集成霍耳傳感器測(cè)磁場(chǎng)

1、實(shí)驗(yàn)E—9 集成霍耳傳感器測(cè)磁場(chǎng),常用磁場(chǎng)測(cè)量方法,近代 （一）電磁感應(yīng)法 1831年，法拉第發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)定律導(dǎo)致此方法產(chǎn)生，至今仍在應(yīng)用。 測(cè)量范圍：,（一）電磁感應(yīng)法,檢測(cè)線(xiàn)圈平移, 翻動(dòng)沖擊檢流計(jì)法 （參見(jiàn) P128)格拉索特磁通計(jì)電子磁通計(jì)V-F變換磁通計(jì),檢測(cè)線(xiàn)圈旋轉(zhuǎn), 振動(dòng) （發(fā)電機(jī)原理法） 1. 單線(xiàn)圈旋轉(zhuǎn) 2. 單線(xiàn)圈振動(dòng) 3. 雙

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

3、=eE , fL=eVBRH=±1/ne,,,,1959年第一個(gè)商品化的霍耳器件問(wèn)世，1960年就發(fā)展成近百種成為通用型的測(cè)量?jī)x器，測(cè)量范圍 的恒磁場(chǎng)或高頻 磁場(chǎng)，誤差 ，尤其適合小間隙空間 測(cè)量。,,整數(shù)量子霍耳效應(yīng) 1980年，德國(guó)物理學(xué)家馮?克利青觀(guān)察到在超強(qiáng)磁場(chǎng)（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(chǎng)變化的曲線(xiàn)上出現(xiàn)一系列量子化平臺(tái)，同時(shí)對(duì)應(yīng)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(xué)獎(jiǎng)。 量子霍耳電阻 RH=h/ie²(i=1,2,3……）,與樣品材料性質(zhì)無(wú)關(guān)。分?jǐn)?shù)量子霍耳效應(yīng) 1982年美籍華裔物理學(xué)家崔琦、美籍德裔物理學(xué)家施特默在樣品純度更高、磁場(chǎng)更強(qiáng)（20T）和溫度更低（0.1K）的極端條件下也觀(guān)察到橫向霍耳電阻呈現(xiàn)量子化平臺(tái)同時(shí)縱向電阻下降到零的現(xiàn)象，但

5、極為不同的是這些平臺(tái)對(duì)應(yīng)的不是整數(shù)值而是分?jǐn)?shù)值。美國(guó)物理學(xué)家勞夫林研究后指出這是一種新型的物質(zhì)形態(tài)（量子液體其激發(fā)態(tài)內(nèi)存在帶分?jǐn)?shù)電荷的準(zhǔn)粒子）和新的物理機(jī)制。三人因此共獲1998年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng) 。 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(yīng)用 (1)量子霍耳電阻作為電阻單位歐姆的自

6、然基準(zhǔn)。國(guó)際計(jì)量局（BIPM）在1988年正式將第一階RH平臺(tái)的電阻值定義為馮?克利青常數(shù)，符號(hào)Rk,并規(guī)定Rk-90=25812.807作為電阻單位的標(biāo)準(zhǔn)值。 (2)高精度獨(dú)立測(cè)定精細(xì)結(jié)構(gòu)常數(shù) 測(cè)定為 =137.0359902(85), 不確定度6.2*,（四）磁光效應(yīng)法,1845年，法拉第發(fā)現(xiàn)縱向磁致旋光效應(yīng)（透射法）； 此后，1876年克爾發(fā)現(xiàn)反射光偏振面旋轉(zhuǎn)即克爾效應(yīng)（反射法）。,（

7、五）磁膜測(cè)磁法,利用鐵磁薄膜的單軸各向異性。 特點(diǎn) ：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(shí)發(fā)明核磁共振技術(shù)，因此共獲1952年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。 這種方法測(cè)量準(zhǔn)確度可達(dá) ，非常適合磁場(chǎng)的精密測(cè)量，廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)。 電子順磁共振中，因電子的磁旋比 比質(zhì)子的大660倍

8、，可測(cè)極微弱的磁場(chǎng)。,（七）光泵法,1897年塞曼發(fā)現(xiàn)光線(xiàn)在磁場(chǎng)中分裂的現(xiàn)象（超精細(xì)結(jié)構(gòu)）即塞曼效應(yīng)，洛倫茲用經(jīng)典電子論作解釋?zhuān)⒁虼斯餐@得1902年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。光泵法基于塞曼效應(yīng)，它通過(guò)光抽運(yùn)使工作物質(zhì)基態(tài)亞能級(jí)原子數(shù)反轉(zhuǎn)，光吸收量減少，再用超精細(xì)結(jié)構(gòu)能級(jí)差的射頻場(chǎng)作用于它，使原子數(shù)回到原始狀態(tài)，光吸收量重新增加。測(cè)出此時(shí)的射頻頻率可測(cè)得磁場(chǎng)。,（八）超導(dǎo)量子干涉器件法（SQUID） 1962年，約瑟夫森提出兩個(gè)

9、弱耦合超導(dǎo)體構(gòu)成的約瑟夫森結(jié)存在超導(dǎo)隧道效應(yīng)。 由于兩超導(dǎo)體之間氧化絕緣層極薄（ ）兩側(cè)的超導(dǎo)電子對(duì)（庫(kù)柏對(duì)）對(duì)勢(shì)壘的穿透性使得結(jié)上無(wú)電壓降時(shí)超導(dǎo)電流仍能無(wú)電阻的通過(guò)絕緣層， 這稱(chēng)為直流約瑟夫森效應(yīng)。 如果超導(dǎo)電流 I > Ic , 結(jié)上出現(xiàn)電壓降且相位差隨時(shí)間變化，說(shuō)明出現(xiàn)一個(gè)交變電流，成為交流約瑟夫森效應(yīng)。

10、 用電感很小的包含兩個(gè)或一個(gè)約瑟夫森結(jié)的超導(dǎo)環(huán)可制成兩種不同的SQUID。 SQUID是迄今靈敏度最高的磁場(chǎng)測(cè)量?jī)x，分辨力可達(dá) T，可用于測(cè)量人體心臟和腦活動(dòng)產(chǎn)生的微小磁場(chǎng)變化。,集成霍耳傳感器測(cè)磁場(chǎng),（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(qiáng)度B關(guān)系式 Us=KsB+2.500(V) 表明 a、線(xiàn)性關(guān)系. 實(shí)際線(xiàn)性范圍-67—+67mT b、零點(diǎn)電壓Uso=2.500(V) c、靈敏度Ks 實(shí)際Ks=(31.3+1.3)V/T

12、 3、測(cè)量精度 線(xiàn)性誤差1% 溫度誤差<0.06%/°C,（二）正確安裝(接線(xiàn))、設(shè)置(調(diào)零和標(biāo)定或校準(zhǔn)) 1、儀器安裝(接線(xiàn)) a、V+:電壓源4.8-5.2,V- : 接地,Vout:數(shù)字電壓表+ b、由Us=KsB+2.500及Us-2.500=U=KsB, 可設(shè)置外補(bǔ)償電壓U/2 和單刀雙擲開(kāi)關(guān)k1 K1-3: 數(shù)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(cè)量取平均。 設(shè)U1=U+ >0，U2= -U+ <0, (U1+|U2|)/2=U 設(shè)置雙刀換向開(kāi)關(guān)K2 換向開(kāi)關(guān)K2（中）：恒流源； 換向開(kāi)關(guān)K2（上）：螺線(xiàn)管,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,Us,,,UH,K1,2,1,3,+

14、,-,1,2,3,V+,V-,Vout,SS495A,數(shù)字電壓表,4.8-5.2,地,2.4-2.6,,,,,,,,,,,螺線(xiàn)管,,,,,,,,,,,,,,,K2,-,+,恒流源,,穩(wěn)壓電源,2、傳感器調(diào)零 （令K2斷開(kāi)，Im=0,使B=0) a、調(diào)整工作電壓（調(diào)整4.8—5.2V) B=0, Uso=2.500(V) b、外補(bǔ)償（調(diào)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(shù)字電壓表,4.8-5.2,地,2.4-2.6,穩(wěn)壓電源,,,,,,,,,,,螺線(xiàn)管,,,,,,,,,,,,,,,K2,-,+,恒流源,,3、傳感器標(biāo)定或校準(zhǔn) 線(xiàn)性關(guān)系一般可采用兩點(diǎn)校準(zhǔn)（利用已知準(zhǔn)確值） 現(xiàn)利用螺線(xiàn)管中心點(diǎn)理論值由實(shí)驗(yàn)測(cè)量和線(xiàn)

16、性回歸處 理測(cè)定傳感器靈敏度Ks, 從而完成標(biāo)定。 Im從0~250mA 間隔25mA測(cè)一組（Im,Us） 注意：1、傳感器置于螺線(xiàn)管中心點(diǎn) 2、若B反向，則Im增加時(shí)Us反而減少，此時(shí) 將K2換向使B恢復(fù)正向。,（三）傳感器使用（測(cè)量） 測(cè)繪通電螺線(xiàn)管軸線(xiàn)上磁感強(qiáng)度分布曲線(xiàn)B~X圖 1、再次調(diào)整工作

17、電壓和補(bǔ)償電壓，確認(rèn)K2斷開(kāi)時(shí)， Uso=2.500V , Uo=0.0mV 2、合上K2, 調(diào)整勵(lì)磁電流Im=200mA 3、移動(dòng)霍爾傳感器從X=0.00cm(1.00cm）~30.00cm, 間隔1.00cm, 每位置上換向測(cè)量各1次，記錄U1和 U2(U1>0, U20.5mV

18、 即刻重新檢查和調(diào)整工作電壓和補(bǔ)償電壓使符合要求。,數(shù)據(jù)記錄與數(shù)據(jù)處理,（一）最小二乘法（一元線(xiàn)性回歸 ）計(jì)算Ks,（二）記錄與處理表格（自擬）,測(cè)定Ks的記錄處理表格中要求有 Im, Im², Us,Us²,ImUs各項(xiàng)及其平均值 注意:為準(zhǔn)確計(jì)算相關(guān)系數(shù)r, 各平均值宜多取幾位數(shù)字。,（三）作圖 在毫米方格紙上作出 B~X分布曲線(xiàn)，要求： a、標(biāo)上圖名、測(cè)試條件