Politechnika Białostocka Wydział Elektryczny Katedra Elektrotechniki Teoretycznej i Metrologii Instrukcja do zajęć laboratoryjnych z przedmiotu POMIARY ELEKTRYCZNE WIELKOŚCI NIEELEKTRYCZNYC 2 Kod przedmiotu: ES2B200011 Ćwiczenie pt. POMIAR PRZESUNIĘĆ PRZY POMOCY CZUJNIKA ALLOTRONOWEGO Numer ćwiczenia WN 11 Autorzy: dr inŝ. A. Gładyszewski mgr inŝ. R. Bycul Białystok 2008 1
Wprowadzenie Zjawisko alla odkryte w 1879 r. znalazło techniczne zastosowanie dopiero w latach 1950-1960 [1], kiedy to opracowano technologię produkcji materiałów półprzewodnikowych o duŝej ruchliwości nośników ładunku elektrycznego (germanu, antymonku indu, arsenku indu i arsenofosforku indu), w których zjawiska galwanomagnetyczne występują szczególnie intensywnie. Zjawiska galwanomagnetyczne są to zjawiska powstające w kaŝdym materiale zawierającym poruszające się nośniki ładunku jako wynik łącznego oddziaływania pola elektrycznego i magnetycznego. Działanie tych pól na pojedynczy ładunek opisuje wzór na siłę podany przez Lorentza. F = q E+ q ( v B) gdzie: F - siła działająca na ładunek q - wartość tego ładunku (np. dla elektronu q = e ) E - wektor natęŝenia pola elektrycznego v - wektor prędkości ładunku B - wektor indukcji pola magnetycznego Pierwszy składniej z prawej strony powyŝszej zaleŝności ujmuje działanie pola elektrycznego. Drugi składnik w postaci iloczynu wektorowego charakteryzuje oddziaływanie pola magnetycznego. Wynika z tego, Ŝe poruszające się ładunki są odchylane przez pole magnetyczne w kierunku prostopadłym zarówno do wektora indukcji tego pola jak i do wektora prędkości ładunku, a zmiana krzywizny toru odbywa się bez strat energii. Element półprzewodnikowy, którego działanie oparte jest na powyŝszym zjawisku nazywany jest h a l l o t r o n e m. Celem ćwiczenia jest zapoznanie studentów z moŝliwościami zastosowania hallotronu do pomiaru szeregu wielkości nieelektrycznych. 2
Zjawisko alla Zjawisko alla polega na powstawaniu w płytce wykonanej z półprzewodnika lub metalu włączonej w obwód prądu elektrycznego i umieszczonej w polu magnetycznym o kierunku prostopadłym do powierzchni płytki i kierunku prądu tzw. napięcia alla o kierunku prostopadłym do kierunku prądu i kierunku pola, co przedstawiono na rysunku 1. B d I U Rys.1. Zasada działania hallotronu Napięcie alla U określa zaleŝność (1) gdzie: U R = I B SI B (1) d = R - współczynnik alla zaleŝny od materiału płytki, jego czystości i temperatury, wyraŝony w metrach sześcienny na stopień Celsjusza (m 3 /C) d grubość płytki hallotronu wyraŝona w metrach (m) I natęŝenie prądu zasilającego hallotron (prądu sterującego) wyraŝona w amperach (A) B indukcja magnetyczna wyraŝona w teslach (T) S = R /d czułośc hallotronu Dla danej płytki hallotronu i określonej wartości prądu I napięcie alla jest wprost proporcjonalne do indukcji B. 3
W zwykłym wykonaniu hallotron jest cienką płytką mono - lub polikrystaliczną w postaci prostopadłościanu wykonanego z półprzewodnika typu n. Płytka ma dwie pary elektrod: napięciowa i prądową. Elektrody napięciowe, z których jest pobierane napięcie alla są elektrodami punktowymi, prądowe zaś, doprowadzające prąd do przetwornika, obejmują całe boczne powierzchnie (patrz rys. 1). MoŜna wykonać przetwornik o bardzo małych rozmiarach, np. 10 µm X 10 µm. Uzyskiwane napięcia U wynoszą kilka miliwoltów, dochodzą do setek miliwoltów i zaleŝą od wartości prądu sterującego. Na przykład dla wykonanej z antymonku indu (InSb) o grubości 0,1 mm, przy indukcji B = 0,5 T i prądzie I = 100 ma, otrzymuje się U = 100 mv. allotrony cienkowarstwowe wykonane metodą naparowywania, mogą mieć grubość ok. 2... 3 µm, znaczną czułość napięciową i małe prądy zasilania. JeŜeli indukcja magnetyczna ma wartość stałą w czasie, to otrzymywane napięcie alla teŝ jest stałe. Gdy przynajmniej jedna z wielkości wejściowych (indukcja lub prąd sterujący) jest przemienna, to napięcie wyjściowe jest przemienne o takiej samej częstotliwości jak wielkość wejściowa. W przypadku gdy zarówno indukcja jak i prąd sterujący mają taką samą częstotliwość i są przesunięte w fazie o pewien kąt, napięcie wyjściowe zawiera składową stałą i przemienną o podwojonej częstotliwości. Właściwość ta jest wykorzystywana w przetwornikach mocy. allotrony stosowane są głównie do pomiaru indukcji magnetycznej, ale znajdują takŝe liczne zastosowania do pomiaru innych wielkości nieelektrycznych, takich jak: prędkość obrotowa, kąt obrotu, czas, grubość materiałów ferromagnetycznych lub niemagnetycznych na podłoŝu magnetycznym, przesunięcie. Zasada pomiaru przesunięć mechanicznych i związane z nimi pomiary masy, siły, itd. Jest bardzo prosta. JeŜeli hallotron będzie przesuwany w niejednorodnym polu magnetycznym o indukcji B, to napięcie alla będzie funkcją przesunięcia x, przy czym jeŝeli gradient indukcji, db = const, dx będzie stały, napięcie alla U będzie liniową funkcją przemieszczenia x: U = k x Na rysunku 2 pokazano jeden z układów, pozwalający na uzyskanie wysokich i stałych gradientów rzędu 1 kt/m (kilotesli na metr). 4
Z Y N S X S N b Rys.2. Układ do otrzymywania duŝych gradientów indukcji W szczelinie układu przesuwa się hallotron w kierunku osi x, od - x do + x. Wartość napięcia alla w lewym skrajnym połoŝeniu w stosunku do połoŝenia środkowego wynosi, U 1 = k I x 0 Bdx W prawym skrajnym połoŝeniu, napięcie to wynosi, RóŜnica napięć alla: U U = U 2 = k I U 2 1 + x 0 Bdx = k I db x dx Tego typu przetworniki hallotronowe cechuje duŝa czułość, rzędu 1 V/mm i moc w obwodzie napięciowym rzędu kilku miliwatów. Na tej zasadzie zbudowano akcelerator i ciśnieniomierz, przyrząd do badania drŝenia rąk, sejsmograf o czułości przekraczającej 100 razy czułość sejsmografów tradycyjnych, itp. NaleŜy zauwaŝyć, Ŝe pomiary przesunięć przy pomocy hallotronu są dokonywane w sposób bezdotykowy, wobec czego z układu badanego nie jest pobierana energia. Przetworniki do przesunięć mechanicznych moŝna budować równieŝ na nieco innej zasadzie, wykorzystując zniekształcenie pola magnetycznego pod wpływem przesuwania w nim elementu wykonanego z materiału ferromagnetycznego. Przetworniki takie mają szereg zalet konstrukcyjnych (prosty układ magnetyczny, nieruchomy hallotron). Model takiego przetwornika stosowany będzie w niniejszym ćwiczeniu. 5
2. Przebieg ćwiczenia Pomiary wykonywane są w układzie, którego schemat przedstawia rysunek 3. E 1 R 2 R 1 I P R W U U ma I U 2 E 2 I I mv U Rys. 3. Schemat ideowy układu pomiarowego hallotron I prąd alla U napięcie alla I P prąd pomocniczy potrzebny do wytworzenia napięcia U 2 kompensującego napięcia alla na początku pomiarów R W czterozaciskowy rezystor wzorcowy 10 Ω R 1 rezystor dekadowy R 2 rezystor dekadowy ma miliamperomierz typu LM-3 na zakresie 30 ma mv miliwoltomierz lampowy typu V616 na zakresie 10 mv E 1 = 3,6 V akumulator E 2 = 2,4 V akumulator 6
Przebieg pomiarów 1. Połącz układ według schematu z rysunku 3. 2. Nastaw pierwszą z trzech podanych nad Tablicami 1 3 wartość prądu I 3. JeŜeli miliwoltomierz wskaŝe jakieś napięcie, sprowadzić je do zera, regulując rezystancję R 1, a tym samym prąd pomocniczy I P i napięcie U 2 4. Zdejmij charakterystykę, U = f ( x) dla trzech róŝnych wartości prądu I. W tym celu, posługując się śrubą mikrometryczną, przemieszczaj w regularnych odstępach, wskazanych w Tablicach 1 3 blaszkę z materiału ferromagnetycznego w polu magnesu trwałego. 5. Wyniki zapisać w Tablicach 1-3 Tablica 1 I = 5 ma (lub inna wartość podana przez prowadzącego) x mm 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0 5,5 6,0 U mv Tablica 2 I = 10 ma (lub inna wartość podana przez prowadzącego) x mm 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0 5,5 6,0 U mv Tablica 3 I = 15 ma (lub inna wartość podana przez prowadzącego) x mm 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0 5,5 6,0 U mv W sprawozdaniu naleŝy: 1. Sporządzić we wspólnym układzie współrzędnych prostokątnych wykresy zaleŝności U = f ( x).dla róŝnych wartości prądu I. 2. Na podstawie wykresów określić, w jakim zakresie przemieszczeń blaszki funkcja U = f ( x) jest liniowa. 3. Określić czułość przetwornika S = U / x w stwierdzonym zakresie liniowości. 7
3. Wymagania BP Warunkiem przystąpienia do praktycznej realizacji ćwiczenia jest zapoznanie się z instrukcją BP i instrukcją przeciw poŝarową oraz przestrzeganie zasad w nich zawartych. Wybrane urządzenia dostępne na stanowisku laboratoryjnym mogą posiadać instrukcje stanowiskowe. Przed rozpoczęciem pracy naleŝy zapoznać się z instrukcjami stanowiskowymi wskazanymi przez prowadzącego. W trakcie zajęć laboratoryjnych naleŝy przestrzegać następujących zasad. Sprawdzić, czy urządzenia dostępne na stanowisku laboratoryjnym są w stanie kompletnym, nie wskazującym na fizyczne uszkodzenie. Sprawdzić prawidłowość połączeń urządzeń. Załączenie napięcia do układu pomiarowego moŝe się odbywać po wyraŝeniu zgody przez prowadzącego. Przyrządy pomiarowe naleŝy ustawić w sposób zapewniający stałą obserwację, bez konieczności nachylania się nad innymi elementami układu znajdującymi się pod napięciem. Zabronione jest dokonywanie jakichkolwiek przełączeń oraz wymiana elementów składowych stanowiska pod napięciem. Zmiana konfiguracji stanowiska i połączeń w badanym układzie moŝe się odbywać wyłącznie w porozumieniu z prowadzącym zajęcia. W przypadku zaniku napięcia zasilającego naleŝy niezwłocznie wyłączyć wszystkie urządzenia. Stwierdzone wszelkie braki w wyposaŝeniu stanowiska oraz nieprawidłowości w funkcjonowaniu sprzętu naleŝy przekazywać prowadzącemu zajęcia. Zabrania się samodzielnego włączania, manipulowania i korzystania z urządzeń nie naleŝących do danego ćwiczenia. W przypadku wystąpienia poraŝenia prądem elektrycznym naleŝy niezwłocznie wyłączyć zasilanie stanowisk laboratoryjnych za pomocą wyłącznika bezpieczeństwa, dostępnego na kaŝdej tablicy rozdzielczej w laboratorium. Przed odłączeniem napięcia nie dotykać poraŝonego. 8
4. Pytania i zadania kontrolne 1. Na czym polega zjawisko galwanomagnetyczne? 2. Na czym polega zjawisko alla? 3. Co to jest hallotron? 4. Jakich materiałów uŝywa się do budowy hallotronów 5. Wyjaśnij role obydwu par zacisków hallotronu. 6. Wymień zastosowania hallotronu. 5. Literatura 1. Kobus A., Tuszyński J., Warsza Z. Technika hallotronowa, WNT, Warszawa 1980 2. Szumielewicz B., Słomski B., Styburski W. Pomiary elektryczne w technice, WNT, Warszawa 1982 3. Chwaleba A., Czajewski J. Przetworniki pomiarowe wielkości fizycznych, Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa 1993. 9