對用霍爾效應法測量磁體表面磁場的探討
內容簡介:本文定性分析了用霍爾效應法不可能真正測出表面磁場量值的原因。
根據霍爾效應原理制成的特斯拉計(高斯計)在測量磁場中,有著廣泛的應用。這種儀器是由作為傳感器的霍爾探頭及儀表整機兩部分組成。其中探頭內霍爾元件的尺寸、性能與封裝結構對磁場測量的準確度起著關鍵的作用。
霍爾效應特斯拉計對均勻、恒定磁場測量的準確度一般在5%—0.5%,高精度的測量準確度可以達到0.05%。但對磁體表面的非均勻磁場的測量就談不上準確度了。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面,去測量同一磁體表面,同一位置(應該說看上去是同一位置)的磁場時,顯示的結果大不一樣,誤差可以超過20%,甚至50%。
造成上述差別的原因有兩點:其一,不同探頭內霍爾元件封裝的位置不同,或元件不在探頭兩側的中部。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,測量數據也不會因位置的不同而帶來誤差。當用不同的探頭去測磁體表面發散的、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,測量結果當然不一樣。見不同磁體磁場示意圖。一般,對于徑向探頭,厚度越小,內部霍爾元件離表面越近,測量表面磁場顯示讀數越大。采用超薄探頭去測表面磁場時讀數可以高于常規探頭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,測量數據差別越大),但是無論多薄的探頭,其內部對磁場敏感的部分與磁體表面總有一個間距,不可能為*。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,所封裝霍爾元件的敏感區尺寸不同。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散的小磁體、磁體邊角部分或多極充磁的表磁進行測量。僅能反映出通過該元件表面的磁感應強度的平均值。此值必定小于該區域的最大值。如果改用敏感區小的霍爾元件,如砷化鎵霍爾元件,其敏感區的有效面積約為0.1×0.1~0.2×0.2㎜2遠遠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域的最大磁感應強度實際值。
由前面的分析可以看出,表面磁場的實際值(即真實值)用霍爾效應法是根本不可能測到的。也就是說不可能找到、建立一種統一的、共同的表面磁場的量值標準。只能去謀求測出更加接近表面磁場實際值的方法。