miernictwo wielko ci nieelektrycznych 2

Białostocka
Politechnika
Wydział Elektryczny
Katedra Elektrotechniki Teoretycznej i Metrologii
Instrukcja do zaj
laboratoryjnych z przedmiotu
MIERNICTWO WIELKO CI
NIEELEKTRYCZNYCH 2
Kod przedmiotu:
F16208
Ćwiczenie pt.
POMIAR PRZESUNI
PRZY POMOCY
CZUJNIKA HALLOTRONOWEGO
Numer ćwiczenia
67
Autorzy:
dr inŜ. A. Gładyszewski
mgr inŜ. R. Bycul
Białystok 2007
1
Wprowadzenie
Zjawisko Halla odkryte w 1879 r. znalazło techniczne zastosowanie
dopiero w latach 1950-1960 [1], kiedy to opracowano technologię produkcji
materiałów półprzewodnikowych o duŜej ruchliwości nośników ładunku
elektrycznego (germanu, antymonku indu, arsenku indu i arsenofosforku indu),
w których zjawiska galwanomagnetyczne występują szczególnie intensywnie.
Zjawiska galwanomagnetyczne s to zjawiska powstaj ce w ka dym
materiale zawieraj cym poruszaj ce si no niki ładunku jako wynik
ł cznego oddziaływania pola elektrycznego i magnetycznego.
Działanie tych pól na pojedynczy ładunek opisuje wzór na siłę podany
przez Lorentza.
→
→→
→
→
F = q E + q ⋅ ( v × B)
gdzie:
→
F - siła działająca na ładunek
q - wartość tego ładunku (np. dla elektronu q = −e )
→
E - wektor natęŜenia pola elektrycznego
→
v - wektor prędkości ładunku
→
B - wektor indukcji pola magnetycznego
Pierwszy składniej z prawej strony powyŜszej zaleŜności ujmuje działanie
pola elektrycznego. Drugi składnik – w postaci iloczynu wektorowego –
charakteryzuje oddziaływanie pola magnetycznego.
Wynika z tego, Ŝe poruszające się ładunki są odchylane przez pole
magnetyczne w kierunku prostopadłym zarówno do wektora indukcji tego pola
jak i do wektora prędkości ładunku, a zmiana krzywizny toru odbywa się bez
strat energii.
Element półprzewodnikowy, którego działanie oparte jest na
powy szym zjawisku nazywany jest h a l l o t r o n e m .
Celem ćwiczenia jest zapoznanie studentów z moŜliwościami
zastosowania hallotronu do pomiaru szeregu wielkości nieelektrycznych.
2
Zjawisko Halla
Zjawisko Halla polega na powstawaniu w płytce wykonanej z półprzewodnika lub metalu – włączonej w obwód prądu elektrycznego i umieszczonej
w polu magnetycznym o kierunku prostopadłym do powierzchni płytki i
kierunku prądu – tzw. napi cia Halla o kierunku prostopadłym do kierunku
prądu i kierunku pola, co przedstawiono na rysunku 1.
B
d
IH
UH
Rys.1. Zasada działania hallotronu
Napięcie Halla UH określa zaleŜność (1)
UH =
RH
I H B = SI H B
d
(1)
gdzie:
RH - współczynnik Halla zaleŜny od materiału płytki, jego czystości i
temperatury, wyraŜony w metrach sześcienny na stopień Celsjusza (m3/C)
d – grubość płytki hallotronu wyraŜona w metrach (m)
IH – natęŜenie prądu zasilającego hallotron (prądu sterującego) wyraŜona w
amperach (A)
B – indukcja magnetyczna wyraŜona w teslach (T)
S = RH/d – czułośc hallotronu
Dla danej płytki hallotronu i określonej wartości prądu IH napięcie Halla
jest wprost proporcjonalne do indukcji B.
3
W zwykłym wykonaniu hallotron jest cienk płytk mono - lub
polikrystaliczną w postaci prostopadłościanu wykonanego z półprzewodnika
typu n. Płytka ma dwie pary elektrod: napi ciowa i pr dow . Elektrody
napięciowe, z których jest pobierane napi cie Halla są elektrodami
punktowymi, prądowe zaś, doprowadzające prąd do przetwornika, obejmują
całe boczne powierzchnie (patrz rys. 1). MoŜna wykonać przetwornik o bardzo
małych rozmiarach, np. 10 µm X 10 µm. Uzyskiwane napięcia UH wynoszą
kilka miliwoltów, dochodzą do setek miliwoltów i zaleŜą od wartości prądu
sterującego.
Na przykład dla wykonanej z antymonku indu (InSb) o grubo ci 0,1 mm,
przy indukcji B = 0,5 T i pr dzie IH = 100 mA, otrzymuje si UH = 100 mV.
Hallotrony cienkowarstwowe wykonane metodą naparowywania, mogą
mieć grubość ok. 2 ... 3 µm, znaczną czułość napięciową i małe prądy zasilania.
JeŜeli indukcja magnetyczna ma wartość stałą w czasie, to otrzymywane
napięcie Halla teŜ jest stałe. Gdy przynajmniej jedna z wielkości wejściowych
(indukcja lub prąd sterujący) jest przemienna, to napięcie wyjściowe jest
przemienne o takiej samej częstotliwości jak wielkość wejściowa. W przypadku
gdy zarówno indukcja jak i prąd sterujący mają taką samą częstotliwość i są
przesunięte w fazie o pewien kąt, napięcie wyjściowe zawiera składową stałą i
przemienną o podwojonej częstotliwości. Właściwość ta jest wykorzystywana w
przetwornikach mocy.
Hallotrony stosowane są głównie do pomiaru indukcji magnetycznej, ale
znajdują takŜe liczne zastosowania do pomiaru innych wielkości
nieelektrycznych, takich jak: prędkość obrotowa, kąt obrotu, czas, grubość
materiałów ferromagnetycznych lub niemagnetycznych na podłoŜu
magnetycznym, przesunięcie.
Zasada pomiaru przesunięć mechanicznych i związane z nimi pomiary
masy, siły, itd. Jest bardzo prosta. JeŜeli hallotron będzie przesuwany w
niejednorodnym polu magnetycznym o indukcji B, to napięcie Halla będzie
funkcją przesunięcia x, przy czym jeŜeli gradient indukcji,
dB
= const ,
dx
będzie stały, napięcie Halla UH będzie liniową funkcją przemieszczenia x:
UH = k ⋅ x
Na rysunku 2 pokazano jeden z układów, pozwalający na uzyskanie wysokich i
stałych gradientów rzędu 1 kT/m (kilotesli na metr).
4
Z
Y
X
N
S
S
N
b
Rys.2. Układ do otrzymywania duŜych gradientów indukcji
W szczelinie układu przesuwa się hallotron w kierunku osi x, od -∆x do +∆x.
Wartość napięcia Halla w lewym skrajnym połoŜeniu w stosunku do połoŜenia
środkowego wynosi,
U H1 = k ⋅ I H
− ∆x
∫ Bdx
0
W prawym skrajnym połoŜeniu, napięcie to wynosi,
UH2 = k ⋅ IH
+ ∆x
∫ Bdx
0
RóŜnica napięć Halla:
∆U H = U H 2 − U H 1 = k ⋅ I H
dB
∆x
dx
Tego typu przetworniki hallotronowe cechuje duŜa czułość, rzędu 1 V/mm
i moc w obwodzie napięciowym rzędu kilku miliwatów.
Na tej zasadzie zbudowano akcelerator i ciśnieniomierz, przyrząd do
badania drŜenia rąk, sejsmograf o czułości przekraczającej 100 razy czułość
sejsmografów tradycyjnych, itp.
NaleŜy zauwaŜyć, Ŝe pomiary przesunięć przy pomocy hallotronu są
dokonywane w sposób bezdotykowy, wobec czego z układu badanego nie jest
pobierana energia.
Przetworniki do przesunięć mechanicznych moŜna budować równieŜ na
nieco innej zasadzie, wykorzystując zniekształcenie pola magnetycznego pod
wpływem przesuwania w nim elementu wykonanego z materiału
ferromagnetycznego. Przetworniki takie mają szereg zalet konstrukcyjnych
(prosty układ magnetyczny, nieruchomy hallotron). Model takiego przetwornika
stosowany będzie w niniejszym ćwiczeniu.
5
2. Przebieg ćwiczenia
Pomiary wykonywane są w układzie, którego schemat przedstawia
rysunek 3.
E1
R2
mA
IP
R1
RW
I
U
IH
U
H
E2
U2
I
mV
UH
Rys. 3. Schemat ideowy układu pomiarowego
H – hallotron
IH – prąd Halla
UH – napięcie Halla
IP – prąd pomocniczy potrzebny do wytworzenia napięcia U2 kompensującego
napięcia Halla na początku pomiarów
RW – czterozaciskowy rezystor wzorcowy 10 Ω
R1 – rezystor dekadowy
R2 – rezystor dekadowy
mA – miliamperomierz typu LM-3 na zakresie 30 mA
mV – miliwoltomierz lampowy typu V616 na zakresie 10 mV
E1 = 3,6 V – akumulator
E2 = 2,4 V – akumulator
6
Przebieg pomiarów
1. Połącz układ według schematu z rysunku 3.
2. Nastaw pierwszą z trzech podanych nad Tablicami 1 – 3 wartość prądu IH
3. JeŜeli miliwoltomierz wskaŜe jakieś napięcie, sprowadzić je do zera,
regulując rezystancję R1, a tym samym prąd pomocniczy IP i napięcie U2
4. Zdejmij charakterystykę, ∆U H = f (∆x ) dla trzech róŜnych wartości prądu IH.
W tym celu, posługując się śrubą mikrometryczną, przemieszczaj w regularnych odstępach, wskazanych w Tablicach 1 – 3 blaszkę z materiału
ferromagnetycznego w polu magnesu trwałego.
5. Wyniki zapisać w Tablicach 1-3
Tablica 1
IH = 5 mA (lub inna wartość podana przez prowadzącego)
∆x mm 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0 5,5 6,0
∆UH mV
Tablica 2
IH = 10 mA (lub inna wartość podana przez prowadzącego)
∆x mm 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0 5,5 6,0
∆UH mV
Tablica 3
IH = 15 mA (lub inna wartość podana przez prowadzącego)
∆x mm 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0 5,5 6,0
∆UH mV
W sprawozdaniu nale y:
1. Sporządzić we wspólnym układzie współrzędnych prostokątnych wykresy
zaleŜności ∆U H = f (∆x ) .dla róŜnych wartości prądu IH.
2. Na podstawie wykresów określić, w jakim zakresie przemieszczeń blaszki
funkcja ∆U H = f (∆x ) jest liniowa.
3. Określić czułość przetwornika SH = ∆UH/∆x w stwierdzonym zakresie
liniowości.
7
3. Wymagania BHP
Warunkiem przystąpienia do praktycznej realizacji ćwiczenia jest
zapoznanie się z instrukcją BHP i instrukcją przeciw poŜarową oraz
przestrzeganie zasad w nich zawartych. Wybrane urządzenia dostępne na
stanowisku laboratoryjnym mogą posiadać instrukcje stanowiskowe. Przed
rozpoczęciem pracy naleŜy zapoznać się z instrukcjami stanowiskowymi
wskazanymi przez prowadzącego.
W trakcie zajęć laboratoryjnych naleŜy przestrzegać następujących zasad.
♦
♦
♦
♦
♦
♦
♦
♦
♦
♦
Sprawdzić, czy urządzenia dostępne na stanowisku laboratoryjnym są w
stanie kompletnym, nie wskazującym na fizyczne uszkodzenie.
Sprawdzić prawidłowość połączeń urządzeń.
Załączenie napięcia do układu pomiarowego moŜe się odbywać po
wyraŜeniu zgody przez prowadzącego.
Przyrządy pomiarowe naleŜy ustawić w sposób zapewniający stałą
obserwację, bez konieczności nachylania się nad innymi elementami
układu znajdującymi się pod napięciem.
Zabronione jest dokonywanie jakichkolwiek przełączeń oraz wymiana
elementów składowych stanowiska pod napięciem.
Zmiana konfiguracji stanowiska i połączeń w badanym układzie moŜe się
odbywać wyłącznie w porozumieniu z prowadzącym zajęcia.
W przypadku zaniku napięcia zasilającego naleŜy niezwłocznie wyłączyć
wszystkie urządzenia.
Stwierdzone wszelkie braki w wyposaŜeniu stanowiska oraz
nieprawidłowości w funkcjonowaniu sprzętu naleŜy przekazywać
prowadzącemu zajęcia.
Zabrania się samodzielnego włączania, manipulowania i korzystania z
urządzeń nie naleŜących do danego ćwiczenia.
W przypadku wystąpienia poraŜenia prądem elektrycznym naleŜy
niezwłocznie wyłączyć zasilanie stanowisk laboratoryjnych za pomocą
wyłącznika bezpieczeństwa, dostępnego na kaŜdej tablicy rozdzielczej w
laboratorium. Przed odłączeniem napięcia nie dotykać poraŜonego.
8
4. Pytania i zadania kontrolne
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Na czym polega zjawisko galwanomagnetyczne?
Na czym polega zjawisko Halla?
Co to jest hallotron?
Jakich materiałów uŜywa się do budowy hallotronów
Wyjaśnij role obydwu par zacisków hallotronu.
Wymień zastosowania hallotronu.
5. Literatura
1. Kobus A., Tuszyński J., Warsza Z. Technika hallotronowa, WNT, Warszawa
1980
2. Szumielewicz B., Słomski B., Styburski W. Pomiary elektryczne w technice,
WNT, Warszawa 1982
3. Chwaleba A., Czajewski J. Przetworniki pomiarowe wielko ci fizycznych,
Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa 1993.
9