实验名称：用霍尔传感器测定螺线管磁场
姓 名                学 号          班 级           
桌 号                   教 室 基教1108 
实验日期  20  年    月    日  时段        
同组同学              指导教师             
  一、实验目的（请先参阅实验教材上《磁场测量》的内容，然后充分阅读实验报告！）
1、验证霍尔传感器输出电势差与螺线管内磁感应强度成正比。
2、测量集成线性霍尔传感器的灵敏度。
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。
    二、实验仪器
FD-ICH-II 新型螺线管磁场测定仪，包括：实验主机、螺线管、集成霍尔传感器探测棒、单刀双掷开关、双刀双掷换向开关、、连接导线（4红，4黑）若干组成。其仪器装置如图1所示。
图1  新型螺线管磁场测定仪仪器装置
三、实验原理
把一块半导体薄片（锗片或硅片）放在垂直于它的磁场B中，如图2所示，当沿AA′方向（Y轴方向）通过电流I时，薄片内定向移动的载流子受到洛伦兹力fB的作用而发生偏转。从而在DD ′间产生电位差UH，这一现象称为            ，这个电位差称为          。
由电磁理论可得：
          UH＝                （1）                 
图2 霍耳效应原理图
式中，KH＝称为霍尔元件的灵敏度，n为载流子浓度，e为载流子电荷电量，d为半导体薄片厚度。
虽然从理论上讲霍尔元件在无磁场作用(即B=0)时，UH=0，但实际中，在产生霍尔效应的同
时，还伴随着几个副效应，它们分别是
              ；                ；                  ；                    。所以用数字电压表测时UH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型集成霍尔传感器(结构示意图如图3所示)是一种高灵敏度集成霍尔传感器，它由霍尔元件、放大器和薄膜电阻剩余电压补偿器组成。测量时输出信号大，并且剩余电压的影响已被消除。对SS95A型集成霍尔传感器，它有三根引线，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型集成霍尔传感器，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“霍尔片工作电压”调节旋钮，使霍尔片传感器输出电压为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。
图3  95A型集成霍尔元件内部结构图
当螺线管内有磁场且集成霍尔传感器在标准工作电流时，与(1)式相似，由(1)式可得：
（此处K类似于（1）式中的KHI，I：工作电流，为确定值），式中U为集成霍尔传感器的输出电压，K为该传感器的灵敏度，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)。
四、实验过程
仪器连线如图4所示。
                        图4 螺线管磁场测定仪连线图
1、实验接线如图4所示。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4.8V—5.2V的输出接线柱(红)接霍尔元件的V＋(即引脚2－红导线)，直流稳压电源的(黑)接线柱接霍尔元件的V-(即引脚3－黑导线)，霍尔元件的VOUT（引脚1－黄导线）接右边电压表‘电压输入’的＋(红)接线柱电压表切换到V档(即拨动开关向上拨)。
2、检查接线无误后接通电源，断开励磁电流换向开关K2，集成霍尔传感器放在螺线管的中间位置(X=17.0cm处)，开关K1拨向1，调节“霍尔片工作电压”调节旋钮，使右边数字电压表显示2.500V，这时集成霍尔元件便达到了标准化工作状态，即集成霍尔传感器通过电流达到规定的数值，且剩余电压恰好得到补偿（抵消），即U0=0V。
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拨向2，调节“补偿电压”调节旋钮（2.4V—2.6V电源输出电压），使数字电压表指示值为0，然后将数字电压表量程拨动开关拨向mV档，继续微调补偿电压旋钮，使输出为0，即达到了精确补偿（也就是用一外接2.500V的电压与霍尔传感器传感器输出的2.500V电压相抵消），这样就可直接用数字电压表读出集成霍尔传感器电压输出值。
4、测定霍尔传感器的灵敏度K
（1）改变输入螺线管的励磁电流，将传感器置于螺线管的中央位置(即X=17.0cm)，测量—关系，记录10组数据，范围在0—500mA，每隔50mA测一次。
（2）用最小二乘法求出—直线的斜率和相关系数r（要求用计算机或APP软件处理）。
（3）集成霍尔传感器的灵敏度
注：实验中所用螺线管参数为：
螺线管长度L=260±1mm，N=(3000±20)匝，平均直径=35±1mm，而真空磁导率。由于螺线管为有限长，由此必须用公式：进行计算，即=  (单位：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(例如250mA)时，测量—X关系。X特斯拉实验范围为0—30.0cm，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B—X关系，并作出B—X分布图。
(3) 计算并在图上标出均匀区的磁感应强度及均匀区范围(包括位置与长度)，理论值,假定磁场变化小于1%的范围为均匀区(即)。
(4) 已知螺线管长度L=26.0cm，在图上标出螺线管边界的位置坐标(即与点，一般认为在边界点处的磁场是中心位置的一半，即)。验证间距约26.0cm。
注意：
1． 测量时，传感器位于螺线管中央(即X=17.0cm，即均匀磁场中)。
2． 测量时，螺线管通电电流应保持不变。
3． 常检查=0（即螺线管磁场为0）时，传感器输出电压应为2.500V。
4． 常检查用mV档读值，当=0时，mV指示应该为0。
5． 实验完毕后，请逆时针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)。