Уменьшения этого влияния можно добиться: 1) благодаря выбору материалов с малыми коэффициентами изменений R, Ry и Rh в функции Я; 2) благодаря соответствуюшей конструкции датчика Холла (см. зависимость Др/р = /(Я) прн разных размерах датчиков Холла на рис. 3-28); 3) при использовании ком-пенсационных схем, а также 4) при использовании нелинейного масштаба шкалы.

Л. Датчик Холла - элемент электрической цепи. Уже упоминалось, что максимальная выходная мощность датчика Холла составляет несколько сот милливатт, а к. ц. д. в лучшем случае достигает значения 15%. Следовательно, датчик Холла имеет преимущества перед другими элементами с точки зрения измерения сигналов разной величины или передачи информации, но не при генерации или передаче энергии. Поэтому нас меньше интересует получение наилучших энергетических условий (когда активное сопротивление нагрузки равно выходному активному сопротивлению датчика Холла). Чаще от датчика Холла требуют максимальной чувствительности по напряжению, а также максимальной линейности статических и динамических характеристик. Это явл-тется особенно важным при измерениях магнитных полей. Реализации этих требований добиваются выбором: 1) полупроводникового материала (с физическими параметраА1и, в возможно меньшей степени зависящими от внешних условий), 2) технологии датчиков Холла (например, в монокристаллических датчиках резка датчиков Холла вдоль соответствующей кристаллографической оси), 3) отношения длины холловского электрода к длине токового электрода, чтобы получить линейную зависимость Uy = f{B), 4) отношения длины к ширине датчика Холла, 5) Оптимального активного сопротивления нагрузки датчика Холла. Что касается последнего условия, установлено, что линейная зависимость Uy=f(B) для датчика Холла, например, типа FA21, изготовленного из InAs, получается для отношения активного сопротивления нагрузки R к выходному активному сопротивлению датчика Холла Ryo (при индукции магнитного поля S=0) l=R/Ryo~i. В каталоге датчиков Холла фирмы «Сименс» для датчика каждого типа представлено значение активного сопротивления нагрузки при котором получается линейная зависимость <Uy=

Ч{В).

М. Измерение напряжения Холла. Выбор метода измерения напряжения Холла зависит от характера напряжения (постоянное, переменное или импульсное), его значения, выходной мощности датчика Холла (которая зависит от типа полупроводникового материала, значения управляющего тока, значения измеряемого поля, а также от размеров датчика Холла), точности и характера измерений (кратковременные, длительные), а также от прибора (промышленный, лабораторный).

Измерение напряжения Холла может быть произведено тремя способами:

1. Непосредственно - с помощью стрелочного прибора измеряется постоянное или меняющееся напряжение Холла, при этом измеряемая индукция обычно не меньше нескольких десятков гаусс. Стрелочным прибором является чувствительный магнитоэлектрический прибор, работающий как милливольтметр или, реже, как микроамперметр.

2. Косвенно-С помощью стрелочного прибора, но после предварительного усиления. В этом случае для облегчения усиления сигнала желательно, чтобы напряжение Холла было переменным (измеряемое поле может быть постоянным, а управляющий ток переменным, или наоборот). Этот способ измерения напряжения Холла можно применять во всем диапазоне измеряемых полей, а при измерении индукции меньше 1 гс он является незаменимым. В случае необходимости усиления постоянного напряжения Холла можно использовать усилитель постоянного тока (здесь недостатоком является дрейф нуля) или применить преобразователь постоянного тока в переменный (большой уровень шумов) и использовать усилитель переменного тока. Усиленное напряжение М0Ж1Н0 выпрямить и измерить с помощью магнитоэлектрического прибора или же наблюдать его на экране электронного осциллографа или, наконец, регистрировать, применяя достаточно чувствительный прибор переменного тока.

3. Косвенно - Нулевым методом, т. е. мостовым или компенсационным. Этот способ, несмотря на такие преимущества, как независимость показаний от изменения значения управляющего тока, возможность измерения индукции приблизительно от 10- гс без уоиле1Шя напряжения Холла, применяется редко. Причиной этого является относительно большая продолжительность измере-

ния (необходимо с помощью регулирующих резисторов довести до нулевого отклонения указатель гальванометра и отсчитать значение измеряемой индукции), а также необходимость вынолнения определенных операций в процессе измерений. Таким образом, исчезает одно из важнейших преимуществ метода измерений с помощью датчика Холла.

Н. Источник питания. Способ питания датчика Холла зависит от значения и вида измеряемых полей, рода прибора и его стоимости, а также от способа измерения напряжения Холла:

1) Батарейное питание (сухой элемент или миниатюрный аккумулятор) применяется в переносных приборах при высоких значениях измеряемых полей и тогда (при измерении постоянных полей), когда выходное напряжение измеряется непосредственно чувствительным магнитоэл ект р ич ески м при бором.

В частном случае, если управляющий ток должен быть переменным, а на месте измерений нет источника переменного тока, можно также использовать багарею, преобразуя ее постоянный ток в переменный.

Недостатком питания от элемента или аккумулятора является их разрядка, что приводит к необходимости частого контроля или схемной стабилизации управляющего тока.

2) Сетевое питание позволяет питать датчик Холла как постоянным током (после выпрямления), так и переменным током сетевой частоты, а также током произвольной частоты (от встроенного генератора).

3) Батарейно-сетевое питание, как, например, в приборе фирмы «Сименс» [Л. 511], в котором датчик Холла может питаться как от сети через выпрямитель, так и от внутреннего аккумулятора.

О. Назначение приборов. Приборы с датчиками Холла для измерения напряженности магнитного поля могут быть изготовлены двух типов: лабораторные и промышленные.

1) Лабораторные приборы обычно питаются от сети; датчик Холла управляется переменным током от встроенного генератора с частотой порядка килогерц; такой прибор обладает усилителем напряжения Холла и приспособлен для продолжительной непрерывной работы при небольших колебаниях окружающей темпегоатуры (15-30" С.) 196

2) Приборы в промышленном исполнении имеют обычно питание постоянным током от батареи. Они легки, ударостойки, а также приспособлены для работы в различных атмосферных условиях (интервал температур, например. О-40°С) и в различном положении. Диапазон измерений таких приборов начинается от одной или нескольких сот гаусс. Иногда указанные приборы обладают добавочными приспособлениями для разнообразных измерений (в больших объемах, узких зазорах, внутри соленоидов, для измерения тангенциальных составляющих) .

П. Градуировка. Градуировка датчиков Холла, измеряющих напряженность магнитного поля, требует наличия стабильных магнитных полей, значения индукции которых известны с точностью на порядок выше, чем точгюсть градуируемого прибора.

Для наиболее точной градуировки приборов (0,1 - 1%) необходим измеритель напряженности поля, основанный на принципе ядерного магнитного или электронного парамагнитного резонанса. Для тарировки менее точных приборов (1,5-5%) достаточно проградуирован-ного электромагнита с соблюдением обычных предосторожностей (устранение влияний окружающей температуры, стабилизация тока электромагнита и т. п.). При градуировке приборов для измерений малых полей нужно помнить о необходимости исключения влияния посторонних полей, как, например, магнитного поля Земли, полей, образующихся вокруг проводников с током и др.

Градуировка измерителей постоянного поля с постоянным управляющим током требует исключения не-которых термомагчитных и термоэлектрических явлений, что осуществляется измерением напряжения Холла при двух знаках управляющего тока и при различных полярностях магнитного поля. С целью проверки точности приборов или их регулировки во время эксплуатации применяется эталон магаитной индукции, в качестве которого служит обычно постоянный магнит (встроенный в прибор или находящийся вне его) с точно определенным значением индукции в зазоре, например 1 ООО гс± ±0,2%. ;

в случае, когда прибор требует перед началом измерений установки нуля, а диапазон измерений лежит ниже 100 гс или когда вблизи действует сильное поле, созда-

ющее помехи, датчик Холла нужно помещать на время установки нуля в магнитный экран.

Р. Стабильность датчиков Холла во времени. В принципе датчики Холла имеют практически неограниченное время работы. Однако имеется немало причин, которые могут привести к изменению некоторых параметров датчиков Холла и тем самым влиять на точность измерений. Необходимо здесь перечислить прежде всего изменения на границе полупроводник - металл, а также изменения вследствие процессов кристаллизации (в основном в напыленных датчиках Холла).

Эта проблема является до сего времени мало исследованной экспериментально, и, кроме общих утверждений [Л. 547], результаты лабораторных исследований дал только Вайс [Л. 490].

С. Точность. Перечислим еще раз причины, влияющие на точность датчиков Холла при измерениях, одновременно показывая там, где это возможно, способ устранения или уменьшения влияния этих причин.

Источник погрешностей

1. Нестабильность

2. Изменение и Ry под влиянием измеряемой В

3. Изменение /?н под влиянием измеряемой В

4. Изменение R и Ry под влиянием Т

5. Изменения Rh под влиянием Т

6. Резистивное остаточное напряжение

7. Термическое остаточное напряжение

8. Напряжение, индуктированное в проводах

9. Напряжение, возникающее при несимметричной установке электродов Холла относительно продольной оси датчика Холла (§ 2-6-2)

10. Вторичный эффект Холла (к§ 2-6-1)

П. Термо- и гальваномагнитные явления (§ 2-7 и 7-3)

12. Явление выпрямления на контактах

Способ их устранения или уменьшения

Стабилизация, контроль

Соответствующий выбор материалов для датчика Холла, соответствующая технология датчика Холла,, компенсационные схемы

Соответствующий выбор материала для датчика Холла, соответствующая технология датчика Холла, компенсационные схемы

Соответствующая технология датчика Холла, компенсационные схе.мы

Безындукционная укладка проводов и комненсационные петли

Симметричная установка электродов Холла относительно продольной оси датчика Холла

Измерение Uy в режиме холостого хода

Небольшие изменения температуры датчика Холла, маленькие размеры датчиков Холла, однородность полупроводникового материала

Соответствующая технология

13. Неоднородность измеряемого поля

14. Несоблюдение перпендикулярности линии измеряемого поля относительно плоскости датчика Холла

15. Гистерезис концентраторов

16. Нестабильность свойств датчиков Холла во времени

17. Изменение Rx, Ry и Rh под влиянием света

18. Шумы

19. Градуировка

20. Влияние внешних посторонних магнитных полей, например, земного и т. п.

размеры датчика

Маленькие Холла

Отсчет максимальной величины на приборе

Выбор материалов с минимальным гистерезисом

Периодическая проверка при-

Корпус, не пропускающий света

Снижение температуры датчика Холла, большая толщина пластины, большая частота управляющего тока

Эталонный прибор достаточной точности, стабильное я однородное магнитное поле

Экранирование

Точность датчиков Холла при измерениях индукции магнитного поля может лежать в достаточно больших пределах, от 0,2 -до 10%. Проанализируем вкратце условия, которым должны удовлетворять приборы разных групп точности (установленных, впрочем, совершенно условно) .

При точности 5-10% можно удовлетвориться только компенсацией резистивного остаточного напряжения (эта компенсация должна быть использована в любом типе измерителей на датчиках Холла, так как значение резистивного остаточного напряжения бывает обычно одного порядка с напряжением Холла, соответствующим нижнему пределу измерительного диапазона), а также контролем управляющего тока.

Сохранение точности прибора 2,5-5% требует тщательного выбора полупроводникового материала с точки зрения температурных характеристик и устранения вредного влияния магнитного поля, а при боль-ших диапазонах температуры среды - также использования схем температурной компенсации.

Измерения Иу в обеих группах приборов можно осуществлять непосредственно (конечно, при условии достаточно больших значений измеряемой индукции).

При точности приборов 1-2,57о должны быть учтены следующие факторы:

а) контроль (или стабилизация) управляющего тока;