彭子龍　張藝耀　李一楠　楊建軍

摘 要： 為了解決弱磁場強(qiáng)度測量困難的問題，基于霍爾效應(yīng)開發(fā)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(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計(jì)，并結(jié)合矩形線圈磁場分布特征進(jìn)行了實(shí)測值與仿真理論值的對比分析。結(jié)果表明，測量結(jié)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(shè)計(jì)成本低等優(yōu)點(diǎn)，可應(yīng)用于各類線圈弱磁場強(qiáng)度的檢測及逐點(diǎn)測量實(shí)驗(yàn)中。

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

中圖分類號： TN304.7?34； TM937 文獻(xiàn)標(biāo)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(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，常需要通過測量線圈空間各點(diǎn)的磁場分布對其性能指標(biāo)進(jìn)行評估。隨著測量技術(shù)的不斷發(fā)展，磁場強(qiáng)度的測量方法也越來越多，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)載流線圈磁場較弱的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種新的磁場測量裝置，實(shí)現(xiàn)了載流線圈磁場的智能、準(zhǔn)確測量。

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)象最早被美國物理學(xué)家霍爾發(fā)現(xiàn)。當(dāng)電流通過一導(dǎo)體且電流的方向垂直于外加磁場時(shí)，在與電流和磁場均垂直的方向上會產(chǎn)生一附加的電場，以至于導(dǎo)體的兩端會產(chǎn)生電勢差，這一現(xiàn)象就是霍爾效應(yīng)，這個(gè)電勢差一般也被稱作霍爾電勢差。

一個(gè)由半導(dǎo)體材料制成的霍爾元件薄片，設(shè)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(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)聚集過量的負(fù)電荷，2側(cè)聚集過量的正電荷。因此在薄片內(nèi)部產(chǎn)生了由2側(cè)指向1側(cè)的電場[EH，]同時(shí)電子還受到與洛倫茲力反向的電場力[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)到動態(tài)平衡。這時(shí)，在霍爾元件薄片1，2兩側(cè)之間將會產(chǎn)生穩(wěn)定的電壓[UH。]

2 測量裝置設(shè)計(jì)

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(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。通過所測的電壓信號，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理獲得該點(diǎn)處的磁場強(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(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的變化。為了減小溫度變化對測量結(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 不等位電動勢補(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，會出現(xiàn)輸出霍爾電壓[UH]不為零的現(xiàn)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(jié)果會產(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，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(shù)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(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(jù)小信號放大器的設(shè)計(jì)原則，前級的增益不能設(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，為了提高信號的質(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(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(jìn)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(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量范圍，可進(jìn)行實(shí)時(shí)測量。將實(shí)驗(yàn)的測量值除以放大倍數(shù)得[UH。]根據(jù)測量裝置的溫度補(bǔ)償，電路接通后[KHI]的乘積基本保持不變，利用已知型號霍爾探頭的參數(shù)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(jù)式（2）即可得出要求的磁場強(qiáng)度[B。]

3 測量裝置校準(zhǔn)

3.1 矩形線圈測量及仿真

利用所設(shè)計(jì)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(yīng)強(qiáng)度值進(jìn)行測量，通過仿真計(jì)算值與測量值的對比，對設(shè)計(jì)裝置進(jìn)行校準(zhǔn)，如圖6所示。

3.2 結(jié)果對比分析

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

根據(jù)表2可以看出，測量結(jié)果與仿真結(jié)果相比較，數(shù)值大小吻合，變化趨勢相一致。受諸多因素的影響，實(shí)際測量數(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

本測量裝置的研制為基于霍爾效應(yīng)用于弱磁場的檢測及逐點(diǎn)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(zhǔn)確度高。通過實(shí)驗(yàn)表明，在裝置測量范圍內(nèi)，該裝置測量精度達(dá)到0.01 mT，相對誤差精度可控制在5%以內(nèi)。

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