基于霍爾效應(yīng)弱磁場(chǎng)測(cè)量裝置的研制與應(yīng)用

彭子龍　張藝耀　李一楠　楊建軍

摘 要： 為了解決弱磁場(chǎng)強(qiáng)度測(cè)量困難的問(wèn)題，基于霍爾效應(yīng)開(kāi)發(fā)了以線性霍爾元件為探頭弱磁場(chǎng)測(cè)量裝置。對(duì)磁場(chǎng)測(cè)量裝置各部分電路模塊進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計(jì)，并結(jié)合矩形線圈磁場(chǎng)分布特征進(jìn)行了實(shí)測(cè)值與仿真理論值的對(duì)比分析。結(jié)果表明，測(cè)量結(jié)果與理論值具有較好的擬合程度，該裝置測(cè)量精度為0.01 mT，測(cè)量范圍為±10 mT，最大測(cè)量誤差為0.29 mT，具有測(cè)量精度高、操作簡(jiǎn)單方便、設(shè)計(jì)成本低等優(yōu)點(diǎn)，可應(yīng)用于各類線圈弱磁場(chǎng)強(qiáng)度的檢測(cè)及逐點(diǎn)測(cè)量實(shí)驗(yàn)中。

關(guān)鍵詞： 霍爾效應(yīng)； 矩形線圈； 弱磁場(chǎng)； 測(cè)量裝置

中圖分類號(hào)： TN304.7?34； TM937 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2016）07?0154?04

Abstract： The low?intensity magnetic field is hard to measure， so the low?intensity magnetic field measurement device taking the linear Hall element as the probe was developed based on Hall effect. The circuit modules of the magnetic field measurement device were designed in detail. The measured value and simulation theoretical value are compared in combination with the magnetic field distribution characteristic of the rectangular coil. The comparison results show that the measured value and theoretical value have perfect fitting degree. The measurement accuracy of the device is 0.01 mT， measurement range is ±10 mT， and maximum measurement error is 0.29 mT. The measurement device has the advantages of high measurement accuracy， easy operation and low cost， and can apply to the detection of various coil low?intensity magnetic fields and point?by?point measurement experiments.

Keywords： Hall effect； rectangular coil； low?intensity magnetic field； measurement device

0 引 言

載流線圈是大量電工設(shè)備以及機(jī)械加工中不可缺少的裝置，是科學(xué)研究和工程問(wèn)題中最常用的一種磁體[1?3]。在線圈磁體的設(shè)計(jì)與研制中，常需要通過(guò)測(cè)量線圈空間各點(diǎn)的磁場(chǎng)分布對(duì)其性能指標(biāo)進(jìn)行評(píng)估。隨著測(cè)量技術(shù)的不斷發(fā)展，磁場(chǎng)強(qiáng)度的測(cè)量方法也越來(lái)越多，例如磁通門法、磁阻效應(yīng)法、霍爾效應(yīng)法等[4?8]。其中霍爾元件以它體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、精度高、線性度好、成本低等優(yōu)點(diǎn)在科學(xué)實(shí)驗(yàn)和工程技術(shù)中得到了廣泛的應(yīng)用[9?12]。本文根據(jù)載流線圈磁場(chǎng)較弱的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種新的磁場(chǎng)測(cè)量裝置，實(shí)現(xiàn)了載流線圈磁場(chǎng)的智能、準(zhǔn)確測(cè)量。

1 霍爾效應(yīng)原理

霍爾效應(yīng)既屬于電磁效應(yīng)的一種，又區(qū)別于傳統(tǒng)的電磁效應(yīng)，這一現(xiàn)象最早被美國(guó)物理學(xué)家霍爾發(fā)現(xiàn)。當(dāng)電流通過(guò)一導(dǎo)體且電流的方向垂直于外加磁場(chǎng)時(shí)，在與電流和磁場(chǎng)均垂直的方向上會(huì)產(chǎn)生一附加的電場(chǎng)，以至于導(dǎo)體的兩端會(huì)產(chǎn)生電勢(shì)差，這一現(xiàn)象就是霍爾效應(yīng)，這個(gè)電勢(shì)差一般也被稱作霍爾電勢(shì)差。

一個(gè)由半導(dǎo)體材料制成的霍爾元件薄片，設(shè)其長(zhǎng)、寬、厚分別為[l，b，d。]將其放在如圖1所示的垂直磁場(chǎng)中，沿3，4兩個(gè)側(cè)面方向通以電流，大小為[I。]由于洛倫茲力[Fm]的作用使電子運(yùn)動(dòng)軌跡發(fā)生偏轉(zhuǎn)，造成電子在霍爾元件薄片的1側(cè)聚集過(guò)量的負(fù)電荷，2側(cè)聚集過(guò)量的正電荷。因此在薄片內(nèi)部產(chǎn)生了由2側(cè)指向1側(cè)的電場(chǎng)[EH，]同時(shí)電子還受到與洛倫茲力反向的電場(chǎng)力[FH]的作用，當(dāng)兩力大小相等時(shí)，電子的累積和聚集便達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。這時(shí)，在霍爾元件薄片1，2兩側(cè)之間將會(huì)產(chǎn)生穩(wěn)定的電壓[UH。]

2 測(cè)量裝置設(shè)計(jì)

磁場(chǎng)測(cè)量裝置主要由高靈敏度型霍爾探頭、溫度及不等電動(dòng)勢(shì)補(bǔ)償電路，毫伏差分放大電路、穩(wěn)壓電源、以及毫安電流表和數(shù)字電壓式示波器、各類電阻、電容等附屬器件組成。通過(guò)所測(cè)的電壓信號(hào)，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理獲得該點(diǎn)處的磁場(chǎng)強(qiáng)度。

2.1 電路設(shè)計(jì)

2.1.1 溫度補(bǔ)償

為了減小磁強(qiáng)測(cè)量中溫度變化引起的誤差，通常采用恒溫測(cè)量，或者選用溫度系數(shù)小的元件如銻化銦材料探頭[13]。由式（1）可以看出，保持穩(wěn)定的輸入電流[I，]具有使霍爾電勢(shì)趨于穩(wěn)定的作用，由于靈敏度[KH]也是溫度的函數(shù)，它隨溫度變化也必將引起霍爾電勢(shì)的變化。為了減小溫度變化對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，本設(shè)計(jì)采用了如圖2所示的溫度補(bǔ)償方法。利用一分壓電阻[R]與霍爾元件的激勵(lì)電極3，4串聯(lián)在同一回路中，當(dāng)霍爾元件的輸入電阻隨溫度升高而增加時(shí)，電阻[R]的阻值也隨溫度升高而增加，減小了霍爾元件的激勵(lì)電流[IH，][KHI]乘積基本保持不變，也就抵消了靈敏度[KH]增加的影響，從而達(dá)到溫度補(bǔ)償?shù)哪康摹?/p>

2.1.2 不等位電動(dòng)勢(shì)補(bǔ)償

由式（1）得，當(dāng)[I≠0]而[B=0]時(shí)，理論上應(yīng)有[UH=0，]但在實(shí)際中由于霍爾電極安裝的位置不對(duì)稱，半導(dǎo)體材料電阻率不均勻或幾何尺寸不均勻以及控制電極接觸不良等原因，會(huì)出現(xiàn)輸出霍爾電壓[UH]不為零的現(xiàn)象，稱為不等位電勢(shì)[UM，]即存在霍爾傳感器輸出電壓的零位誤差。它對(duì)最終的測(cè)量結(jié)果會(huì)產(chǎn)生直接的影響。所以，必須采用電路補(bǔ)償措施。

2.1.3 放大電路

霍爾電壓一般為微弱的毫伏信號(hào)，為了確保電壓無(wú)失真的輸出，本裝置放大電路分為兩級(jí)放大，放大倍數(shù)為1 000。前置放大電路直接與霍爾元件輸出的電壓信號(hào)作為相連；二級(jí)放大電路主要用于二次放大，以滿足示波器的信號(hào)采集。

前置放大電路采用AD620進(jìn)行處理，具有精度高、噪音低、輸入偏置電流低和功耗低等特性，可以有效地抑制電壓信號(hào)的漂移。

AD620外部引腳如圖4所示，內(nèi)部結(jié)構(gòu)由三個(gè)集成運(yùn)放構(gòu)成，前級(jí)兩放大器組成了同相高輸入阻抗的差動(dòng)輸入和差動(dòng)輸出，后級(jí)放大器用來(lái)消除任何共模信號(hào)。

根據(jù)小信號(hào)放大器的設(shè)計(jì)原則，前級(jí)的增益不能設(shè)置太高，AD620放大倍數(shù)設(shè)置為20，[RG=]2.61 kΩ。由于霍爾傳感器輸出的信號(hào)微弱，考慮到電路產(chǎn)生的寄生噪聲、芯片自身的噪聲及工頻干擾信號(hào)，為了提高信號(hào)的質(zhì)量，采用如下設(shè)計(jì)：電源的引入端增加了退耦電容，即在引腳4，7處分別并聯(lián)接入100 nF和10 μF的電容；信號(hào)的輸入端增加RC低通濾波器，即在引腳2，3處接RC低通濾波器，濾除高頻信號(hào)，提高了電路的抗干擾能力。

二級(jí)放大電路采用LM358運(yùn)算放大器，其內(nèi)部包括有兩個(gè)獨(dú)立的、高增益、內(nèi)部頻率補(bǔ)償?shù)碾p運(yùn)算放大器，不僅適合于單電源使用，且供電電壓范圍很寬，也可適用于雙電源的工作模式。

利用LM358內(nèi)部的兩個(gè)獨(dú)立放大器共同組成二級(jí)放大，前級(jí)放大器采用正相輸入，后級(jí)放大器采用反相輸入。這保證了高增益和高輸入阻抗，進(jìn)而保證前級(jí)放大電路的輸出能夠大部分輸入到次級(jí)放大電路，同時(shí)有利于抑制共模輸入。

放大輸出結(jié)果[Uo]滿足示波器的顯示和測(cè)量范圍，可進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量。將實(shí)驗(yàn)的測(cè)量值除以放大倍數(shù)得[UH。]根據(jù)測(cè)量裝置的溫度補(bǔ)償，電路接通后[KHI]的乘積基本保持不變，利用已知型號(hào)霍爾探頭的參數(shù)可得其靈敏度[KH，]外加電流測(cè)量裝置測(cè)量其[I]值，即可得其乘積。最后根據(jù)式（2）即可得出要求的磁場(chǎng)強(qiáng)度[B。]

3 測(cè)量裝置校準(zhǔn)

3.1 矩形線圈測(cè)量及仿真

利用所設(shè)計(jì)的弱磁場(chǎng)測(cè)量裝置對(duì)矩形體線圈中心軸線上不同位置的磁感應(yīng)強(qiáng)度值進(jìn)行測(cè)量，通過(guò)仿真計(jì)算值與測(cè)量值的對(duì)比，對(duì)設(shè)計(jì)裝置進(jìn)行校準(zhǔn)，如圖6所示。

3.2 結(jié)果對(duì)比分析

根據(jù)測(cè)量與計(jì)算得到[x，y]軸不同位置的磁場(chǎng)強(qiáng)度[B]與仿真結(jié)果對(duì)比見(jiàn)表2，并繪制線圈[x，y]軸線磁場(chǎng)強(qiáng)度與位置曲線，如圖8所示。

根據(jù)表2可以看出，測(cè)量結(jié)果與仿真結(jié)果相比較，數(shù)值大小吻合，變化趨勢(shì)相一致。受諸多因素的影響，實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)與仿真數(shù)值之間可能在個(gè)別孤點(diǎn)出現(xiàn)一定幅度的偏差。

4 結(jié) 論

本測(cè)量裝置的研制為基于霍爾效應(yīng)用于弱磁場(chǎng)的檢測(cè)及逐點(diǎn)測(cè)量提供了一種精確的測(cè)量手段，使弱磁場(chǎng)的測(cè)量簡(jiǎn)便、快捷、準(zhǔn)確度高。通過(guò)實(shí)驗(yàn)表明，在裝置測(cè)量范圍內(nèi)，該裝置測(cè)量精度達(dá)到0.01 mT，相對(duì)誤差精度可控制在5%以內(nèi)。

參考文獻(xiàn)

[1] 潘啟軍，馬偉明，趙治華，等.磁場(chǎng)測(cè)量方法的發(fā)展及應(yīng)用[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2005，20（3）：7?13.

[2] 姜志鵬，趙偉，屈凱峰.磁場(chǎng)測(cè)量技術(shù)的發(fā)展及其應(yīng)用[J].電測(cè)與儀表，2008，45（4）：1?5.

[3] 朱筱瑋，劉絨俠.大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教程[M].西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社，2004.

[4] 金惕若.空間磁場(chǎng)的測(cè)量[J].測(cè)控技術(shù)，2000，19（11）：32?35.

[5] 楊述武，楊介信，陳國(guó)英.普通物理實(shí)驗(yàn)（電磁學(xué)部分）[M].北京：高等教育出版社，2002：166?173.

[6] 劉戰(zhàn)存，鄭余梅.霍爾效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)[J].大學(xué)物理，2007，26（11）：51?55.

[7] 渠珊珊，何志偉.基于霍爾效應(yīng)的磁場(chǎng)測(cè)量方法的研究[J].電測(cè)與儀表，2013，50（10）：98?101.

[8] 吳魏霞，楊少波，張明長(zhǎng).一種霍爾效應(yīng)測(cè)量磁場(chǎng)的設(shè)計(jì)方法[J].大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)，2010，23（5）：38?40.

[9] 盧志才，米東，徐章遂.一種新的弱磁場(chǎng)檢測(cè)方法研究[J].儀表技術(shù)，2010（9）：6?7.

[10] 劉篤仁，韓保君.傳感器原理及應(yīng)用技術(shù)[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2008.

[11] 劉雪梅.霍爾效應(yīng)理論發(fā)展過(guò)程的研究[J].重慶文理學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2011，30（2）：41? 44.

[12] 郭鑫，唐曉莉，張懷武，等.基于磁阻效應(yīng)的地磁場(chǎng)探測(cè)研究[J].電子元件與材料，2014，33（11）：70?72.

[13] 王鋒，劉美全，范江瑋.霍爾傳感器溫度補(bǔ)償方法研究[J].電子測(cè)量技術(shù)，2014，37（6）：97?99.