FD-ICH-II螺线管磁场测定仪说明书要点.pdf

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1、FD-ICH-II 新型螺线管磁场测定仪 说 明 书 上海复旦天欣科教仪器有限公司 中国上海 1 FD-ICH-II 新型螺线管磁场测定仪 一、概述 用霍耳元件测量通电螺线管内的磁场分布是高校理工科物理实 验教学大纲中的一个重要实验。FD-ICH-II 新型螺线管磁场测定仪是 在复旦大学物理实验教学中心的指导和帮助下，设计的新型教学仪 器，该仪器采用先进的集成线性霍耳元件测量通电螺线管内067mT 范围的弱磁场，解决了一般霍耳元件存在的灵敏度低，剩余电压干扰 及螺线管温升引起输出不稳定等不足，因而能精确测量通电螺线管磁 场分布，了解和掌握集成线性霍耳元件测量磁场的原理和方法以及学 会测量霍耳元

2、件灵敏度的方法。考虑到教学实验仪器经久耐用的需 要，本仪器电源和传感器还有保护装置。本仪器物理内容丰富、结构 设计合理、装置牢靠、直观性强、数据稳定可靠，是高校物理实验的 优质教学仪器。可用于高校、中专等学生的基础物理实验及?传感器 原理?课程的传感器实验，以及课堂演示实验。 二、用途 主要用于高校物理实验，可做实验有： 1、验证霍耳传感器输出电势差与螺线管内磁感应强度成正比。 2、测量集成线性霍耳传感器的灵敏度。 3、测量螺线管内磁感应强度与位置之间的关系，求得螺线管均匀 磁场范围及边缘的磁感应强度。 4、学习补偿原理在磁场测量中的应用。 5、测量地磁场的水平分量。 2 三、仪器外形连线图

3、FD- ICH - II新型螺线管磁场测定仪电 源 mA V mV ON 励磁恒流输出 +- 电压输入 +- 2.4V2.6V4.8V5.2V 上海复旦天欣科教仪器有限公司 K2 2 0 V OUT 1 V+ V_ K1 集成霍耳元件 1 2 3 数字电流表数字电压表 位置读数 图 1 FD-ICH-II 新型螺线管磁场测定仪 四、技术性能 1、95A型集成霍耳传感器 工作电压：DC 5.00V 磁场测量范围：-67mT - +67mT 在 0T时，零点电压：2.5000.075V 功耗( 在 DC 5V时)：7mW 灵敏度：31.31.3V/T 线误差：10.0cm。 3、电源组和数字电压表

4、 数字恒流 ( 直流)源： 0 0.5A 输出电流 (配三位半数字式表量程00.5A， 分辨率 1mA) 直 流 稳 压 电 源 (95A型 集 成 霍 耳 传 感 器 工 作 电 源 ) ： 4.750V5.250V( 精细微调 ) 直流稳压电源 ( 作补偿作用 )： 2.400V2.600V( 精细微调 ) 四位半数字电压表： 019.999V，分辨率 1mV和 01999.9mV ，分辨率 0.1mV (两档) 五、使用说明 1、FD-ICH-II 新型螺线管磁场测定仪 -电源(以下简称实验电源 )， 供电电压交流 220V，50HZ。电源插座位于机箱后面。新型电源插 座内装 0.5A

5、保险丝，可方便保险丝的更换。 2、实验电源分三个部分 (如上图1 所示) ，面板左面为数字式直流 稳流源，用精密多圈电位器调节输出电流的大小，调节精度 1mA ， 电流大小由三位半数字电流表显示；面板右边为四位半电压表， 黑色拨动开关切换量程019.999V 和 0-1999.9mV。面板中间为 直流稳压电源 , 对应输出接线柱上方是调节输出电压电位器(顺 4 时针调节电压增加 ) 。 3、实验时 (直读法 ) 按示意图连线。左面数字直流稳流源的励磁 恒流输出端接电流换向开关，然后接螺线管的线圈接线柱。右 面稳压电源 4.8V5.2V 的输出接线柱 (红)接霍耳元件的 V( 即引 脚 2红色导

6、线 ) ，直流稳压电源的(黑) 接线柱接霍耳元件的 V(即引脚 3黑色导线 )，霍耳元件的 VOUT（引脚 1黄色导线） 接右边电压表电压输入的( 红)接线柱，电压表的 (黑)接 线柱与直流稳压源的( 黑)接线相连。电压表切换到 V档(即拨动 开关向上拨 ) 4、检查接线无误后接通电源，断开电流换向开关，集成霍耳传感 器放在螺线管的中间位置(X=17.0cm 处) ，调节中间直流电源 4.8V5.2V 的输出旋钮，使右边数字电压表显示2.500V。 5、接通电流换向开关，调节左面数字直流源的输出端( 红) 接线柱 右面旋钮，改变螺线管线圈电流的大小或调节霍耳元件在螺线管 中的位置记录数据 (

7、实验中一般改变一个条件后测量结果)。 六、注意事项 1、集成霍耳元件的V和 V不能接反，否则将损坏元件。 2、拆除接线前应先将螺线管工作电流调至零，再关闭电源。以防 止电感电流突变引起高电压。 3、仪器应预热 10 分钟后测量数据。 5 附实验讲义和实验数据 FD-ICH-II 新型螺线管磁场测定仪 一、前言 本实验仪用集成霍耳传感器测量通电螺线管内直流电流与霍耳 传感器输出电压之间关系，证明霍耳电势差与螺线管内磁感应强度成 正比，了解和熟悉霍耳效应的重要物理规律；用通电长直螺线管中心 点磁感应强度理论计算值作为标准值来校准集成霍耳传感器的灵敏 度；熟悉集成霍耳传感器的特性和应用；用该集成霍耳

8、传感器测量通 电螺线管内的磁感应强度与位置刻度之间的关系，作磁感应强度与位 置的关系图。从而学会用集成霍耳元件测量磁感应强度的方法。 二、实验原理 霍耳元件的作用（如右图 2 所示） ： 若电流 I 流过厚度为 d 的半导体薄片， 且磁场 B垂直于该半导体，是电子流方 向由洛伦茨力作用而发生改变， 在薄片 两个横向面 a、b 之间应产生电势差，图 2 霍耳元件 这种现象称为霍耳效应。在与电流I 、磁场 B 垂直方向上产生的电势 差称为霍耳电势差，通常用UH表示。霍耳效应的数学表达式为： IBKIB d R U H H H )( (1) 其中 RH是由半导体本身电子迁移率决定的物理常数，称为霍耳

9、系 数。B为磁感应强度， I 为流过霍耳元件的电流强度， KH称为霍耳元件 d - UH b B a V fE fB I 6 灵敏度。 虽然从理论上讲霍耳元件在无磁场作用( 即 B=0)时，UH=0，但是 实际情况用数字电压表测时并不为零，这是由于半导体材料结晶不均 匀及各电极不对称等引起附加电势差，该电势差U0称为剩余电压。 随着科技的发展，新的集成化(IC) 元件不断被研制成功。本实验 采用 SS95A型集成霍耳传感器 (结构示意图如图3 所示) 是一种高灵敏 度集成霍耳传感器，它由霍耳元件、放大器和薄膜电阻剩余电压补偿 组成。测量时输出信号大，并且剩余电压的影响已被消除。对SS95A 型

10、集成霍耳传感器，它由三根引线，分别是: ? V+?、 ? V-?、 ? Vout?。其 中? V+?和?V-?构成?电流输入端?， ? Vout?和?V-?构成?电压输 出端?。由于 SS95A型集成霍耳传感器，它的工作电流已设定，被称 为标准工作电流，使用传感器时，必须使工作电流处在该标准状态。 在实验时，只要在磁感应强度为零( 零磁场)条件下，调节?V+?、 ? V-? 所接的电源电压( 装置上有一调节旋钮可供调节) ，使输出电压为 2.500V( 在数字电压表上显示) ，则传感器就可处在标准工作状态之 下。 霍耳元件放大器 V+(+) V-(-) VOUT 剩余电压补偿器 图 3 95A

11、 型集成霍耳元件内部结构图 当螺线管内有磁场且集成霍耳传感器在标准工作电流时，与(1) 7 式相似，由 (1) 式可得： K U K U B )500.2( 式中 U为集成霍耳传感器的输出电压， K为该传感器的灵敏度， U 经用 2.500V 外接电压补偿以后，用数字电压表测出的传感器输出值 ( 仪器用 mV档读数) 。 三、实验仪器 FD-ICH-II新型螺线管磁场测定仪由集成霍耳传感器探测棒、螺 线管、直流稳压电源00.5A；直流稳压电源输出二档(2.4V 2.6V 和 4.8V5.2V) ；数字电压表 (19.999V 和 1999.9mV二档)；双刀换向 开关和单刀换向开关各一个，导线

12、若干组成。其仪器组成外型如图1 所示。 四、 实验内容 (一) 、必做实验 1、实验装置按接线图1 所示。螺线管通过双刀换向开关K2与直流 恒流电源输出端相接。集成霍耳传感器的?V+?和?V-?分别与 4.8V5.2V 可调直流电源输出端的正负相接( 正负极请勿接错 )。 ? Vout?和?V-?与数字电压表正负相接。 2、断开开关K2( 当 K2处于中间位置时断开 ) ，使集成霍耳传感器处 于零磁场条件下， 把开关 K1指向 1，调节 4.8V5.2V 电源输出电 压，数字电压表显示的?Vout?和? V-?的电压指示值为2.500V， 这时集成霍耳元件便达到了标准化工作状态，即集成霍耳传感

13、器 通过电流达到规定的数值，且剩余电压恰好达到补偿，U0=0V。 8 3、仍断开开关 K2，在保持? V+?和?V-?电压不变的情况下，把开 关 K1指向 2，调节 2.4V2.6V 电源输出电压， 使数字电压表指示 值为 0(这时应将数字电压表量程拨动开关指向mV档) ， 也就是用 一外接 2.500V 的电位差与传感器输出2.500V 电位差进行补偿， 这样就可直接用数字电压表读出集成霍耳传感器电势差的值 U。 4、测定霍耳传感器的灵敏度K (1) 改变输入螺线管的直流电流I m，将传感器处于螺线管的中央位 置(即 X=17.0cm)，测量 UIm关系，记录10 组数据，Im范围在 050

14、0mA ，可每隔 50mA 测一次。 (2) 用最小二乘法求出 UIm，直线的斜率 m I U K 和相关系数 r 。 (3) 对于无限长直螺线管磁场可利用公式：B= m nI 0(0真空磁导率， n 为螺线管单位长度的匝数) ，求出集成霍耳传感器的灵敏度 B U K 注：实验中所用螺线管参数为： 螺线管长度L=26.00.1cm，N=(300020)匝，平均直径D=3.5 0.1cm，而真空磁导率mH /104 7 0 。由于螺线管为有限长，由 此必须用公式： m I DL N B 2 2 0进行计算。 即 B U K = 0 2 2 0 2 2 K N DL I U N DL m ( 单位

15、：伏 / 特斯拉，即： V/T) 5、测量通电螺线管中的磁场分布 (1) 当螺线管通恒定电流I m(例如 250mA) 时，测量 UX关系。X范 9 围为 030.0cm， 两端的测量数据点应比中心位置的测量数据点 密一些。 (2) 利用上面所得的传感器灵敏度K计算BX关系，并作出BX 分布图。 (3) 计算并在图上标出均匀区的磁感应强度 0 B及均匀区范围 ( 包括 位置与长度) ， 假定磁场变化小于1% 的范围 为均匀区( 即 %1/ 0 BB)。并与产品说明书上标有均匀区10.0cm进行比较。 (4) 在图上标出螺线管边界的位置坐标(即 P与 P点，一般认为在边 界点处的磁场是中心位置的

16、一半，即 0 2 1 BBB P P ) 。 (5) 将上述结果与理论值比较： a、理论值 m I DL N B 2 2 00 ，验证：%1%100 | 0 00 B BB b、已知 L=26.0cm，试证明P P间距约 26.0cm。 注意事项： 1、测量 m IU 时，传感器位于螺线管中央(即均匀磁场中 )。 2、测量XU 时，螺线管通电电流Im应保持不变。 3、常检查Im=0 时，传感器输出电压是否为2.500V。 4、用 mV档读 U值。当I m=0时，mV指示应该为 0。 5、实验完毕后，请逆时针地旋转仪器上的三个调节旋钮，使恢复 到起始位置 ( 最小的位置 )。 ( 二) 、选做内

17、容 设计一个实验，用95A型霍耳传感器测量地磁场水平分量。 五、实验数据例( 用补偿法 ) 10 1、霍耳电势差与磁感应强度B的关系 霍耳传感器处于螺线管中央位置(即 X=17.0cm处) 表 1 测量霍耳电势差（已放大为U）与螺线管通电电流Im关系 Im/mA 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 U/mV 0 22.2 44.1 66.1 88.1 110.1 132.0 154.1 176.0 198.0 220.0 根据表 1 描绘霍耳电势差U与螺线管通电电流Im的关系图 0 50 100 150 200 250 01002003004005

18、00600 螺线管通电电流Im/mA 霍 尔 电 势 差 U / m V 图 4 霍耳电势差 U与螺线管通电电流Im关系图 2、通电螺线管内磁感应强度分布测定( 螺线管的励磁电流Im=250mA) 1 U为螺线管通正向直流电流时测得集成霍耳传感器输出电压 2 U为螺线管通反向直流电流时测得集成霍耳传感器输出电压 U为( 1 U- 2 U)/2 的值。( 测量正、反二次不同电流方向所产生磁感应强度值取 平均值，可消除地磁场影响) 表 2 螺线内磁感应强度B与位置刻度 X的关系(B=)/ KU X/cm 1 U/mV 2 U/mV U/mV B/mT 1.00 9.0 -8.8 8.90 0.29

19、 1.50 12.5 -12.4 12.45 0.41 2.00 17.8 -17.8 17.80 0.58 2.50 25.7 -25.6 25.65 0.84 11 3.00 38.4 -38.3 38.35 1.26 3.50 54.6 -54.5 54.55 1.79 4.00 71.1 -70.9 71.00 2.33 4.50 84.5 -84.4 84.45 2.77 5.00 93.6 -93.4 93.50 3.07 5.50 98.9 -98.6 98.75 3.24 6.00 102.5 -102.2 102.35 3.36 6.50 104.8 -104.5 104.6

20、5 3.43 7.00 106.3 -105.9 106.10 3.48 7.50 107.3 -106.9 107.10 3.51 8.00 108.0 -107.6 107.80 3.53 9.00 108.9 -108.4 108.65 3.56 10.00 109.2 -108.7 108.95 3.57 11.00 108.9 -108.4 108.65 3.56 12.00 108.7 -108.2 108.45 3.56 13.00 109.2 -108.6 108.90 3.57 14.00 109.7 -109.2 109.45 3.59 15.00 110.2 -109.5

21、 109.85 3.60 16.00 110.4 -109.8 110.10 3.61 17.00 110.7 -110.1 110.40 3.62 18.00 110.7 -110.1 110.40 3.62 19.00 110.6 -109.8 110.20 3.61 20.00 110.6 -109.9 110.25 3.61 21.00 110.5 -109.8 110.15 3.61 22.00 110.2 -109.4 109.80 3.60 23.00 109.9 -109.2 109.55 3.59 24.00 109.7 -108.9 109.30 3.58 24.50 10

22、9.5 -108.6 109.05 3.58 25.00 109.1 -108.2 108.65 3.56 25.50 108.5 -107.6 108.05 3.54 26.00 107.6 -106.6 107.10 3.51 26.50 106.1 -105.1 105.60 3.46 27.00 103.6 -102.7 103.15 3.38 27.50 99.5 -99.0 99.25 3.25 28.00 93.5 -92.7 93.10 3.05 28.50 83.5 -83.1 83.30 2.73 29.00 69.0 -68.6 68.80 2.26 29.50 52.4

23、 -51.8 52.10 1.71 30.00 36.2 -35.4 35.80 1.17 根据表 2 描绘通电螺线管内磁感应强度分布图见图5 所示。 12 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 05101520253035 位置X/cm 磁 感 应 强 度 B / m T 图 5 通电螺线管内磁感应强度分布图 实验结果： 1) 研究霍耳效应由最小二乘法求出 K= m IU /=0.4396V/A，相关系 数 r=0.99999 。 由于螺线管内磁感应强度B与通过螺线管 I 成正比，所以表 1 数 据可以证明霍耳电势差U与磁感应强度 B成正比。 2) 计算集成

24、霍耳元件的灵敏度K 已知： 螺线管 m I DL N B 22 0中心 ， N=3000 匝，L=26.0cm D=3.5cm ( 为螺线管的平均直径 ) 所以： B U K = 0 2 2 0 2 2 K N DL I U N DL m =4396.0 3000104 035.0260.0 7 22 30.5V/T 根据 95A 型集成霍耳元件产品说明书上注明，该传感器灵敏度 (31.3 1.3)V/T ，现计算值与说明书提供的技术指标相符。 由上面图 5 可知，在 X1=10.0cm到 X2=25.0cm内 U=3.61mV,螺线管 13 为 均 匀 磁 场 区 。 在P 3.40cm 1

25、P U=1.81mV ； P 29.40cm P U=1.81mV,PP =29.40-3.40=26.0cm ，这说明磁场中心和几何中心 偏离约 0.40cm，实验结果符合螺线管磁场分布原理。 六、思考题 1、什么是霍耳效应？霍耳传感器在科研中有何用途？ 2、如果螺线管在绕制中两边的单位匝数不相同或绕制不均匀。这 时将出现什么情况？在绘制BX分布图时，如果出现上述情况， 怎样求P和 P点？ 3、 SS95A型集成霍耳传感器为何工作电流必须标准化？如果该传感 器工作电流增大些，对其灵敏度有无影响？ 七、参考资料 1、陆申龙焦丽凤 . 用集成霍耳传感器研究霍耳效应及测量螺线 管磁场分布实验技术与

26、管理、第17 卷第 2 期 2000.4.27-30 。 2、沈元华陆申龙. 基础物理实验北京：高等教育出版社， 2003。 上海复旦天欣科教仪器有限公司 公司地址：上海市国权路39 号技术服务热线：021-55068654-14 业务咨询电话： 021-65481723 021-65643092 邮编：200433 14 上海复旦天欣科教仪器有限公司 FD-ICH-II 新型螺线管磁场测定仪 装 箱 清 单 您所购买的产品与装箱清单中是否相符，请验收! 主机号： 名 称数 量备注 1、实验主机壹台 FD-ICH-II 新型螺线管磁场测定 仪-电源 2、螺线管壹个 (包括：集成霍耳传感器探测棒、 双刀、单刀换向开关各一个) 3、三芯电源线壹根 4、连接导线若干 5、合格证壹张 6、说明书壹份附实验讲义及实验数据 7、装箱清单壹份 此装箱清单所列内容是指包装箱内应包括的设备和资料，不 包括您选用的其它配件，如您还选用其它配件，请您在购机时一 并检查清楚。