)由主控制器可以使二者的方向依次改變，并且可以控制接通時(shí)間，避免螺線管長(zhǎng)時(shí)間通電發(fā)熱。霍爾元件驅(qū)動(dòng)電流檢測(cè)器件20通過(guò)主控制器與霍爾元件驅(qū)動(dòng)電流檢測(cè)器件之間的接口 21與主控制器37相連，一旦電流過(guò)大，則自動(dòng)斷開(kāi)，避免霍爾元件I燒毀。主控制器37通過(guò)主控制器與霍爾元件之間的電壓接口一 16及主控制器與霍爾元件之間的電壓接口二 17與霍爾元件I相連，測(cè)量其輸出電壓，通過(guò)霍爾元件電壓切換查詢鍵33可以依次查詢不同電流方向時(shí)的電壓，并在霍爾元件電壓顯示屏34上顯示出來(lái)。
[0017]具體實(shí)驗(yàn)操作步驟為:
[0018](I)通過(guò)主控制器37上的霍爾元件位移調(diào)節(jié)旋鈕35設(shè)定霍爾元件I在螺線管2中的位置，比如最左端，由主控制器37通過(guò)直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)器7控制直線電機(jī)5運(yùn)動(dòng)，從而帶動(dòng)霍爾元件I沿導(dǎo)軌6移動(dòng)至設(shè)定位置處。
[0019](2)按下主控制器37上的螺線管勵(lì)磁電流與霍爾元件驅(qū)動(dòng)電流切換按鍵30，通過(guò)數(shù)控恒流源電流調(diào)節(jié)旋鈕29，設(shè)定螺線管勵(lì)磁電流Im的大小，并通過(guò)數(shù)控恒流源電流顯示屏31顯示出來(lái)；彈起主控制器37上的螺線管勵(lì)磁電流與霍爾元件驅(qū)動(dòng)電流切換按鍵30，通過(guò)數(shù)控恒流源電流調(diào)節(jié)旋鈕29，設(shè)定霍爾元件驅(qū)動(dòng)電流Is的大小，并通過(guò)數(shù)控恒流源電流顯示屏31顯示出來(lái)。
[0020](3)按下主控制器37上的霍爾元件電壓測(cè)量啟動(dòng)按鍵32，由主控制器37通過(guò)控制數(shù)控恒流源26，保持Is和B(即Im)的大小不變，設(shè)定其正方向，按對(duì)稱測(cè)量法的要求，依次測(cè)量下列四組不同方向Is和B組合，即(+Is，+B)、(+Is，-B)、(-1s，-B)及(-1s，+B)時(shí)霍爾元件的輸出電壓，分別為％、V2、V3及V4,并存貯起來(lái)，接下來(lái)再通過(guò)霍爾元件電壓切換查詢鍵33就可以查詢?cè)诓煌娏鞣较驎r(shí)Vp V2、V3及V4的值，并在霍爾元件電壓顯示屏34上顯示出來(lái)。
[0021](4)然后代入公式& = ^-F2+^3-^4，求出霍爾電壓Vh。
[0022](5)根據(jù)公式Vh=Kh IsB (其中Kh為霍爾元件靈敏度，為已知量)，計(jì)算出此處的磁感應(yīng)強(qiáng)度B。
[0023](6)依次改變霍爾元件I在螺線管2中的位置，求出對(duì)應(yīng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度B，就可繪制出螺線管軸線磁感應(yīng)強(qiáng)度的分布曲線。
[0024]以上對(duì)本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了闡述，但是本實(shí)用新型所介紹的實(shí)施例并沒(méi)有限制的意圖，在不背離本實(shí)用新型主旨的范圍內(nèi)，本實(shí)用新型可有多種變化和修改。
【權(quán)利要求】
1.一種霍爾效應(yīng)法測(cè)量螺線管軸線磁感應(yīng)強(qiáng)度的實(shí)驗(yàn)裝置，它包括一長(zhǎng)直螺線管，螺線管軸線處設(shè)置一導(dǎo)軌，上面設(shè)置霍爾元件及直線電機(jī)，通過(guò)連接桿相連，直線電機(jī)與驅(qū)動(dòng)器相連，數(shù)控恒流源與螺線管及霍爾元件相連，主控制器與霍爾元件相連，其特征是:主控制器上的霍爾元件位移調(diào)節(jié)旋鈕可以設(shè)定霍爾元件在螺線管中的位置，測(cè)量時(shí)由主控制器通過(guò)直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)器控制直線電機(jī)運(yùn)動(dòng)，從而帶動(dòng)霍爾元件沿導(dǎo)軌移動(dòng)至設(shè)定位置處。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的霍爾效應(yīng)法測(cè)量螺線管軸線磁感應(yīng)強(qiáng)度的實(shí)驗(yàn)裝置，其特征是:數(shù)控恒流源通過(guò)接口與螺線管及霍爾元件相連，分別為其提供勵(lì)磁電流及驅(qū)動(dòng)電流，數(shù)控恒流源通過(guò)接口與主控制器相連，通過(guò)主控制器上的螺線管勵(lì)磁電流與霍爾元件驅(qū)動(dòng)電流切換按鍵及數(shù)控恒流源電流調(diào)節(jié)旋鈕，可以分別設(shè)定螺線管勵(lì)磁電流與霍爾元件驅(qū)動(dòng)電流的大小，并通過(guò)數(shù)控恒流源電流顯示屏顯示出來(lái)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的霍爾效應(yīng)法測(cè)量螺線管軸線磁感應(yīng)強(qiáng)度的實(shí)驗(yàn)裝置，其特征是:測(cè)量時(shí)由主控制器可以使螺線管勵(lì)磁電流與霍爾元件驅(qū)動(dòng)電流的方向按對(duì)稱測(cè)量法的要求依次改變，并且可以控制接通時(shí)間，避免螺線管長(zhǎng)時(shí)間通電發(fā)熱。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的霍爾效應(yīng)法測(cè)量螺線管軸線磁感應(yīng)強(qiáng)度的實(shí)驗(yàn)裝置，其特征是:霍爾元件驅(qū)動(dòng)電流檢測(cè)器件與主控制器相連，一旦電流過(guò)大，則自動(dòng)斷開(kāi)，避免霍爾元件燒毀。
【文檔編號(hào)】G01R33/07GK203551757SQ201320642139
【公開(kāi)日】2014年4月16日 申請(qǐng)日期:2013年10月18日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月18日
【發(fā)明者】田凱, 劉申曉, 蔡曉艷, 薛春玲, 賈潔 申請(qǐng)人:黃河科技學(xué)院