基于霍爾效應弱磁場測量裝置的研制與應用

彭子龍　張藝耀　李一楠　楊建軍

摘 要： 為了解決弱磁場強度測量困難的問題，基于霍爾效應開發了以線性霍爾元件為探頭弱磁場測量裝置。對磁場測量裝置各部分電路模塊進行了詳細設計，并結合矩形線圈磁場分布特征進行了實測值與仿真理論值的對比分析。結果表明，測量結果與理論值具有較好的擬合程度，該裝置測量精度為0.01 mT，測量范圍為±10 mT，最大測量誤差為0.29 mT，具有測量精度高、操作簡單方便、設計成本低等優點，可應用于各類線圈弱磁場強度的檢測及逐點測量實驗中。

關鍵詞： 霍爾效應； 矩形線圈； 弱磁場； 測量裝置

中圖分類號： TN304.7?34； TM937 文獻標識碼： A 文章編號： 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備以及機械加工中不可缺少的裝置，是科學研究和工程問題中最常用的一種磁體[1?3]。在線圈磁體的設計與研制中，常需要通過測量線圈空間各點的磁場分布對其性能指標進行評估。隨著測量技術的不斷發展，磁場強度的測量方法也越來越多，例如磁通門法、磁阻效應法、霍爾效應法等[4?8]。其中霍爾元件以它體積小、結構簡單、精度高、線性度好、成本低等優點在科學實驗和工程技術中得到了廣泛的應用[9?12]。本文根據載流線圈磁場較弱的特點，設計了一種新的磁場測量裝置，實現了載流線圈磁場的智能、準確測量。

1 霍爾效應原理

霍爾效應既屬于電磁效應的一種，又區別于傳統的電磁效應，這一現象最早被美國物理學家霍爾發現。當電流通過一導體且電流的方向垂直于外加磁場時，在與電流和磁場均垂直的方向上會產生一附加的電場，以至于導體的兩端會產生電勢差，這一現象就是霍爾效應，這個電勢差一般也被稱作霍爾電勢差。

一個由半導體材料制成的霍爾元件薄片，設其長、寬、厚分別為[l，b，d。]將其放在如圖1所示的垂直磁場中，沿3，4兩個側面方向通以電流，大小為[I。]由于洛倫茲力[Fm]的作用使電子運動軌跡發生偏轉，造成電子在霍爾元件薄片的1側聚集過量的負電荷，2側聚集過量的正電荷。因此在薄片內部產生了由2側指向1側的電場[EH，]同時電子還受到與洛倫茲力反向的電場力[FH]的作用，當兩力大小相等時，電子的累積和聚集便達到動態平衡。這時，在霍爾元件薄片1，2兩側之間將會產生穩定的電壓[UH。]

2 測量裝置設計

磁場測量裝置主要由高靈敏度型霍爾探頭、溫度及不等電動勢補償電路，毫伏差分放大電路、穩壓電源、以及毫安電流表和數字電壓式示波器、各類電阻、電容等附屬器件組成。通過所測的電壓信號，經過數據處理獲得該點處的磁場強度。

2.1 電路設計

2.1.1 溫度補償

為了減小磁強測量中溫度變化引起的誤差，通常采用恒溫測量，或者選用溫度系數小的元件如銻化銦材料探頭[13]。由式（1）可以看出，保持穩定的輸入電流[I，]具有使霍爾電勢趨于穩定的作用，由于靈敏度[KH]也是溫度的函數，它隨溫度變化也必將引起霍爾電勢的變化。為了減小溫度變化對測量結果的影響，本設計采用了如圖2所示的溫度補償方法。利用一分壓電阻[R]與霍爾元件的激勵電極3，4串聯在同一回路中，當霍爾元件的輸入電阻隨溫度升高而增加時，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，從而達到溫度補償的目的。

2.1.2 不等位電動勢補償

由式（1）得，當[I≠0]而[B=0]時，理論上應有[UH=0，]但在實際中由于霍爾電極安裝的位置不對稱，半導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，會出現輸出霍爾電壓[UH]不為零的現象，稱為不等位電勢[UM，]即存在霍爾傳感器輸出電壓的零位誤差。它對最終的測量結果會產生直接的影響。所以，必須采用電路補償措施。

2.1.3 放大電路

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

前置放大電路采用AD620進行處理，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的漂移。

AD620外部引腳如圖4所示，內部結構由三個集成運放構成，前級兩放大器組成了同相高輸入阻抗的差動輸入和差動輸出，后級放大器用來消除任何共模信號。

根據小信號放大器的設計原則，前級的增益不能設置太高，AD620放大倍數設置為20，[RG=]2.61 kΩ。由于霍爾傳感器輸出的信號微弱，考慮到電路產生的寄生噪聲、芯片自身的噪聲及工頻干擾信號，為了提高信號的質量，采用如下設計：電源的引入端增加了退耦電容，即在引腳4，7處分別并聯接入100 nF和10 μF的電容；信號的輸入端增加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，提高了電路的抗干擾能力。

二級放大電路采用LM358運算放大器，其內部包括有兩個獨立的、高增益、內部頻率補償的雙運算放大器，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內部的兩個獨立放大器共同組成二級放大，前級放大器采用正相輸入，后級放大器采用反相輸入。這保證了高增益和高輸入阻抗，進而保證前級放大電路的輸出能夠大部分輸入到次級放大電路，同時有利于抑制共模輸入。

放大輸出結果[Uo]滿足示波器的顯示和測量范圍，可進行實時測量。將實驗的測量值除以放大倍數得[UH。]根據測量裝置的溫度補償，電路接通后[KHI]的乘積基本保持不變，利用已知型號霍爾探頭的參數可得其靈敏度[KH，]外加電流測量裝置測量其[I]值，即可得其乘積。最后根據式（2）即可得出要求的磁場強度[B。]

3 測量裝置校準

3.1 矩形線圈測量及仿真

利用所設計的弱磁場測量裝置對矩形體線圈中心軸線上不同位置的磁感應強度值進行測量，通過仿真計算值與測量值的對比，對設計裝置進行校準，如圖6所示。

3.2 結果對比分析

根據測量與計算得到[x，y]軸不同位置的磁場強度[B]與仿真結果對比見表2，并繪制線圈[x，y]軸線磁場強度與位置曲線，如圖8所示。

根據表2可以看出，測量結果與仿真結果相比較，數值大小吻合，變化趨勢相一致。受諸多因素的影響，實際測量數據與仿真數值之間可能在個別孤點出現一定幅度的偏差。

4 結 論

本測量裝置的研制為基于霍爾效應用于弱磁場的檢測及逐點測量提供了一種精確的測量手段，使弱磁場的測量簡便、快捷、準確度高。通過實驗表明，在裝置測量范圍內，該裝置測量精度達到0.01 mT，相對誤差精度可控制在5%以內。

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