對用霍爾效應(yīng)法測量磁體表面磁場的探討

內(nèi)容簡介：本文定性分析了用霍爾效應(yīng)法不可能真正測出表面磁場量值的原因，

及介紹一種比較經(jīng)濟(jì)、實(shí)用的測量小磁體表面磁場的方法。

根據(jù)霍爾效應(yīng)原理制成的特斯拉計(jì)（高斯計(jì)）在測量磁場中，有著廣泛的應(yīng)用。這種儀器是由作為傳感器的霍爾探頭及儀表整機(jī)兩部分組成。其中探頭內(nèi)霍爾元件的尺寸、性能與封裝結(jié)構(gòu)對磁場測量的準(zhǔn)確度起著關(guān)鍵的作用。

霍爾效應(yīng)特斯拉計(jì)對均勻、恒定磁場測量的準(zhǔn)確度一般在5%—0.5%，高精度的測量準(zhǔn)確度可以達(dá)到0.05%。但對磁體表面的非均勻磁場的測量就談不上準(zhǔn)確度了。往往是不同的儀表，或同型號的儀表，不同的探頭，或同一支探頭的不同側(cè)面，去測量同一磁體表面，同一位置（應(yīng)該說看上去是同一位置）的磁場時，顯示的結(jié)果大不一樣，誤差可以超過20%，甚至50%。

造成上述差別的原因有兩點(diǎn)：其一，不同探頭內(nèi)霍爾元件封裝的位置不同，或元件不在探頭兩側(cè)的中部。這些探頭在均勻磁場中，不會因位置上的改變而感受到磁場的改變，測量數(shù)據(jù)也不會因位置的不同而帶來誤差。當(dāng)用不同的探頭去測磁體表面發(fā)散的、不均勻的磁場時，雖然表面看上去是放到了同一位置，而內(nèi)部霍爾元件感受到的并不是同一位置的磁場。感受到的場值不同，測量結(jié)果當(dāng)然不一樣。見不同磁體磁場示意圖。一般，對于徑向探頭，厚度越小，內(nèi)部霍爾元件離表面越近，測量表面磁場顯示讀數(shù)越大。采用超薄探頭去測表面磁場時讀數(shù)可以高于常規(guī)探頭20%以上（被測磁體尺寸越小，磁體表面曲率越大，表面磁場越不均勻，測量數(shù)據(jù)差別越大），但是無論多薄的探頭，其內(nèi)部對磁場敏感的部分與磁體表面總有一個間距，不可能為零距離。所以說，不可能測到真正的表面磁場。只能說，使用的探頭越薄，讀數(shù)越能反映出磁體的表面磁場。

原因之二是：不同型號的霍爾探頭內(nèi)，所封裝霍爾元件的敏感區(qū)尺寸不同。早期的體形霍爾元件，如鍺、硅霍爾元件，尺寸一般為4×2㎜2也有6×3㎜2、8×4㎜2、最小為1.5×1.5㎜2，有效的敏感區(qū)基本上是元件本身的尺寸，面積大。若用這種霍爾元件來對磁力線發(fā)散的小磁體、磁體邊角部分或多極充磁的表磁進(jìn)行測量。僅能反映出通過該元件表面的磁感應(yīng)強(qiáng)度的平均值。此值必定小于該區(qū)域的最大值。如果改用敏感區(qū)小的霍爾元件，如砷化鎵霍爾元件，其敏感區(qū)的有效面積約為0.1×0.1～0.2×0.2㎜2遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于體形元件的面積。這種元件就更能反映出表面磁場的場分布，所測到的最大值也更接近該區(qū)域的最大磁感應(yīng)強(qiáng)度實(shí)際值。

由前面的分析可以看出，表面磁場的實(shí)際值（即真實(shí)值）用霍爾效應(yīng)法是根本不可能測到的。也就是說不可能找到、建立一種統(tǒng)一的、共同的表面磁場的量值標(biāo)準(zhǔn)。只能去謀求測出更加接近表面磁場實(shí)際值的方法。

我公司設(shè)計(jì)了一種為測小型磁體（10㎜以下）表面磁場的專用探頭。設(shè)計(jì)原則是：一、采用敏感區(qū)面積小的砷化鎵元件；二、元件的封裝位置盡量接近探頭的表面；三、堅(jiān)固耐用。易于找到最大值。如果與對方的測試數(shù)據(jù)比對時，數(shù)值偏高。用這種探頭的一個樣品，對φ14×3的磁片中間部位和φ2.6×6.6電機(jī)馬達(dá)磁鋼的表磁，同厚度為1.4㎜的常規(guī)探頭和厚度為1.0㎜的超薄探頭作了一次對比測試 （注：這幾種探頭在均勻磁場中的誤差均＜±1%） 測試情況見下表：

上表顯示出，不同探頭在測試φ14大磁片中間部位表磁時，因磁場相對均勻，測試數(shù)據(jù)差別不大，基本上未超過5%，而對于徑向充磁的小型電機(jī)馬達(dá)磁鋼表磁的測試數(shù)據(jù)，則有明顯的差別，0.8mm探頭高于常規(guī)探頭的50%，比1.0厚的超薄探頭的測量值還要高一些。

由此可見，這是一種實(shí)用的效果不錯的為測小型磁體表面磁場的專用探頭。