2 Фізичні основи, конструкції і область застосування перетворювачів Холла.

Перетворювач Холла - це переважно провідна пластина визначеної конфігурації, яка виконана з провідника чи напівпровідника і оснащена декількома електродами, для під'єднання перетворювача до джерела живлення (струмові електроди) і до пристрою вимірювання е.р. с. Холла (холлівські електроди). Суть ефекту Холла полягає в наступному. Якщо прямокутну пластину помістити в магнітне поле перпендикулярно вектору напруженості і пропускати по ній струм в напрямі інших граней, то на третій (поперечній) парі граней виникає е.р.с Холла :

(2.1)

де R_Х – постійна Холла, Ом × м/Тл;

І_Х - керуючий струм перетворювача Холла, А;

d - товщина пластинки, м;

В_n - нормальна складова вектора магнітної індукції, Тл.

Конструктивне виконання і геометричні розміри як провідної пластини, так і електродів можуть бути досить різноманітними. На рис. 2.1 зображені декілька найбільш поширених конструкцій перетворювачів Холла. Буквою “т” позначені струмові електроди, а буквою “х” — холлівські.

Найчастіше з метою рівномірного розподілу струму струмові електроди наносяться по всій ширині відповідної грані активної пластини перетворювача (рис. 2.1 , а - в). Однак таке конструктивне рішення не є обов'язковим. Іноді має сенс виконання струмових електродів у вигляді певного числа окремо припаяних провідників (рис. 2.1 , г). Холлівські електроди найчастіше мають вигляд крапкових контактів (рис. 2.1 , а - г). Щодо конфігурації активної пластини перетворювача, то, крім найбільш поширеної прямокутної, виготовляються також перетворювачі хрестоподібної форми у виді рівностороннього восьмикутника (рис. 2.1 , д і е) або інших форм.

Розміри активної пластини перетворювача і їхнє співвідношення роблять дуже істотний вплив на ряд параметрів перетворювачів: чутливість, вигляд градуювальної характеристики, допустиму потужність, що розсіюється, і т. п. Шунтуючий вплив струмових електродів може бути зменшений, якщо вони виконані у виді ряду крапкових електродів (рис. 2.1 , г). Однак, якщо врахувати, що геометричні розміри перетворювача Холла, як правило, не перевищують декількох міліметрів, то стає очевидним, що реалізувати таку конструкцію на практиці дуже важко.

Рисунок 2.1 - Варіанти конструктивного виконання активної пластини і електродів перетворювача Холла

Значення е.р.с Холла холлівського перетворювача з суцільними струмовими електродами може бути визначене як добуток е.р.с Холла нескінченно довгого перетворювача на деяку функцію  його геометричних розмірів і значення магнітної індукції В₀:

, (2.2)

де - е.р.с при живленні перетворювача від джерела струму І або - е.р.с при живленні перетворювача від джерела напруги U;

R_X – постійна Холла;

d - товщина пластини перетворювача Холла;

u – рухомість носіїв заряду;

- узагальнений параметр перетворювача;

l, a, s, t - геометричні розміри активної пластини перетворювача і його електродів (рис. 2.2).

Рисунок 2.2 - Геометричні розміри прямокутного перетворювача Холла

Серійних приладів неруйнівного контролю з використанням перетворювачів Холла практично немає, за винятком магнітних статичних товщиномірів. Конкретне використання перетворювачів Холла по своїй суті можливе і зводиться до вимірювання магнітної індукції ліній, які виходять на поверхню виробу над дефектом. Однак внаслідок нелінійності градуювальних характеристик перетворювачів Холла і недосконалості технічних рішень перших серійних давачів з літературних джерел відсутня інформація про їх застосування в дефектоскопії.

Серійно перетворювачі Холла використовують у приладах для вимірювання магнітної індукції постійних, змінних та імпульсних полів. Ці прилади називаються магнітометрами або тесламетрами.

Широке застосування знайшли напівпровідникові магнітні перетворювачі у структуроскопах і товщиномірах, які призначені для контролю якісних параметрів магнітних матеріалів і їх покрить, про що описано в наступних розділах.

Ще однією із областей практичного застосування магнітних перетворювачів є прилади для вимірювання градієнта магнітної індукції, які носять назву градієнтометрів. В цих засобах переважно знаходять застосування перетворювачі Холла, які при зустрічному з’єднанні вихідних (холлівських) електродів забезпечують вимірювання різниці е.р.с., а значить і різниці значень магнітних індукцій. Відношенням цієї різниці е.р.с до відстані взаємного розміщення перетворювачів Холла отримуємо чисельне значення виміряного градієнта магнітної індукції.

Перетворювачі Холла приєднуються до потенціометричних вимірювальних кіл.