集成霍耳傳感器測磁場

1、實驗E—9 集成霍耳傳感器測磁場,常用磁場測量方法,近代 （一）電磁感應法 1831年，法拉第發(fā)現(xiàn)電磁感應定律導致此方法產生，至今仍在應用。 測量范圍：,（一）電磁感應法,檢測線圈平移, 翻動沖擊檢流計法 （參見 P128)格拉索特磁通計電子磁通計V-F變換磁通計,檢測線圈旋轉, 振動 （發(fā)電機原理法） 1. 單線圈旋轉 2. 單線圈振動 3. 雙

2、線圈旋轉 4. 雙線圈振動,,（二）磁通門法,1930年出現(xiàn)利用磁性材料飽和特性的磁通門法，用于探礦，軍事，航天等領域，主要測10高斯以下弱磁場。,,,,,,,H,B,,,,,,,,,,,,,,T1,T2,（三）霍耳效應法,1879年，美國霍普金斯大學二年級研究生霍耳發(fā)現(xiàn)霍耳效應。,,,,,,I,,,B,,,fL,,fE,,b,,,,d,,v,,UH=RHIB/d,-,+,+,+,+,+,+,-,-,-,-,-,-,+,fE

3、=eE , fL=eVBRH=±1/ne,,,,1959年第一個商品化的霍耳器件問世，1960年就發(fā)展成近百種成為通用型的測量儀器，測量范圍 的恒磁場或高頻 磁場，誤差 ，尤其適合小間隙空間 測量。,,整數量子霍耳效應 1980年，德國物理學家馮?克利青觀察到在超強磁場（18T）和極低溫（1.5K）條件下二維電子氣系統(tǒng)中橫向霍耳電阻隨外

4、加磁場變化的曲線上出現(xiàn)一系列量子化平臺，同時對應的縱向電阻下降到零的現(xiàn)象。他因此發(fā)現(xiàn)獲1985年諾貝爾物理學獎。 量子霍耳電阻 RH=h/ie²(i=1,2,3……）,與樣品材料性質無關。分數量子霍耳效應 1982年美籍華裔物理學家崔琦、美籍德裔物理學家施特默在樣品純度更高、磁場更強（20T）和溫度更低（0.1K）的極端條件下也觀察到橫向霍耳電阻呈現(xiàn)量子化平臺同時縱向電阻下降到零的現(xiàn)象，但

5、極為不同的是這些平臺對應的不是整數值而是分數值。美國物理學家勞夫林研究后指出這是一種新型的物質形態(tài)（量子液體其激發(fā)態(tài)內存在帶分數電荷的準粒子）和新的物理機制。三人因此共獲1998年諾貝爾物理學獎 。 量子霍耳電阻 RH=h/ve²（v=1/3,2/3,4/3,5/3,1/5,2/5,3/5,4/5,7/5,8/5,2/7,3/7,4/7,5/2…）應用 (1)量子霍耳電阻作為電阻單位歐姆的自

6、然基準。國際計量局（BIPM）在1988年正式將第一階RH平臺的電阻值定義為馮?克利青常數，符號Rk,并規(guī)定Rk-90=25812.807作為電阻單位的標準值。 (2)高精度獨立測定精細結構常數 測定為 =137.0359902(85), 不確定度6.2*,（四）磁光效應法,1845年，法拉第發(fā)現(xiàn)縱向磁致旋光效應（透射法）； 此后，1876年克爾發(fā)現(xiàn)反射光偏振面旋轉即克爾效應（反射法）。,（

7、五）磁膜測磁法,利用鐵磁薄膜的單軸各向異性。 特點 ：結構簡單, 低噪聲, 低功耗。,（六）磁共振法(核磁共振，電子順磁共振）,1946年布洛赫和柏塞爾同時發(fā)明核磁共振技術，因此共獲1952年諾貝爾物理學獎。 這種方法測量準確度可達 ，非常適合磁場的精密測量，廣泛應用于生物醫(yī)學。 電子順磁共振中，因電子的磁旋比 比質子的大660倍

8、，可測極微弱的磁場。,（七）光泵法,1897年塞曼發(fā)現(xiàn)光線在磁場中分裂的現(xiàn)象（超精細結構）即塞曼效應，洛倫茲用經典電子論作解釋，并因此共同獲得1902年諾貝爾物理學獎。光泵法基于塞曼效應，它通過光抽運使工作物質基態(tài)亞能級原子數反轉，光吸收量減少，再用超精細結構能級差的射頻場作用于它，使原子數回到原始狀態(tài)，光吸收量重新增加。測出此時的射頻頻率可測得磁場。,（八）超導量子干涉器件法（SQUID） 1962年，約瑟夫森提出兩個

9、弱耦合超導體構成的約瑟夫森結存在超導隧道效應。 由于兩超導體之間氧化絕緣層極?。?）兩側的超導電子對（庫柏對）對勢壘的穿透性使得結上無電壓降時超導電流仍能無電阻的通過絕緣層， 這稱為直流約瑟夫森效應。 如果超導電流 I > Ic , 結上出現(xiàn)電壓降且相位差隨時間變化，說明出現(xiàn)一個交變電流，成為交流約瑟夫森效應。

10、 用電感很小的包含兩個或一個約瑟夫森結的超導環(huán)可制成兩種不同的SQUID。 SQUID是迄今靈敏度最高的磁場測量儀，分辨力可達 T，可用于測量人體心臟和腦活動產生的微小磁場變化。,集成霍耳傳感器測磁場,（一）了解SS495A集成元件基本性能 1、集成元件引腳：1- V+、2- V-、3- Vout 工作電壓：DC4.5-5.5V, 功耗

11、：5v*7ma 2、輸出電壓Us與磁感強度B關系式 Us=KsB+2.500(V) 表明 a、線性關系. 實際線性范圍-67—+67mT b、零點電壓Uso=2.500(V) c、靈敏度Ks 實際Ks=(31.3+1.3)V/T

12、 3、測量精度 線性誤差1% 溫度誤差<0.06%/°C,（二）正確安裝(接線)、設置(調零和標定或校準) 1、儀器安裝(接線) a、V+:電壓源4.8-5.2,V- : 接地,Vout:數字電壓表+ b、由Us=KsB+2.500及Us-2.500=U=KsB, 可設置外補償電壓U/2 和單刀雙擲開關k1 K1-3: 數字電壓表

13、—，K1-2: 電壓源2.4-2.6， k1-1: 接地 c、為消除系統(tǒng)誤差采用倒向測量取平均。 設U1=U+ >0，U2= -U+ <0, (U1+|U2|)/2=U 設置雙刀換向開關K2 換向開關K2（中）：恒流源； 換向開關K2（上）：螺線管,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,Us,,,UH,K1,2,1,3,+

14、,-,1,2,3,V+,V-,Vout,SS495A,數字電壓表,4.8-5.2,地,2.4-2.6,,,,,,,,,,,螺線管,,,,,,,,,,,,,,,K2,-,+,恒流源,,穩(wěn)壓電源,2、傳感器調零 （令K2斷開，Im=0,使B=0) a、調整工作電壓（調整4.8—5.2V) B=0, Uso=2.500(V) b、外補償（調整2.4—2.6V） B=0

15、, Uo=0.0(mV),,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,Us,,,UH,K1,2,1,3,+,-,1,2,3,V+,V-,Vout,SS495A,數字電壓表,4.8-5.2,地,2.4-2.6,穩(wěn)壓電源,,,,,,,,,,,螺線管,,,,,,,,,,,,,,,K2,-,+,恒流源,,3、傳感器標定或校準 線性關系一般可采用兩點校準（利用已知準確值） 現(xiàn)利用螺線管中心點理論值由實驗測量和線

16、性回歸處 理測定傳感器靈敏度Ks, 從而完成標定。 Im從0~250mA 間隔25mA測一組（Im,Us） 注意：1、傳感器置于螺線管中心點 2、若B反向，則Im增加時Us反而減少，此時 將K2換向使B恢復正向。,（三）傳感器使用（測量） 測繪通電螺線管軸線上磁感強度分布曲線B~X圖 1、再次調整工作

17、電壓和補償電壓，確認K2斷開時， Uso=2.500V , Uo=0.0mV 2、合上K2, 調整勵磁電流Im=200mA 3、移動霍爾傳感器從X=0.00cm(1.00cm）~30.00cm, 間隔1.00cm, 每位置上換向測量各1次，記錄U1和 U2(U1>0, U20.5mV

18、 即刻重新檢查和調整工作電壓和補償電壓使符合要求。,數據記錄與數據處理,（一）最小二乘法（一元線性回歸 ）計算Ks,（二）記錄與處理表格（自擬）,測定Ks的記錄處理表格中要求有 Im, Im², Us,Us²,ImUs各項及其平均值 注意:為準確計算相關系數r, 各平均值宜多取幾位數字。,（三）作圖 在毫米方格紙上作出 B~X分布曲線，要求： a、標上圖名、測試條件