Материалы для изготовления датчиков Холла

Наибольшее распространение для изготовления датчиков получили такие элементы как германий, кремний, полупроводниковые соединения элементов третей и пятой групп периодической системы Менделеева – антимонид индия, арсенид индия, арсенид галлия, а также твердые растворы – тройное соединение In(As_{0, 8}P_{0, 2}). Полупроводниковый материал, предназначенный для изготовления датчиков Холла, должен обладать не только высокими, но и по возможности мало зависящими от температуры значениями постоянной Холла и подвижности носителей тока. Выбор полупроводникового материала для ДХ диктуется областью его применения.

Как правило, используются полупроводники с электронной проводимостью, поскольку они имеют значительно бó льшую подвижность носителей заряда, чем полупроводники с дырочной проводимостью. Необходимо подчеркнуть, что свойства каждого из указанных полупроводниковых материалов могут существенно изменяться в зависимости от рода и количества примесей, вводимых в них.

§5.2. Измерители на основе эффекта Фарадея (вращения плоскости поляризации света в магнитном поле)

Оптические методы измерения тока обычно основаны на эффекте Фарадея, названном так в честь английского ученого Майкла Фарадея (1791–1867). Эффект Фарадея или магнитооптический эффект – это явление вращения плоскости поляризации линейно поляризованной световой волны, проходящей через среду, например, стеклянный блок, под влиянием магнитного поля. Линейная световая волна может быть также представлена парой совместно распространяющихся световых волн с левой и правой круговой поляризацией. В магнитном поле две волны с круговой поляризацией распространяются с разной скоростью, и тем самым между ними накапливается разность фаз, приводящая к вращению результирующей волны с линейной поляризацией на угол q.

При пропускании поляризованного света через вещества, находящиеся в магнитном поле, с силовыми линиями параллельными образцу, в нём происходит поворот плоскости поляризации света (эффект Фарадея):

, (5.7)

где q угол поворота плоскости поляризации, V - постоянная Верде, зависящая от свойств вещества, В - индукция магнитного поля, L - длина образца. Постоянная Верде обычно мала V ~ , т.е. сотая доля угловой минуты. Постоянная Верде имеет положительный знак, если вращение плоскости поляризации происходит по часовой стрелке при совпадении направления распространения света и силовых линий магнитного поля. Константы Верде для некоторых материалов приведены в табл. 5.1 [31-35].

Таблица 5.1. Константы Верде на длине волны l = 633 нм при Т = 300 К

На основе этого эффекта ряд фирм выпускает устройства для измерения тока в энергосистемах. По аналогии с трансформаторами тока они называются оптические трансформаторы тока, хотя ни какого преобразования первичного тока во вторичный ток не происходит. На рис. 5.4 показана схема эффекта Фарадея и на рис. 5.5 оптический преобразователь, называемый оптическим трансформатором тока (ОТТ).

Конструктивно ОТТ состоит из оптической колонны и комплекта электроники (рис. 5.5) [36].

Оптическая колонна включает в себя сенсор, представляющий собой определенное количество витков оптического волокна, расположенных перпендикулярно шине, по которой протекает первичный ток. Физического контакта сенсора с шиной не требуется.

Электронно-оптический блок 1 преобразует сигнал от лазерного источника в два линейно поляризованных сигнала, посылаемых через сохраняющее поляризацию оптическое волокно 6 к токовому датчику.

На вершине колонны находится круговой поляризатор 2, преобразующий два линейно поляризованных сигнала в сигналы с левой и правой поляризацией.

Далее световые сигналы проходят вокруг проводника по сенсору 3 несколько раз. Магнитное поле, создаваемое током, протекающим в проводнике, влияет на поляризацию оптического сигнала во время его пути вокруг проводника, замедляя один сигнал и ускоряя другой.

Как только поляризованные сигналы завершают свой путь вокруг проводника, они отражаются в зеркале 4 и идут обратно по волокну сенсора 3, причем поляризация теперь направлена в противоположную сторону. На обратном пути эффект ускорения (замедления) сигнала удваивается. Оба сигнала доходят до кругового поляризатора 2, который снова преобразует их в линейно поляризованные световые потоки. При отсутствии проходящего через проводник тока световые сигналы двигаются с одинаковыми фазами. Когда же ток проходит через проводник, происходит сдвиг фаз.

Из-за того что путь света замкнут, сигнал зависит только от силы тока и количества витков оптоволокна, и не зависит от геометрических параметров, таких как диаметр или форма витка.

Точное измерение тока обеспечивается вследствие того, что оба сигнала проходят одинаковый путь, вибрация и температура воздействуют на них в равной степени и их влияние взаимно компенсируется.

ОТТ может быть удален от электронно-оптического блока на расстоянии до 2000 м.

В качестве примера в таблице 5.2 представлены типовые характеристики ОТТ (ЗАО «ПРОФОТЕК»).

Таблица 5.2. Технические характеристики ОТТ

Преимущество ОТТ на основе вращения плоскости поляризации:

1. линейная зависимость от величины первичного тока во всём диапазоне измеряемых токов;

2. полная развязка (электрическая и магнитная) от первичных цепей;

3. ток термической и электродинамической стойкости определяются только термической стойкостью проводника первичного тока и механической прочностью изоляционной колонны, на которой размещён датчик ОТТ.

Датчиками на основе эффекта Фарадея можно измерять не только переменный ток, но и постоянный, что особенно важно для электрохимической промышленности. Фирма АВВ разработала новый оптоволоконный датчик тока FOCS, представленный на рис. 5.6 [35].

Рис. 5.6. Оптоволоконный датчик постоянного тока FOCS

На рис. 5.7. и 5.8 отдельно показана головка датчика.

Рис. 5.7. Сегмент корпуса головки датчика. Измерительное волокно встроено в гибкую прочную измерительную ленту	Рис.5.8. Модульный корпус головки датчика. Легко подгоняется под проводники разного сечения