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高级工程师

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只看楼主倒序阅读楼主发表于: 2011-04-07

关键词：高斯计特斯拉计霍尔效应

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。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的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，表面磁场分布越不均匀，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，所封装的霍尔元件敏感区尺寸不同。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。如果改用敏感区的小霍尔元件，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。

对用霍尔效应法测量磁体表面磁场的探讨--高斯计如何选择探头

一、永磁测量仪器

永磁测量仪器是用于各种永磁磁性材料磁性能参数测量的专用仪器。我们通常用到的仪器有：高斯计(特斯拉计)、 B-H磁滞回线仪等。磁通计

1、高斯计(特斯拉计)：用于测量各种永磁体表面磁场强度及气隙磁场强度。

2、磁通计：用于测量永磁体的感应磁通量。

3、B-H磁滞回线仪：用于测量永磁材料 Br 、 Hcb 、 Hcj 、 BHmax等磁性能参数，可自动绘制磁滞回线和退磁曲线。

二、高斯计(特斯拉计)

1、高斯计(特斯拉计)的种类分类：指针式、数字式、便携式。

2、高斯计(特斯拉计)的应用

(a)永磁体的表面磁场测量：采用高斯计(特斯拉计)测量永磁产品表面磁场强度，主要是对永磁产品的质量及充磁后磁性能一致性的评估;通常测量中磁体表面中心点的磁场强度进行测量，通过对标准样品数据进行比较从而判断产品是否合格，同时也可以保证材料的一致性。

(b)气隙磁场的测量：采用高斯计(特斯拉计)测量气磁场的应用比较广泛，在科研、电子制造、机械等领域均有用到。目前应用比较典型的行业主要有电机和电声两大行业。

(c)余磁测量：如工件退磁后的退磁效果检测。

(d)漏磁测量：如喇叭漏磁测量。

(e)环境磁场测量

3、高斯计(特斯拉计)选型：高斯计(特斯拉计)的选型首先应从测量对象入手，考虑以下几个方面：

a、磁场类型：磁场分为直流磁场和交流磁场两种，永磁材料磁场强度应选用直流高斯计测量;

b、仪器量程：明确被测对象的大概磁场范围，选择仪器的量程范围应大于被测量磁场;

c、测量精确度：指仪器的分辨率，如分辨率是 1Gs 或者 0.1Gs 等;

d、探头选择：通常仪器生产厂家的测试探头都有多种不同规格，以满足各种不同测试要求，测量表面磁场强度通常不需要考虑探头规格。

①气隙磁场测量：应访考虑探头的尺寸大小，如探头尺寸大于被测气隙，则无法进入到被测的气隙中，从而无法使用;

②探头方向选择：探头方向分横向和轴向两种，用户在探头选择时应根据被测对象考虑选择适应的探头;

③探头连接线：仪器生产厂家探头线缆的长度通常是固定的，如有特殊测量要求，需延长或缩短探头线时，应向厂家提出。高斯计

e、供电方式：台式高斯计通常采用交流 220V 供电，便携式高斯计采用电池供电。

f、功能选择

①常规功能：极性判断、最大值锁定等;

②便携性：如需户外操作或现场测量，可选择便携性较好的掌上高斯计(便携式)，此类仪器体积小，重量轻，采用电池供电;

③生产线快速测量：仪器具有上、下限设置及报警功能;

④交流磁场测量：用于测量低频( 1 — 400Hz )交变磁场强度的大小;

三、磁通计

磁通计一般是直接测量探头线圈的磁感应通量，使用较多的是配以霍姆赫兹线圈，此种方法多是与标准样品进行比较，进而进行产品的合格性判定。

磁通计使用之前，一定要按照要求进行预热，使用中要调整好积分漂移，使漂移量在规定的范围之内。每次测量之前要重定清零，释放掉积分电容的残留电荷或漂移积分电荷。

当磁体的磁路闭合时，可以使用磁通计测量、计算剩磁，具体计算方法是： Br=Φ/N/S式中：Φ-- 磁通量 ; N--线圈匝数;S-- 磁体横截面积。

应用磁通计进行产品的合格性检验时，被测样品和线圈的相对位置一定要与 " 标准样品的和线圈的相对位置"相同。如果产品的性能范围有严格的要求，应保存上限性能的产品、下限性能的产品，以进行检验定标、检验。

四、永磁 B- H 磁滞回线测量仪

永磁 B-H 磁滞回线测量仪可测量永磁材料的磁滞回线和退磁曲线，准确测量剩磁 Br 、矫顽力 HcB 、内禀矫顽力HcJ和最大能积 (BH)max 等磁特性参数。

随着计算机系统集成技术的迅速发展与应用，基于计算机操作平台的磁测量系统也应运而生。

五、充磁

在磁体长度接近充磁线圈的情况下充磁时，磁体的垂直中心位置应与充磁线圈的垂直中心位置重合，这样才能保证磁体两端磁场强度相等，保证充磁的对称性减小由於充磁方法的原因造成磁体两端表面磁场强度相等。

理论证明，充磁线圈两端磁场强度是线圈的中心点的磁场强度是的 1/2 ，在磁体接近充磁线圈的长度时，对於 H 、SH以上系列的产品有可能无法饱和充磁，当磁场强度不是足够大时，即使时 M 、N系列的产品也无法饱和充磁。在一般情况下，充磁磁体的长度最好小於充磁线圈的 2/3 。

六、磁体易磁化方向的判定

对於正方形方块、垂直轴向取向的圆柱都存在取向(易磁化方向)的识别问题，可以采用已充磁的产品或借用仪器进行识别，具体方法如下：

(1)、用已充磁的产品进行识别：对於正方形方块，由於材料的各向异性，磁筹是按取向方向排列，因而取向方向易於磁化，磁化之后异极相吸吸力较大，而非取向方向的吸力则小，以次来识别判定取向方向;检测用的磁铁应稍大一些，过磁体小时吸力大小差异不易判别;对於垂直轴向取向的圆柱，一般只能用已充磁的磁体进行检测：用磁铁吸圆柱表面，将圆柱吸起，与地面垂直的方向即为取向充磁方向;

(2)、利用磁通计进行识别：可以在正方形材料上吸一块磁铁，磁铁的方向与磁通线圈垂直，磁通值相对较大的一面为取向面，与此面垂直的方向为取向方向。

高斯(G)，非国际通用的磁感应强度单位。为纪念德国物理学家和数学家高斯而命名。

单拉换算：1T(特斯拉)=1000MT(毫特斯拉)=10000GS(高斯)

1MT=10GS

什么是霍尔效应

半导体薄片置于磁感应强度为 B 的磁场中，磁场方向垂直于薄片，如图所示。当有电流I流过薄片时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势 EH ，这种现象称为霍尔效应，该电动势称为霍尔电势，上述半导体薄片称为霍尔元件。

原理简述如下：激励电流 I 从 a 、 b 端流入，磁场 B 由正上方作用于薄片，这时电子e的运动方向与电流方向相反，将受到洛仑兹力 FL 的作用，向内侧偏移，该侧形成电子的堆积，从而在薄片的 c 、 d 方向产生电场E。电子积累得越多， FE 也越大，在半导体薄片 c 、 d 方向的端面之间建立的电动势 EH 就是霍尔电势。

由实验可知，流入激励电流端的电流 I 越大、作用在薄片上的磁场强度B越强，霍尔电势也就越高。磁场方向相反，霍尔电势的方向也随之改变，因此霍尔传感器能用于测量静态磁场或交变磁场。

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