miernictwo wielko ci nieelektrycznych 2
Transkrypt
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