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一種霍爾效應法測量螺線管軸線磁感應強度的實驗裝置制造方法
【專利摘要】本實用新型提出了一種霍爾效應法測量螺線管軸線磁感應強度的實驗裝置。它是在一螺線管軸線處設(shè)置一導軌，上面設(shè)置霍爾元件及直線電機，通過連接桿相連，直線電機與驅(qū)動器相連，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，通過直線電機帶動霍爾元件移至該處，設(shè)定螺線管勵磁電流IM與霍爾元件驅(qū)動電流IS的大小，按對稱測量法依次測量四組不同方向IM和IS時霍爾元件輸出電壓，可計算磁感應強度。本實用新型定位準確，可以方便地改變勵磁電流及驅(qū)動電流的方向及大小，可精確控制測量時間，避免螺線管發(fā)熱，從而提高實驗精度，保護實驗裝置，采用霍爾元件驅(qū)動電流檢測器件，可以避免電流過大燒毀霍爾元件。
【專利說明】一種霍爾效應法測量螺線管軸線磁感應強度的實驗裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型涉及一種大學物理實驗裝置，具體是涉及一種霍爾效應法測量螺線管軸線磁感應強度的實驗裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]霍爾效應是指置于磁場中的載流體，如果電流方向與磁場方向垂直，則在垂直于電流和磁場的方向上會產(chǎn)生一附加的橫向電場，稱為霍爾電場，從而在載流體兩側(cè)會產(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，因為這一現(xiàn)象最初是由霍普金斯大學研究生霍爾在1879年發(fā)現(xiàn)的。
[0003]霍爾效應有很多用途。隨著半導體物理學的迅速發(fā)展，霍爾效應已經(jīng)成為研究半導體材料的主要手段之一，通過實驗測定半導體材料的霍爾系數(shù)及電導率，可以判斷其導電類型，即N型半導體還是P型半導體，并且可以計算出載流子濃度及遷移率等重要參數(shù)。進一步測量半導體材料的霍爾系數(shù)及電導率隨溫度變化的關(guān)系，還可以得到半導體材料的雜質(zhì)電離能及禁帶寬度等。另外，在工業(yè)、國防和科研中，例如粒子回旋加速器、受控熱核反應、同位素分離、地球資源探測、地震預測和磁性材料研究等方面，經(jīng)常要對磁場進行測量。測量磁場的方法很多，主要有沖擊電流計法、霍爾效應法、核磁共振法和天平法等。其中霍爾效應法具有結(jié)構(gòu)簡單、探頭體積小、測量快及可以直接連續(xù)讀數(shù)等優(yōu)點。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，利用霍爾效應制成的霍爾器件，結(jié)構(gòu)簡單、壽命長、可靠性高、頻率響應寬(高達IOGHz)，已經(jīng)廣泛應用于非電量測量、自動檢測控制和信息處理等很多方面。
[0004]因此，霍爾效應測磁場實驗就成為大學物理實驗中一個非常常見的實驗項目。目前大學物理實驗中，霍爾效應實驗一般是采取霍爾元件測量螺線管軸線磁感應強度的分布。通常是在長直螺線管中通以勵磁電流IM，使其內(nèi)部產(chǎn)生磁場，采用螺旋裝置通過標尺改變霍爾元件在螺線管內(nèi)部軸線處的位置，測其在一定驅(qū)動電流Is下的輸出霍爾電壓Vh，接下來根據(jù)公式Vh=KhIsB (其中Kh為霍爾元件靈敏度，為已知量)，就可計算出磁感應強度B。不過在產(chǎn)生霍爾效應的同時，因伴隨著多種副效應，以致實驗測得的霍爾元件的輸出電壓并不等于真實的霍爾電壓Vh，而是同時包含著各種副效應引起的附加電壓。根據(jù)各種副效應的產(chǎn)生機理，通常采用電流和磁場換向的對稱測量法，基本上可以將副效應的影響從測量結(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。通過這種對稱測量
法求得的霍爾電壓Vh，雖然還存在個別無法消除的副效應，但其引入的誤差甚小，可以忽略不計。
[0005]目前的實驗裝置主要存在以下不足:
[0006]其一，采用螺旋裝置通過標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，對稱測量法一般采用雙刀雙擲換向閘刀來實現(xiàn)，實驗中每一位置都需要切換四次，操作單調(diào)重復，并且容易磨損接觸部件，影響實驗精度。
[0008]其三，由于螺線管中的勵磁電流比較大，長時間工作容易發(fā)熱，按要求測量時接通，測量完畢馬上斷開，但學生實驗中往往不注意，使螺線管一直工作，發(fā)熱甚至發(fā)燙，不僅影響實驗效果而且容易對儀器造成損傷。
[0009]其四，螺線管中的勵磁電流比較大，霍爾元件中的驅(qū)動電流比較小，實驗過程中，如果學生誤將二者接錯，則會燒毀霍爾元件。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]為了克服現(xiàn)有技術(shù)的上述不足，本實用新型提出一種新型霍爾效應法測量螺線管軸線磁感應強度的實驗裝置，該裝置采用直線電機帶動霍爾元件在螺線管中移動，定位準確方便，螺線管勵磁電流及霍爾元件驅(qū)動電流采用數(shù)控恒流源來提供，可以方便地改變方向及大小，并且可以控制測量時間，避免螺線管發(fā)熱。
[0011]本實用新型解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是:在一螺線管軸線處設(shè)置一導軌，導軌一部分位于螺線管內(nèi)部，上面設(shè)置一霍爾元件，可以沿導軌自由移動，另一部分位于螺線管外部，上面設(shè)置一直線電機，直線電機和霍爾元件之間通過連接桿相連，以帶動霍爾元件沿導軌移動，連接桿上設(shè)置一位移傳感器，用來確定霍爾元件在螺線管中的位置。直線電機與直線電機驅(qū)動器相連，直線電機驅(qū)動器及位移傳感器分別通過接口與主控制器相連，通過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，測量時由主控制器通過直線電機驅(qū)動器控制直線電機運動，從而帶動霍爾元件沿導軌移動至設(shè)定位置處。數(shù)控恒流源通過接口與螺線管及霍爾元件相連，分別為其提供勵磁電流及驅(qū)動電流，數(shù)控恒流源通過接口與主控制器相連，通過主控制器上的螺線管勵磁電流與霍爾元件驅(qū)動電流切換按鍵及數(shù)控恒流源電流調(diào)節(jié)旋鈕，可以分別設(shè)定螺線管勵磁電流與霍爾元件驅(qū)動電流的大小，并通過數(shù)控恒流源電流顯示屏顯示出來，具體為按鍵按下可設(shè)置螺線管勵磁電流的大小，按鍵彈起可設(shè)置霍爾元件驅(qū)動電流的大小，測量時由主控制器可以使二者的方向按對稱測量法的要求依次改變，并且可以控制接通時間，避免螺線管長時間通電發(fā)熱?；魻栐?qū)動電流檢測器件與主控制器相連，一旦電流過大，則自動斷開，避免霍爾元件燒毀。主控制器通過接口與霍爾元件相連，測量其輸出電壓，通過霍爾元件電壓切換查詢鍵可以依次顯示不同電流方向時的電壓。通過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，由主控制器通過直線電機驅(qū)動器控制直線電機運動，帶動霍爾元件移動至設(shè)定位置處，通過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)定螺線管勵磁電流與霍爾元件驅(qū)動電流的大小，按下主控制器上的霍爾元件電壓測量啟動按鍵，在主控制器作用下按對稱測量法的要求依次測量四組不同方向Is和B時的霍爾元件輸出電壓，進而可計算出霍爾電壓及該位置的磁感應強度。
[0012]本實用新型的有益效果是，采用直線電機定位準確方便，采用數(shù)控恒流源可以方便地改變螺線管勵磁電流及霍爾元件驅(qū)動電流的方向及大小，精確控制測量時間，避免螺線管發(fā)熱，從而提高實驗精度，保護實驗裝置，采用霍爾元件驅(qū)動電流檢測器件，可以避免電流過大燒毀霍爾元件?！緦＠綀D】

【附圖說明】
[0013]下面結(jié)合附圖和實施例對本實用新型進一步說明。
[0014]附圖是本實用新型的結(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，6.導軌，
7.直線電機驅(qū)動器，8.直線電機與驅(qū)動器的接口一，9.直線電機與驅(qū)動器的接口二，10-13.直線電機驅(qū)動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)動電流接口一，19.數(shù)控恒流源與霍爾元件驅(qū)動電流接口二，20.霍爾元件驅(qū)動電流檢測器件，21.主控制器與霍爾元件驅(qū)動電流檢測器件之間的接口，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磁電流接口一，28.數(shù)控恒流源與螺線管勵磁電流接口二，29.數(shù)控恒流源電流調(diào)節(jié)旋鈕，30.螺線管勵磁電流與霍爾元件驅(qū)動電流切換按鍵，31.數(shù)控恒流源電流顯示屏，32.霍爾元件電壓測量啟動按鍵，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。
【具體實施方式】
[0016]圖中，在一螺線管2軸線處設(shè)置一導軌6，導軌6 —部分位于螺線管2內(nèi)部，上面設(shè)置一霍爾元件1，可以沿導軌6自由移動，另一部分位于螺線管2外部，上面設(shè)置一直線電機5，直線電機5和霍爾元件I之間通過連接桿3相連，可帶動霍爾元件I沿導軌6移動，連接桿3上設(shè)置一位移傳感器4，用來確定霍爾元件I在螺線管2中的位置。直線電機5通過直線電機與驅(qū)動器的接口一 8及直線電機與驅(qū)動器的接口二 9與直線電機驅(qū)動器7相連，直線電機驅(qū)動器7通過直線電機驅(qū)動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，用來檢測霍爾元件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，測量時由主控制器37通過直線電機驅(qū)動器7控制直線電機5運動，從而帶動霍爾元件I沿導軌6移動至設(shè)定位置處。數(shù)控恒流源26通過數(shù)控恒流源與霍爾元件驅(qū)動電流接口一 18及數(shù)控恒流源與霍爾元件驅(qū)動電流接口二 19與霍爾元件I相連，為其提供驅(qū)動電流；數(shù)控恒流源26通過數(shù)控恒流源與螺線管勵磁電流接口一 27及數(shù)控恒流源與螺線管勵磁電流接口二 28與螺線管2相連，為其提供勵磁電流。數(shù)控恒流源26通過主控制器與數(shù)控恒流源之間的接口 22-25與主控制器37相連，通過主控制器37上的螺線管勵磁電流與霍爾元件驅(qū)動電流切換按鍵30及數(shù)控恒流源電流調(diào)節(jié)旋鈕29，可以分別設(shè)定螺線管勵磁電流與霍爾元件驅(qū)動電流的大小，并通過數(shù)控恒流源電流顯示屏31顯示出來，具體為按鍵按下可設(shè)置螺線管勵磁電流的大小，按鍵彈起可設(shè)置霍爾元件驅(qū)動電流的大小，測量時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間，避免螺線管長時間通電發(fā)熱?；魻栐?qū)動電流檢測器件20通過主控制器與霍爾元件驅(qū)動電流檢測器件之間的接口 21與主控制器37相連，一旦電流過大，則自動斷開，避免霍爾元件I燒毀。主控制器37通過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，測量其輸出電壓，通過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的電壓，并在霍爾元件電壓顯示屏34上顯示出來。
[0017]具體實驗操作步驟為:
[0018](I)通過主控制器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通過直線電機驅(qū)動器7控制直線電機5運動，從而帶動霍爾元件I沿導軌6移動至設(shè)定位置處。
[0019](2)按下主控制器37上的螺線管勵磁電流與霍爾元件驅(qū)動電流切換按鍵30，通過數(shù)控恒流源電流調(diào)節(jié)旋鈕29，設(shè)定螺線管勵磁電流Im的大小，并通過數(shù)控恒流源電流顯示屏31顯示出來；彈起主控制器37上的螺線管勵磁電流與霍爾元件驅(qū)動電流切換按鍵30，通過數(shù)控恒流源電流調(diào)節(jié)旋鈕29，設(shè)定霍爾元件驅(qū)動電流Is的大小，并通過數(shù)控恒流源電流顯示屏31顯示出來。
[0020](3)按下主控制器37上的霍爾元件電壓測量啟動按鍵32，由主控制器37通過控制數(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，按對稱測量法的要求，依次測量下列四組不同方向Is和B組合，即(+Is，+B)、(+Is，-B)、(-1s，-B)及(-1s，+B)時霍爾元件的輸出電壓，分別為％、V2、V3及V4,并存貯起來，接下來再通過霍爾元件電壓切換查詢鍵33就可以查詢在不同電流方向時Vp V2、V3及V4的值，并在霍爾元件電壓顯示屏34上顯示出來。
[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)，計算出此處的磁感應強度B。
[0023](6)依次改變霍爾元件I在螺線管2中的位置，求出對應的磁感應強度B，就可繪制出螺線管軸線磁感應強度的分布曲線。
[0024]以上對本實用新型的結(jié)構(gòu)進行了闡述，但是本實用新型所介紹的實施例并沒有限制的意圖，在不背離本實用新型主旨的范圍內(nèi)，本實用新型可有多種變化和修改。
【權(quán)利要求】
1.一種霍爾效應法測量螺線管軸線磁感應強度的實驗裝置，它包括一長直螺線管，螺線管軸線處設(shè)置一導軌，上面設(shè)置霍爾元件及直線電機，通過連接桿相連，直線電機與驅(qū)動器相連，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，測量時由主控制器通過直線電機驅(qū)動器控制直線電機運動，從而帶動霍爾元件沿導軌移動至設(shè)定位置處。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的霍爾效應法測量螺線管軸線磁感應強度的實驗裝置，其特征是:數(shù)控恒流源通過接口與螺線管及霍爾元件相連，分別為其提供勵磁電流及驅(qū)動電流，數(shù)控恒流源通過接口與主控制器相連，通過主控制器上的螺線管勵磁電流與霍爾元件驅(qū)動電流切換按鍵及數(shù)控恒流源電流調(diào)節(jié)旋鈕，可以分別設(shè)定螺線管勵磁電流與霍爾元件驅(qū)動電流的大小，并通過數(shù)控恒流源電流顯示屏顯示出來。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的霍爾效應法測量螺線管軸線磁感應強度的實驗裝置，其特征是:測量時由主控制器可以使螺線管勵磁電流與霍爾元件驅(qū)動電流的方向按對稱測量法的要求依次改變，并且可以控制接通時間，避免螺線管長時間通電發(fā)熱。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的霍爾效應法測量螺線管軸線磁感應強度的實驗裝置，其特征是:霍爾元件驅(qū)動電流檢測器件與主控制器相連，一旦電流過大，則自動斷開，避免霍爾元件燒毀。
【文檔編號】G01R33/07GK203551757SQ201320642139
【公開日】2014年4月16日 申請日期: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 申請人:黃河科技學院