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霍尔效应的应用
  • 发布日期:2016-08-30      浏览次数:1480

    • 一般而言,金属和电解质的霍尔系数很小,霍尔效应不;半导体的霍尔系数则大得多,霍尔效应。从20世纪60年代起,随着半导体材料和半导体工艺的飞速发展,人们发现用半导体材料制成的霍尔元件有对磁场敏感、结构简单、体积小、频率响应宽、输
      出电压变化大和使用寿命长等点,因此,将其应用于电磁测量、非电量测量、自动控制、计算与通讯装置中。
      3.1 测量半导体特性
          霍尔效应对于诸多半导体材料和温超导体的性质测量来说意义重大。设导体中电流方向如图1 所示,如果载流子带负电,它的运动方向和电流方向相反,作用在它上面的洛伦兹力向下,因此,导体上界面带正电,下界面带负电;如果载流子带正电,则导体上界面
      带负电而下界面带正电。由此可以看出,只要测得上下界面间霍尔电压的符号就可以确定载流子的符号。用这种方法就能够测定半导体究竟是P型还是N型。如果载流子已知,则通过测定霍尔系数K,还可算出导体中载流子的浓度n,进而得出载流子浓度受其客观因素影响的情况。如由Lake Shore公司推出的Lake Shore7500系统,配备为7500设计的IDEAS软件,操作简单、,可用于测量样品的电阻、电阻率、霍尔系数、霍尔迁移率、载波密度和电子特性,能够满足人们多方面的测量需要。
      3.2 测量磁场
          利用霍尔效应可以制造测量磁感应强度的仪器&mash;&mash;斯计。斯计的探头是一个霍尔元件,在它的里面是一个半导体薄片。依据(1)式,U可用毫伏计测量,K、I也可用相应的仪器测量,因此,就可以方便地算出B值。斯计的表盘是以磁感应强度标记的,只要把斯计插入待测磁场中,B便可以直接读出,非常方便。如果要求被测磁场精度较,如于± 0.5%,那么,通常选用砷化镓霍尔元件,其灵敏度,约为 5-10mt/100mt.mA,温度误差可以忽略不计;如果要求被测磁场精度较,体积要求不,如精度于± 0.5%时,则可选用硅和锗霍尔元件。
      3.3 磁流体发电
          从20世纪50年代末开始进行研究的磁流体发电技术,可能是今后取代火力发电的一个方向。其基本原理就是利用等离子体的霍尔效应,即在横向磁场作用下使通过磁场的等离子体正、负带电粒子分离后积聚于两个极板形成电源电动势。这种的发电方式,通过燃料燃烧发出的热能使变成等离子体流而转换成电能,无须像火力发电一样,先将燃料燃烧释放的热能转换成机械能以推动发电机轮转动,再把机械能转换成电能,这样在提了热能利用效率的同时,也满足了环保的要求。目前,这方面已经有工程,预计在 2010内可局部商业化,发展前景广阔。
      3.4 电磁无损探伤
          霍尔效应无损探伤方法、、实用,并能实现无速度影响检测,因此,被应用在设备故障诊断、材料缺陷检测之中。其探伤原理是建立在铁磁性材料的磁导率特性之上。采用霍尔元件检测该泄漏磁场B的信号变化,可以有效地检测出缺陷存在。钢丝绳作为起重、运输、提升及承载设备中的重要构件,被应用于矿山、运输、建筑、旅游等行业,但由于使用环境恶劣,在它表面会产生断丝、磨损等各种缺陷,所以,及时对钢丝绳探伤检测显得尤为重要。目前,外*的zui、*的方法就是漏磁检测方法,根据这一检测方法设计的断丝探伤检测装置,如 EMTC系列钢丝绳无损检测仪,其金属截面积测量精度为±0.2%,一个捻距内断丝有一根误判时准确率>90%,性能良好,在中有着的用途。
      3.5 霍尔传感器
          以霍尔效应原理构成的霍尔元件、霍尔集成电路、霍尔组件通称为霍尔效应磁敏传感器,简称霍尔传感器。利用霍尔电压与外加磁场成正比的线形关系可做成多种电学和非电学测量的线性传感器。如控制一定电流时,可以测量交、直流磁感应强度和磁场强度;控制电流电压的比例关系,令输出的霍尔电压与电压乘电流成比例,可制成功率测量传感器;当固定磁场强度大小及方向时,可以用来测量交直流电流和电压。利用这一原理还可以进一步测量力、位移、压差、角度、振动、转速、加速度等各种非电学量。霍尔传感器在日常生活和工业中应用。
      (1)在日常生活中的应用。在日常生活中,霍尔传感器大多应用于家用电器。如录音机的换向机构就是使用霍尔传感器检测磁带终点并完成自动换向功能的;录像机中的磁鼓电机常采用锑化铟霍尔元件;洗衣机中的电动机都必须有正、反转和、速旋转功能,
      主要依靠霍尔传感器检测与控制电动机的转速、转向来实现。霍尔开关类传感器还用于电饭煲、气炉的温度控制和电冰箱的除霜等方面。如 HK 系列霍尔接近开关可将磁讯号转换成数字电压输出,其特点是响应频率(fmax 50KHZ),重复定位精度(0.02mm),另外还有多种工作模式:常开、常闭、自锁、NPN输出、PNP输出等等。霍尔电机是一种无刷电机,利用转速变化信号控制霍尔电压信号变化,从而调节驱动电路驱动管中的工作电流,即调节电动机定子绕组电流,实现对电动机转速与稳速的控制,克服了一般带电刷或整流子直流电机不能达到转速稳、寿命长、噪声小的致命弱点,大量应用于影碟机、VCD等家用电器和仪表中。霍尔效应动感加上一些电子线路可制成器,带在老人或人员身上,当出现昏迷、跌倒情形时可发出声响,还可用来装在汽车或摩托车上,起到防盗目的。
      (2)在工业中的应用。的度自动化才能为企业带来率,产品来自过程的精度检测控制和超后序加工。在这些过程中,必须依靠传感器准确地收集各种运动量、机械量、电量、温度和湿度等信息,送计算机及时处理并指挥各执行元件进行
      严密控制。霍尔效应传感器在其中完成对各种物理量的检测。如HPT-3型霍尔式功率传感器能够实现真正的有功功率检测,有灵敏度、线性度好和响应速等点。研究表明,当电机负载率从0.1增加到1.15时,电流改变4.15%,功率因数改变29.3%,有功功率改变33.4%,在要求率的轴承磨床、内圆磨床中发挥着重要作用。霍尔式位移传感器的突出点是输出变化量大、灵敏度、分辨力强、轻、惯性小、反应速度,作动态位移测试。如以半导体材料砷化镓霍尔器件与性能稀土永磁材料构成的小位移传感器及其检测电路可分辨的zui小位移变化量可达0.1μm。在冶金、化工、超导体的应用以及能物理(如可控核聚变)试验装置中有许多超大型电流用电设备。用多霍尔探头制成的电流传感器进行大电流的测量和控制,既可满足测量准确的要求,又不会引起插入损耗,还免除了像使用罗果勘斯基线圈法中需用的昂贵测试装置。如使用DⅢ-D托卡马克中的霍尔电流传感器装置,可检测达到300kA的电流。
          汽车、工业控制或系统需要感受位置、速度、电流时,霍尔元件的性、灵敏度和更好的温度稳定性使它有比其它传感器更好的性能。霍尔式汽车点火器与传统点火器不同,有点火能量、速点火、故障率、省油等点。霍尔效应式速度和里程测试仪可以测量汽车的行驶速度及里程。如在富康1.4iRL和1.6iAL系列轿车中安装BOSCH MP5.2电子控制多点燃汽油喷射系统的TU3JP/K(1.4iRL系列)和TU5JP/K(1.6iAL系列)发动机,其中轮速传感器为霍尔效应式传感器。霍尔轮速传感器有以下点:一是输出信号电压幅值不受转速的影响;二是频率响应,可达 20kHZ,相当于车速为 1,000km/h时所检测的信号频率;三是抗电磁波干扰能力强。因此,霍尔传感器不但应用于S轮速检测,也应用于其控制系统的转速检测。此外,霍尔传感器在飞机、军舰、航天器、新军事装备及通讯中应用也相当。如我国的远程DAODAN、&lquo;风云&rquo;号卫星、&lquo;神舟&rquo;号飞船等均使用特别研制的霍尔传感器。