一般而言,金屬和電解質(zhì)的霍爾系數(shù)很小,霍爾效應不;半導體的霍爾系數(shù)則大得多,霍爾效應。從20世紀60年代起,隨著半導體材料和半導體工藝的飛速發(fā)展,人們發(fā)現(xiàn)用半導體材料制成的霍爾元件有對磁場敏感、結(jié)構(gòu)簡單、體積小、頻率響應寬、輸
出電壓變化大和使用壽命長等點,因此,將其應用于電磁測量、非電量測量、自動控制、計算與通訊裝置中。
3.1 測量半導體特性
霍爾效應對于諸多半導體材料和溫超導體的性質(zhì)測量來說意義重大。設導體中電流方向如圖1 所示,如果載流子帶負電,它的運動方向和電流方向相反,作用在它上面的洛倫茲力向下,因此,導體上界面帶正電,下界面帶負電;如果載流子帶正電,則導體上界面
帶負電而下界面帶正電。由此可以看出,只要測得上下界面間霍爾電壓的符號就可以確定載流子的符號。用這種方法就能夠測定半導體究竟是P型還是N型。如果載流子已知,則通過測定霍爾系數(shù)K,還可算出導體中載流子的濃度n,進而得出載流子濃度受其客觀因素影響的情況。如由Lake Shore公司推出的Lake Shore7500系統(tǒng),配備為7500設計的IDEAS軟件,操作簡單、,可用于測量樣品的電阻、電阻率、霍爾系數(shù)、霍爾遷移率、載波密度和電子特性,能夠滿足人們多方面的測量需要。
3.2 測量磁場
利用霍爾效應可以制造測量磁感應強度的儀器&mash;&mash;斯計。斯計的探頭是一個霍爾元件,在它的里面是一個半導體薄片。依據(jù)(1)式,U可用毫伏計測量,K、I也可用相應的儀器測量,因此,就可以方便地算出B值。斯計的表盤是以磁感應強度標記的,只要把斯計插入待測磁場中,B便可以直接讀出,非常方便。如果要求被測磁場精度較,如于± 0.5%,那么,通常選用砷化鎵霍爾元件,其靈敏度,約為 5-10mt/100mt.mA,溫度誤差可以忽略不計;如果要求被測磁場精度較,體積要求不,如精度于± 0.5%時,則可選用硅和鍺霍爾元件。
3.3 磁流體發(fā)電
從20世紀50年代末開始進行研究的磁流體發(fā)電技術(shù),可能是今后取代火力發(fā)電的一個方向。其基本原理就是利用等離子體的霍爾效應,即在橫向磁場作用下使通過磁場的等離子體正、負帶電粒子分離后積聚于兩個極板形成電源電動勢。這種的發(fā)電方式,通過燃料燃燒發(fā)出的熱能使變成等離子體流而轉(zhuǎn)換成電能,無須像火力發(fā)電一樣,先將燃料燃燒釋放的熱能轉(zhuǎn)換成機械能以推動發(fā)電機輪轉(zhuǎn)動,再把機械能轉(zhuǎn)換成電能,這樣在提了熱能利用效率的同時,也滿足了環(huán)保的要求。目前,這方面已經(jīng)有工程,預計在 2010內(nèi)可局部商業(yè)化,發(fā)展前景廣闊。
3.4 電磁無損探傷
霍爾效應無損探傷方法、、實用,并能實現(xiàn)無速度影響檢測,因此,被應用在設備故障診斷、材料缺陷檢測之中。其探傷原理是建立在鐵磁性材料的磁導率特性之上。采用霍爾元件檢測該泄漏磁場B的信號變化,可以有效地檢測出缺陷存在。鋼絲繩作為起重、運輸、提升及承載設備中的重要構(gòu)件,被應用于礦山、運輸、建筑、旅游等行業(yè),但由于使用環(huán)境惡劣,在它表面會產(chǎn)生斷絲、磨損等各種缺陷,所以,及時對鋼絲繩探傷檢測顯得尤為重要。目前,外*的zui、*的方法就是漏磁檢測方法,根據(jù)這一檢測方法設計的斷絲探傷檢測裝置,如 EMTC系列鋼絲繩無損檢測儀,其金屬截面積測量精度為±0.2%,一個捻距內(nèi)斷絲有一根誤判時準確率>90%,性能良好,在中有著的用途。
3.5 霍爾傳感器
以霍爾效應原理構(gòu)成的霍爾元件、霍爾集成電路、霍爾組件通稱為霍爾效應磁敏傳感器,簡稱霍爾傳感器。利用霍爾電壓與外加磁場成正比的線形關(guān)系可做成多種電學和非電學測量的線性傳感器。如控制一定電流時,可以測量交、直流磁感應強度和磁場強度;控制電流電壓的比例關(guān)系,令輸出的霍爾電壓與電壓乘電流成比例,可制成功率測量傳感器;當固定磁場強度大小及方向時,可以用來測量交直流電流和電壓。利用這一原理還可以進一步測量力、位移、壓差、角度、振動、轉(zhuǎn)速、加速度等各種非電學量。霍爾傳感器在日常生活和工業(yè)中應用。
(1)在日常生活中的應用。在日常生活中,霍爾傳感器大多應用于家用電器。如錄音機的換向機構(gòu)就是使用霍爾傳感器檢測磁帶終點并完成自動換向功能的;錄像機中的磁鼓電機常采用銻化銦霍爾元件;洗衣機中的電動機都必須有正、反轉(zhuǎn)和、速旋轉(zhuǎn)功能,
主要依靠霍爾傳感器檢測與控制電動機的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向來實現(xiàn)。霍爾開關(guān)類傳感器還用于電飯煲、氣爐的溫度控制和電冰箱的除霜等方面。如 HK 系列霍爾接近開關(guān)可將磁訊號轉(zhuǎn)換成數(shù)字電壓輸出,其特點是響應頻率(fmax 50KHZ),重復定位精度(0.02mm),另外還有多種工作模式:常開、常閉、自鎖、NPN輸出、PNP輸出等等?;魻栯姍C是一種無刷電機,利用轉(zhuǎn)速變化信號控制霍爾電壓信號變化,從而調(diào)節(jié)驅(qū)動電路驅(qū)動管中的工作電流,即調(diào)節(jié)電動機定子繞組電流,實現(xiàn)對電動機轉(zhuǎn)速與穩(wěn)速的控制,克服了一般帶電刷或整流子直流電機不能達到轉(zhuǎn)速穩(wěn)、壽命長、噪聲小的致命弱點,大量應用于影碟機、VCD等家用電器和儀表中?;魻栃獎痈屑由弦恍╇娮泳€路可制成器,帶在老人或人員身上,當出現(xiàn)昏迷、跌倒情形時可發(fā)出聲響,還可用來裝在汽車或摩托車上,起到防盜目的。
(2)在工業(yè)中的應用。的度自動化才能為企業(yè)帶來率,產(chǎn)品來自過程的精度檢測控制和超后序加工。在這些過程中,必須依靠傳感器準確地收集各種運動量、機械量、電量、溫度和濕度等信息,送計算機及時處理并指揮各執(zhí)行元件進行
嚴密控制?;魻栃獋鞲衅髟谄渲型瓿蓪Ω鞣N物理量的檢測。如HPT-3型霍爾式功率傳感器能夠?qū)崿F(xiàn)真正的有功功率檢測,有靈敏度、線性度好和響應速等點。研究表明,當電機負載率從0.1增加到1.15時,電流改變4.15%,功率因數(shù)改變29.3%,有功功率改變33.4%,在要求率的軸承磨床、內(nèi)圓磨床中發(fā)揮著重要作用?;魻柺轿灰苽鞲衅鞯耐怀鳇c是輸出變化量大、靈敏度、分辨力強、輕、慣性小、反應速度,作動態(tài)位移測試。如以半導體材料砷化鎵霍爾器件與性能稀土永磁材料構(gòu)成的小位移傳感器及其檢測電路可分辨的zui小位移變化量可達0.1μm。在冶金、化工、超導體的應用以及能物理(如可控核聚變)試驗裝置中有許多超大型電流用電設備。用多霍爾探頭制成的電流傳感器進行大電流的測量和控制,既可滿足測量準確的要求,又不會引起插入損耗,還免除了像使用羅果勘斯基線圈法中需用的昂貴測試裝置。如使用DⅢ-D托卡馬克中的霍爾電流傳感器裝置,可檢測達到300kA的電流。
汽車、工業(yè)控制或系統(tǒng)需要感受位置、速度、電流時,霍爾元件的性、靈敏度和更好的溫度穩(wěn)定性使它有比其它傳感器更好的性能?;魻柺狡圏c火器與傳統(tǒng)點火器不同,有點火能量、速點火、故障率、省油等點?;魻栃剿俣群屠锍虦y試儀可以測量汽車的行駛速度及里程。如在富康1.4iRL和1.6iAL系列轎車中安裝BOSCH MP5.2電子控制多點燃汽油噴射系統(tǒng)的TU3JP/K(1.4iRL系列)和TU5JP/K(1.6iAL系列)發(fā)動機,其中輪速傳感器為霍爾效應式傳感器。霍爾輪速傳感器有以下點:一是輸出信號電壓幅值不受轉(zhuǎn)速的影響;二是頻率響應,可達 20kHZ,相當于車速為 1,000km/h時所檢測的信號頻率;三是抗電磁波干擾能力強。因此,霍爾傳感器不但應用于S輪速檢測,也應用于其控制系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速檢測。此外,霍爾傳感器在飛機、軍艦、航天器、新軍事裝備及通訊中應用也相當。如我國的遠程DAODAN、&lquo;風云&rquo;號衛(wèi)星、&lquo;神舟&rquo;號飛船等均使用特別研制的霍爾傳感器。
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