Измерение параметров магнитных и электрических полей.

Поле физической величины – пространство, в каждой точке которой задано значение этой физической величины.

Если каждой точке пространства ставится в соответствие скалярная величина, то возникает скалярное поле (например, поле температуры, поле электрического потенциала).Если каждой точке пространства ставится в соответствие вектор , то говорят, что задано векторное поле (поле скоростей частиц движущейся жидкости, силовое поле, поле электрической напряженности).

В электрическом поле(ЭП) каждой точке пространства ставится в соответствие вектор напряженности электрического поля Е, в магнитном (МП) - вектор магнитной индукции В.

Постоянное магнитное поле создается постоянными токами, протекающими в электрических цепях или внутримолекулярными токами – поля, создаваемые постоянными магнитами.

Переменные магнитные поля создаются переменными токами или изменяющимся электрическим полем. Согласно теории электромагнетизма изменяющееся магнитное поле порождает электрическое. Таким образом, переменному электрическому полю всегда сопутствует магнитное и наоборот. Совокупность этих двух полей и называется электромагнитным. В электромагнитном поле каждой точке пространства ставится в соответствие вектор напряженности электрического поля Е и вектор магнитной индукции В.

Методы измерений МП основаны на различных физических эффектах: силовом взаимодействии МП с магнитным моментом тела или частиц вещества, возбуждении ЭДС индукции в катушке индуктивности в переменном МП, изменении траектории дви­жущихся в МП электрических зарядов под воздействием откло­няющей силы, прецессии ядер с ненулевым спином в МП, пере­ходе вещества в сверхпроводящее состояние и обратно.

ЭДС индукции, возбуждаемая в катушке индуктивности, зависит от скорости изменения магнитной индуктивности: U = NS(dB/dt). где N - число витков. S - площадь катушки. Она может возникать как в переменном магнитном поле, так и в по­стоянном при вращении в нём катушки. Датчики, основанные на этом эффекте, называются индукционными.

Требования, предъявляемые к современной РЭА, такие как: повышение надежности и помехоустойчивости, снижение цены, габаритов, потребляемой мощности - распространяются и на датчики. Выполнение этих условий становится возможным при использовании микроэлектронных схемотехники и технологии, поскольку:

во-первых, электрофизические свойства полупроводников и полупроводниковых приборов, на которых основана микросхемотехника, сильно зависят от внешних воздействий;

во-вторых, микроэлектронная технология основана на групповых методах обработки материалов для изготовления приборов, что снижает их себестоимость, габариты, потребляемую мощность и ведет к повышению надежности и помехоустойчивости. Кроме того, при использовании полупроводникового сенсора или сенсора, изготовление которого совместимо с технологическим процессом создания интегральных микросхем (ИМС), сам сенсор и схемы обработки полученного сигнала могут быть изготовлены в едином технологическом цикле, на едином полупроводниковом или диэлектрическом кристалле. К наиболее распространенным микроэлектронным магнитным преобразователям относятся: элементы Холла; магниторезисторы; магнитотранзисторы и магнитодиоды; магниторекомбинационные преобразователи.

Данный цикл лабораторных работ посвящен измерению параметров магнитных и электромагнитных полей преобразователями различных типов.

К выполнению лабораторных работ предъявляются следующие общие требования:

На первом этапе лабораторной работы студенты изучают теоретическую часть работы. Для проверки освоения теоретической части в описании лабораторной работы приводятся контрольные вопросы. К выполнению лабораторной работы приступают только после собеседования и устного разрешения преподавателя!

Лабораторная работа, как правило, выполняется бригадой в составе двух человек. Старший в бригаде получает под свою ответственность от препо­давателя необходимые приборы, оборудование и техническую документацию на них (инструкции, описания).

К практическому выполнению работы студенты приступают после тщательного изучения соответствующей технической документации.

Обработка результатов исследований проводится каждым студентом самостоятельно при оформлении отчёта о лабора­торной работе.

Оформление отчёта о ЛР:

Отчёт о лабораторной работе должен быть оформлен при подготовке к защите по прилагаемой форме (см. приложение).

Отчёт о лабораторной работе должен быть напечатан на лис­тах формата А4. шрифтом TimesNewRoman. 12 кг (в таблицах -10 кг), одинарный межстрочный интервал, поля 2,5 см.

ПРИЛОЖЕНИЕ

Бгту им. Д.Ф. Устинова Лабораторный практикум по дисциплине «Физические принципы первичных преобразователей»

Лабораторная работа №__

(название работы)

Выполнил: студент гр. Ф.И.О

Проверил: преподаватель каф._

« » 20 г.

ОТЧЕТ (форма)

1.Цель работы

2.Объект исследований

3.Применяемое оборудование и методика измерений (принцип работы, основные характеристики)

4.Первичные результаты измерений

5.Обработка и оформление результатов измерений

6.Выводы

Лабораторная работа №1

ИССЛЕДОВАНИЕ ПОСТОЯННОГО МАГНИТНОГО ПОЛЯ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕМ НА ОСНОВЕ ДАТЧИКА

1. Цель работы - ознакомиться с основными характеристиками преобразователей Холла; ознакомиться с методами измерения параметров магнитного поля, использующими преобразователи Холла; приобрести навыки контроля интенсивности МП, получить навыки обработки результатов эксперимента и определения погрешности измерений; исследовать магнитное поле конкретного источника.

2. принцип действия датчика Холла

Движущиеся в магнитном поле электрические заряды под воздействием силы Лоренца изменяют свою траекторию. Прояв­ляется это в эффекте Холла, заключающемся в том, что при по­мещении в МП пластины, через которую течёт электрический ток, в направлении, перпендикулярном направлению электриче­ского тока, на сторонах пластины возникает электрическое на­пряжение. Величина этого напряжения пропорциональна плотно­сти электрического тока и напряжённости МП. На измерении этой ЭДС основан принцип работы так называемых датчиков Холла.

Схема, пояс­няющая эффект возникновения ЭДС Холла, и эквивалентная электрическая схема датчика Холла приведены на рис. 1.

Величина ЭДС Холла U_x = КIB, где I – ток, протекающий через пластину; К - коэффициент, зави­сящий от материала ПП и его размеров.

Из приведённого соотношения следует, что измеряемый милливольтметром сигнал пропорционален магнитной индукции МП и плотности электрического тока, протекающего в пластине. Следовательно, характеристика преобра­зования датчиков Холла линейна (как правило, в пределах 1%) практически во всём диапазоне измерений (рис.2).

Промышленность выпускает широкую номенклатуру датчиков для измерения индуктивности МП от долей микротеслы до единиц теслы. Напряжение питания датчиков Холла постоянное, от 4.5 до 10.5 В. Ток питания высокоомных ПП достигает десят­ков, а низкоомных - сотен миллиампер. Чувствитель­ность датчиков Холла с высокоомным ПП достигает сотен милли­вольт на теслу, а с низкоомным ПП - единиц вольт на теслу.

Поскольку напряжённость и магнитная индукция МП - вектор­ные величины, показания датчика зависят от ориентации пласти­ны относительно направления МП. а также от неравномерности самого МП. Для того чтобы полнее охарактеризовать МП, необ­ходимо представить его параметры в трёх пространственных ко­ординатах.

Преимущества датчиков Холла: малые размеры, простота использования и измерения электрического напряжения. Диаграмма направленности датчика Холла близка к идеальной, что позволяет использовать его для определения направления вектора напряжённости МП. Наименьший порог чувствительности датчика Холла к повороту в МП составляет 5... 10 мин.

Одна­ко на метрологические характеристики датчиков существенно влияют: неравномерность свойств полупроводниковой плас­тины, наличие механических напряжений, вызванных пайкой электродов, размещение при измерениях в МП контура подво­дящих проводников (рамка с током в магнитном поле) и др. Для снижения влияния перечисленных причин на показания датчика принимаются соответствующие меры: компенсация (включение компенсационных сопротивлений), скручивание подводящих проводников (уменьшение площади петли с то­ком).