складывается из чувствительности yl <амого датчика Холла (выраженной в вольтах на гаусс)

YI п

а также из значения уг градиента магнитного поля, в котором перемещается датчик Холла (выраженного в гауссах на I мм):

Принимая yi=IO- в/гс (датчики Холла из InAsP фирмы «Сименс»), а также определенное экспериментально значение градиента у2=10 000 гс/мм, получим чувствительность по напряжению порядка 1 в[мм, что

означает I мв/мкм, или теоретически 0,1 мкв/А механического перемещения.

Чувствительность порядка 1 в/мм, а также наличие напряжения в цепи Холла порядка нескольких милливольт уже дают возможность производить непосредственные измерения с помощью прибора, так что зачастую

применения усилителя не требуется. Ббльщую Величину напряжения с преобразователя можно получить, используя несколько датчиков Холла.

Чувствительность преобразователя на основе датчика Холла зависит также от расстояния между магнитными системами.

На рис. 17-5 представлена схема акселерометра (измерителя ускорений), в котором датчик Холла перемещается в зазоре между двумя магнитами, например ферритовыми, направленными одноименными полюсами друг к другу. Акселерометр работает в интервале ускорений О-5g и в интервале частоты 0-25 гц. Напряжение Холла, получающееся на выходе, достаточно велико, чтобы привести в действие без добавочного усиления стрелочный прибор или самописец.

Кроме того, разработан также акселерометр, который дает возможность измерять ускорения величиной 10~- 266

Рис. 17-4. Чувствительность холловского преобразователя перемещений [Л. 354].

10-g. При этом датчик Холла перемещается в Marnnt-ном поле с больщим градиентом, порядка 10 000 гс/мм. Как и в предыдущем случае, подвижная система погру-

е тА

mV 1.

Рис. 17-5. Устройство акселерометра на датчике Холла.

X - датчик Холла; М - съемная м.асса; Яр - плоская пружина.

жена в силиконовую жидкость соответствующей вязкости для получения необходимой амортизации.

При измерениях земного ускорения полный оборот указателя ускорения (рис. 17-6) на 360° дает напряжение Холла в виде синусоиды [при линейной связи Uh = = /(Л)] с амплитудой ±\g. Интересным является участок смещения вблизи ну-

ля, когда при повороте акселерометра на очень малый угол последний 40 можно точно определить, го

На рис. 17-7 дана зависимость напряжения j

-20 40

\180°

Щ7=П1 90° \ 270°

Холла от ускорения. Нуль .

ускорения имеет место -gL-- "и"

в точках пересечения кри- о 90 ш 270 зьо вой с осью абсцисс; +1 , g Зависимость иапряже-

И - Ig можно определить олла t/н от угла поворота

при горизонтальном поло- измерителя ускорений на датчиках жении акселерометра от- Холла, носительно земли. Начиная примерно от ±0,8g, зависимость UH=f{g) становится линейной. Для измерения меньших значений ускорения достаточно просто измерять это все уменьшающееся напряжение Холла, например \g соответствует примерно 80 мв, а 10-g - 80 мкв.

На рис. 17-8 лредставлена кривая Vn-fig) для диапазона 10-g. Аналогичный ход имеет кривая для диапазона 10~*g. Возможно, что акселерометры этого типа смогут заполнить пробел, существующий при измерениях ускорений в области частот от нуля до нескольких

Рис. 17-7. Зависимость напряжения Холла Vn от ме.ханического перемеи(епия датчика Холла и от ускорения иа разных диапазонах.

герц, так как при больших частотах можно применять пьезоэлектрические датчики ускорения, не имеющие подвижных частей.

Преобразователь на основе датчика Холла может быть применен для измерения ряда неэлектрических величин, как, например, силы, массы, давления, размеров предметов, в частности толщины ферромагнитных материалов [Л. 747], шероховатости поверхности и величин, связанных с механическими вибрациями. В некоторых случаях преобразователь этого типа может конкурировать с существующими методами измерений. Масса подвижного элемента мала (часто меньше 1 г), очень малы и его размеры (например, 1,5x3 мм), т. е. невелика инерция подвижного элемента. Потерями, вызванными трением, часто можно пренебречь, так как элемент движется в воздухе и реагирует на действие малых сил.

Преобразователь на осйбве датчика Холла наШеЛ также применение в области геофизических измерений [Л. 349]. В схеме сейсмографа (рис. 17-9) масса 2 подвешена на пружине 1. На крице плеча 3 находится датчик Холла 5, который перемещается в неоднородном поле системы магнитов 4. Питание датчика Холла осуществляется от источника постоянного тока с напряжением несколько вольт через резистор, который служит для изменения чувствительности сейсмографа. Смещение мв станины 6 сейсмографа, вы-званное сотрясением основа- 0,6 ния, на котором стоит прибор, приводит к перемещению пластины в магнитном поле. На 0,2 выходе появляется напряже- о

выходу пластины регистратор напряжения Холла, состоя- - щий, например, из гальва- -qs нометра, источника света, а также барабана со светочув-

....i..,...-- ------, ---- -а ч и ч аiu

изменения вибраций во времени. Рис. 17-8. Зависимость иа-

Описанный сейсмограф пряжения Холла Uh от

1Л. 346, 348, 349] может быть зеХГ""скоре

использован как измеритель g угла наклона. Если из-за наклона основания станина оказывается наклоненной под некоторым углом к горизонту, то маятник сейсмографа также отклонится на угол 9 относительно первоначального положения. На выходе датчика Холла появляется напряжение, которое вызывает смещение зайчика гальванометра.

При использовании этого метода удалось замерить наклонение основания в 0,001 угловой секунды, что соответствовало смещению зайчика на светочувствительной бумаге на 6,45 см. Такая большая чувствительность прибора может быть еще увеличена, если для измерения наклона использовать разработанный для этой цели маятник с подвеской Цолнера.

С целью сравнения сейсмографа на датчике Холла с обычно используемым электродинамическим сейсмо-

paфoм механические конструкции обоих сейсмографов оставлены без изменений. В одном из них заменен один электродинамический датчик на преобразователь с датчиком Холла.

Из представленных публикаций теоретического анализа и проведенных исследований следует, что сейсмограф с датчиком Холла имеет чувствительность (т. е.

Рис. 17-9. Схема, поясняющая принцип действия сейсмографа на датчиках Холла.

коэффициент усиления), приблизительно в 100 раз большую, чем электродинамические сейсмографы.

Вышеуказанные принципы действия прибора использованы для измерения дрожания руки. Магнитная схема этого прибора состоит из двух больших ферритовых магнитов, направленных друг к другу одноименными полюсами. Между ними вздрагивает свободно вытянутая рука, причем к одному нз пальцев прикреплен датчик Холла. Провода от датчика Холла отводятся вдоль руки. В этом случае он движется свободно, без трения в неоднородном магнитном поле. Напряжение Холла оказывается столь большим, что может быть непосредственно измерено регистрирующим прибором. 270

17-3. ИЗМЕРЕНИЕ ДАВЛЕНИЯ

Японская фирма YEW (Yokagawa Electrical Works, Ltd) использовала датчики Холла в индикаторах давления [Л. 611]. В индикаторе давления TSP датчик Холла, помещенный в поле с большим градиентом, механически соединен с элементом, чувствительным к изменениям давления. Датчик Холла преобразует давление в напряжение постоянного тока в диапазоне О-10 мв (при смещении датчика Холла О-2 мм).

В разностном индикаторе давления TDP-31, применяемом, в частности, для измерения потока, уровня жидкости и т. п., изменения давления преобразуются в напряжение постоянного тока О-10 мв также с помощью датчика Холла. Рабочая температура достигает 60° С.

Главе восемнадцатая

СЧЕТНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ

Возможность самого разнообразного сочетания входных и выходных цепей позволяет использовать датчики Холла для создания схем, осуществляющих различные математические и логические операции, как-то: сложение, вычитание, умножение, деление, возведение в степень, извлечение корня, дифференцирование, интегрирование, решение систем уравнений, элементы памяти

и т. 1П.

18-1. СЛОЖЕНИЕ И ВЫЧИТАНИЕ

Получение суммы нескольких сигналов iA=Ai+Ai+...+A„) может быть осуществлено путем размещения датчиков Холла -Vi, Хг,..., Хп с одинаковыми параметрами в зазоре магнитной цепи с постоянным магнитом, последовательного соединения их выходных цепей и подачей слагаемых сигналов к соответствующим входным цепям в виде управляющего тока Ixi = kAi, Ixz=kAz, ...

. . , Ixn=kAn.

Так как напряженность магнитного поля в зазоре магнита является постоянной н одинаковой для всех датчиков Холла, го выходные напряжения отдельных датчиков Холла будут пропорциональны значениям соответствующих управляющих токов, т. е. слагаемым сигналом, суммарное же напряжение Холла всех датчиков будет пропорционально сумме сигналов.

Другим способом стожения сигналов является сложение магнитных потоков, полученных с помощью отдельных обмоток (к которым подводятся слагаемые сигналы) на общем магнитном сердечнике. В зазоре сердечника помещен датчик Холла, выходное напряжение которого (при неизменном управляющем токе) будет . пропорционально сумме сигналов

Вычитание двух величин основано на дифференциальном соединении выходных цепей или щ противоположном направлении нзвчва рбмоток на сердечник,