霍尔探头尺寸对高斯计测试值的影响

对用霍尔效应法测量磁体表面磁场的探讨

内容简介：本文定性分析了用霍尔效应法不可能真正测出表面磁场量值的原因，及介绍一种比较经济、实用的测量小磁体表面磁场的方法。

根据霍尔效应原理制成的特斯拉计（高斯计）在测量磁场中，有着广泛的应用。这种仪器是由作为传感器的霍尔探头及仪表整机两部分组成。其中探头内霍尔元件的尺寸、性能与封装结构对磁场测量的准确度起着关键的作用。

霍尔效应特斯拉计对均匀、恒定磁场测量的准确度一般在5%—0.5%，高精度的测量准确度可以达到0.05%。但对磁体表面的非均匀磁场的测量就谈不上准确度了。往往是不同的仪表，或同型号的仪表，不同的探头，或同一支探头的不同侧面，去测量同一磁体表面，同一位置（应该说看上去是同一位置）的磁场时，显示的结果大不一样，误差可以超过20%，甚至50%。

造成上述差别的原因有两点：

其一，不同探头内霍尔元件封装的位置不同，或元件不在探头两侧的中部。这些探头在均匀磁场中，不会因位置上的改变而感受到磁场的改变，测量数据也不会因位置的不同而带来误差。当用不同的探头去测磁体表面发散的、不均匀的磁场时，虽然表面看上去是放到了同一位置，而内部霍尔元件感受到的并不是同一位置的磁场。感受到的场值不同，测量结果当然不一样。见不同磁体磁场示意图。一般，对于径向探头，厚度越小，内部霍尔元件离表面越近，测量表面磁场显示读数越大。采用超薄探头去测表面磁场时读数可以高于常规探头20%以上（被测磁体尺寸越小，磁体表面曲率越大，表面磁场越不均匀，测量数据差别越大），但是无论多薄的探头，其内部对磁场敏感的部分与磁体表面总有一个间距，不可能为零距离。所以说，不可能测到真正的表面磁场。只能说，使用的探头越薄，读数越能反映出磁体的表面磁场。

原因之二是：不同型号的霍尔探头内，所封装霍尔元件的敏感区尺寸不同。早期的体形霍尔元件，如锗、硅霍尔元件，尺寸一般为4×2㎜2也有6×3㎜2、8×4㎜2、最小为1.5×1.5㎜2，有效的敏感区基本上是元件本身的尺寸，面积大。若用这种霍尔元件来对磁力线发散的小磁体、磁体边角部分或多极充磁的表磁进行测量。仅能反映出通过该元件表面的磁感应强度的平均值。此值必定小于该区域的最大值。如果改用敏感区小的霍尔元件，如砷化镓霍尔元件，其敏感区的有效面积约为0.1×0.1～0.2×0.2㎜2远远小于体形元件的面积。这种元件就更能反映出表面磁场的场分布，所测到的最大值也更接近该区域的最大磁感应强度实际值。

由前面的分析可以看出，表面磁场的实际值（即真实值）用霍尔效应法是根本不可能测到的。也就是说不可能找到、建立一种统一的、共同的表面磁场的量值标准。只能去谋求测出更加接近表面磁场实际值的方法。

我公司设计了一种为测小型磁体（10㎜以下）表面磁场的专用探头。设计原则是：一、采用敏感区面积小的砷化镓元件；二、元件的封装位置尽量接近探头的表面；三、坚固耐用。易于找到最大值。如果与对方的测试数据比对时，数值偏高。用这种探头的一个样品，对φ14×3的磁片中间部位和φ2.6×6.6电机马达磁钢的表磁，同厚度为1.4㎜的常规探头和厚度为1.0㎜的超薄探头作了一次对比测试 （注：这几种探头在均匀磁场中的误差均＜±1%） 测试情况见下表：

  上表显示出，不同探头在测试φ14大磁片中间部位表磁时，因磁场相对均匀，测试数据差别不大，基本上未超过5%，而对于径向充磁的小型电机马达磁钢表磁的测试数据，则有明显的差别，0.8mm探头高于常规探头的50%，比1.0厚的超薄探头的测量值还要高一些。

由此可见，这是一种实用的效果不错的为测小型磁体表面磁场的专用探头。