基于霍尔效应弱磁场测量装置的研制与应用

彭子龙　张艺耀　李一楠　杨建军

摘 要： 为了解决弱磁场强度测量困难的问题，基于霍尔效应开发了以线性霍尔元件为探头弱磁场测量装置。对磁场测量装置各部分电路模块进行了详细设计，并结合矩形线圈磁场分布特征进行了实测值与仿真理论值的对比分析。结果表明，测量结果与理论值具有较好的拟合程度，该装置测量精度为0.01 mT，测量范围为±10 mT，最大测量误差为0.29 mT，具有测量精度高、操作简单方便、设计成本低等优点，可应用于各类线圈弱磁场强度的检测及逐点测量实验中。

关键词： 霍尔效应； 矩形线圈； 弱磁场； 测量装置

中图分类号： TN304.7?34； TM937 文献标识码： A 文章编号： 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

载流线圈是大量电工设备以及机械加工中不可缺少的装置，是科学研究和工程问题中最常用的一种磁体[1?3]。在线圈磁体的设计与研制中，常需要通过测量线圈空间各点的磁场分布对其性能指标进行评估。随着测量技术的不断发展，磁场强度的测量方法也越来越多，例如磁通门法、磁阻效应法、霍尔效应法等[4?8]。其中霍尔元件以它体积小、结构简单、精度高、线性度好、成本低等优点在科学实验和工程技术中得到了广泛的应用[9?12]。本文根据载流线圈磁场较弱的特点，设计了一种新的磁场测量装置，实现了载流线圈磁场的智能、准确测量。

1 霍尔效应原理

霍尔效应既属于电磁效应的一种，又区别于传统的电磁效应，这一现象最早被美国物理学家霍尔发现。当电流通过一导体且电流的方向垂直于外加磁场时，在与电流和磁场均垂直的方向上会产生一附加的电场，以至于导体的两端会产生电势差，这一现象就是霍尔效应，这个电势差一般也被称作霍尔电势差。

一个由半导体材料制成的霍尔元件薄片，设其长、宽、厚分别为[l，b，d。]将其放在如图1所示的垂直磁场中，沿3，4两个侧面方向通以电流，大小为[I。]由于洛伦兹力[Fm]的作用使电子运动轨迹发生偏转，造成电子在霍尔元件薄片的1侧聚集过量的负电荷，2侧聚集过量的正电荷。因此在薄片内部产生了由2侧指向1侧的电场[EH，]同时电子还受到与洛伦兹力反向的电场力[FH]的作用，当两力大小相等时，电子的累积和聚集便达到动态平衡。这时，在霍尔元件薄片1，2两侧之间将会产生稳定的电压[UH。]

2 测量装置设计

磁场测量装置主要由高灵敏度型霍尔探头、温度及不等电动势补偿电路，毫伏差分放大电路、稳压电源、以及毫安电流表和数字电压式示波器、各类电阻、电容等附属器件组成。通过所测的电压信号，经过数据处理获得该点处的磁场强度。

2.1 电路设计

2.1.1 温度补偿

为了减小磁强测量中温度变化引起的误差，通常采用恒温测量，或者选用温度系数小的元件如锑化铟材料探头[13]。由式（1）可以看出，保持稳定的输入电流[I，]具有使霍尔电势趋于稳定的作用，由于灵敏度[KH]也是温度的函数，它随温度变化也必将引起霍尔电势的变化。为了减小温度变化对测量结果的影响，本设计采用了如图2所示的温度补偿方法。利用一分压电阻[R]与霍尔元件的激励电极3，4串联在同一回路中，当霍尔元件的输入电阻随温度升高而增加时，电阻[R]的阻值也随温度升高而增加，减小了霍尔元件的激励电流[IH，][KHI]乘积基本保持不变，也就抵消了灵敏度[KH]增加的影响，从而达到温度补偿的目的。

2.1.2 不等位电动势补偿

由式（1）得，当[I≠0]而[B=0]时，理论上应有[UH=0，]但在实际中由于霍尔电极安装的位置不对称，半导体材料电阻率不均匀或几何尺寸不均匀以及控制电极接触不良等原因，会出现输出霍尔电压[UH]不为零的现象，称为不等位电势[UM，]即存在霍尔传感器输出电压的零位误差。它对最终的测量结果会产生直接的影响。所以，必须采用电路补偿措施。

2.1.3 放大电路

霍尔电压一般为微弱的毫伏信号，为了确保电压无失真的输出，本装置放大电路分为两级放大，放大倍数为1 000。前置放大电路直接与霍尔元件输出的电压信号作为相连；二级放大电路主要用于二次放大，以满足示波器的信号采集。

前置放大电路采用AD620进行处理，具有精度高、噪音低、输入偏置电流低和功耗低等特性，可以有效地抑制电压信号的漂移。

AD620外部引脚如图4所示，内部结构由三个集成运放构成，前级两放大器组成了同相高输入阻抗的差动输入和差动输出，后级放大器用来消除任何共模信号。

根据小信号放大器的设计原则，前级的增益不能设置太高，AD620放大倍数设置为20，[RG=]2.61 kΩ。由于霍尔传感器输出的信号微弱，考虑到电路产生的寄生噪声、芯片自身的噪声及工频干扰信号，为了提高信号的质量，采用如下设计：电源的引入端增加了退耦电容，即在引脚4，7处分别并联接入100 nF和10 μF的电容；信号的输入端增加RC低通滤波器，即在引脚2，3处接RC低通滤波器，滤除高频信号，提高了电路的抗干扰能力。

二级放大电路采用LM358运算放大器，其内部包括有两个独立的、高增益、内部频率补偿的双运算放大器，不仅适合于单电源使用，且供电电压范围很宽，也可适用于双电源的工作模式。

利用LM358内部的两个独立放大器共同组成二级放大，前级放大器采用正相输入，后级放大器采用反相输入。这保证了高增益和高输入阻抗，进而保证前级放大电路的输出能够大部分输入到次级放大电路，同时有利于抑制共模输入。

放大输出结果[Uo]满足示波器的显示和测量范围，可进行实时测量。将实验的测量值除以放大倍数得[UH。]根据测量装置的温度补偿，电路接通后[KHI]的乘积基本保持不变，利用已知型号霍尔探头的参数可得其灵敏度[KH，]外加电流测量装置测量其[I]值，即可得其乘积。最后根据式（2）即可得出要求的磁场强度[B。]

3 测量装置校准

3.1 矩形线圈测量及仿真

利用所设计的弱磁场测量装置对矩形体线圈中心轴线上不同位置的磁感应强度值进行测量，通过仿真计算值与测量值的对比，对设计装置进行校准，如图6所示。

3.2 结果对比分析

根据测量与计算得到[x，y]轴不同位置的磁场强度[B]与仿真结果对比见表2，并绘制线圈[x，y]轴线磁场强度与位置曲线，如图8所示。

根据表2可以看出，测量结果与仿真结果相比较，数值大小吻合，变化趋势相一致。受诸多因素的影响，实际测量数据与仿真数值之间可能在个别孤点出现一定幅度的偏差。

4 结 论

本测量装置的研制为基于霍尔效应用于弱磁场的检测及逐点测量提供了一种精确的测量手段，使弱磁场的测量简便、快捷、准确度高。通过实验表明，在装置测量范围内，该装置测量精度达到0.01 mT，相对误差精度可控制在5%以内。

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