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。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的讀數(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，表面磁場分布越不均勻，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。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)，所封裝的霍爾元件敏感區(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、zui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zui大值。如果改用敏感區(qū)的小霍爾元件，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zui大值也更接近該區(qū)域的zui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。
對用霍爾效應(yīng)法測量磁體表面磁場的探討--高斯計(jì)如何選擇探頭
一、永磁測量儀器
永磁測量儀器是用于各種永磁磁性材料磁性能參數(shù)測量的儀器。我們通常用到的儀器有：高斯計(jì)(特斯拉計(jì))、 B-H磁滯回線儀等。 磁通計(jì)
1、高斯計(jì)(特斯拉計(jì))：用于測量各種永磁體表面磁場強(qiáng)度及氣隙磁場強(qiáng)度。
2、磁通計(jì)：用于測量永磁體的感應(yīng)磁通量。
3、B-H磁滯回線儀：用于測量永磁材料 Br 、 Hcb 、 Hcj 、 BHmax等磁性能參數(shù)，可自動繪制磁滯回線和退磁曲線。
二、高斯計(jì)(特斯拉計(jì))
1、高斯計(jì)(特斯拉計(jì))的種類分類：指針式、數(shù)字式、便攜式。
2、高斯計(jì)(特斯拉計(jì))的應(yīng)用
(a)永磁體的表面磁場測量：采用高斯計(jì)(特斯拉計(jì))測量永磁產(chǎn)品表面磁場強(qiáng)度，主要是對永磁產(chǎn)品的質(zhì)量及充磁后磁性能一致性的評估;通常測量中磁體表面中心點(diǎn)的磁場強(qiáng)度進(jìn)行測量，通過對標(biāo)準(zhǔn)樣品數(shù)據(jù)進(jìn)行比較從而判斷產(chǎn)品是否合格，同時也可以保證材料的一致性。
(b)氣隙磁場的測量：采用高斯計(jì)(特斯拉計(jì))測量氣磁場的應(yīng)用比較廣泛，在科研、電子制造、機(jī)械等領(lǐng)域均有用到。目前應(yīng)用比較典型的行業(yè)主要有電機(jī)和電聲兩大行業(yè)。
(c)余磁測量：如工件退磁后的退磁效果檢測。
(d)漏磁測量：如喇叭漏磁測量。
(e)環(huán)境磁場測量
3、高斯計(jì)(特斯拉計(jì))選型：高斯計(jì)(特斯拉計(jì))的選型首先應(yīng)從測量對象入手，考慮以下幾個方面：
a、磁場類型：磁場分為直流磁場和交流磁場兩種，永磁材料磁場強(qiáng)度應(yīng)選用直流高斯計(jì)測量;
b、儀器量程：明確被測對象的大概磁場范圍，選擇儀器的量程范圍應(yīng)大于被測量磁場;
c、測量度：指儀器的分辨率，如分辨率是 1Gs 或者 0.1Gs 等;
d、探頭選擇：通常儀器生產(chǎn)廠家的測試探頭都有多種不同規(guī)格，以滿足各種不同測試要求，測量表面磁場強(qiáng)度通常不需要考慮探頭規(guī)格。
①氣隙磁場測量：應(yīng)訪考慮探頭的尺寸大小，如探頭尺寸大于被測氣隙，則無法進(jìn)入到被測的氣隙中，從而無法使用;
②探頭方向選擇：探頭方向分橫向和軸向兩種，用戶在探頭選擇時應(yīng)根據(jù)被測對象考慮選擇適應(yīng)的探頭;
③探頭連接線：儀器生產(chǎn)廠家探頭線纜的長度通常是固定的，如有特殊測量要求，需延長或縮短探頭線時，應(yīng)向廠家提出。 高斯計(jì)
e、供電方式：臺式高斯計(jì)通常采用交流 220V 供電，便攜式高斯計(jì)采用電池供電。
f、功能選擇
①常規(guī)功能：極性判斷、zui大值鎖定等;
②便攜性：如需戶外操作或現(xiàn)場測量，可選擇便攜性較好的掌上高斯計(jì)(便攜式)，此類儀器體積小，重量輕，采用電池供電;
③生產(chǎn)線快速測量：儀器具有上、下限設(shè)置及報警功能;
④交流磁場測量：用于測量低頻( 1 — 400Hz )交變磁場強(qiáng)度的大小;
三、磁通計(jì)
磁通計(jì)一般是直接測量探頭線圈的磁感應(yīng)通量，使用較多的是配以霍姆赫茲線圈，此種方法多是與標(biāo)準(zhǔn)樣品進(jìn)行比較，進(jìn)而進(jìn)行產(chǎn)品的合格性判定。
磁通計(jì)使用之前，一定要按照要求進(jìn)行預(yù)熱，使用中要調(diào)整好積分漂移，使漂移量在規(guī)定的范圍之內(nèi)。每次測量之前要重定清零，釋放掉積分電容的殘留電荷或漂移積分電荷。
當(dāng)磁體的磁路閉合時，可以使用磁通計(jì)測量、計(jì)算剩磁，具體計(jì)算方法是： Br=Φ/N/S式中：Φ-- 磁通量 ; N--線圈匝數(shù);S-- 磁體橫截面積。
應(yīng)用磁通計(jì)進(jìn)行產(chǎn)品的合格性檢驗(yàn)時，被測樣品和線圈的相對位置一定要與 " 標(biāo)準(zhǔn)樣品的和線圈的相對位置"相同。如果產(chǎn)品的性能范圍有嚴(yán)格的要求，應(yīng)保存上限性能的產(chǎn)品、下限性能的產(chǎn)品，以進(jìn)行檢驗(yàn)定標(biāo)、檢驗(yàn)。
四、永磁 B- H 磁滯回線測量儀
永磁 B-H 磁滯回線測量儀可測量永磁材料的磁滯回線和退磁曲線，準(zhǔn)確測量剩磁 Br 、矯頑力 HcB 、內(nèi)稟矯頑力HcJ和zui大能積 (BH)max 等磁特性參數(shù)。
隨著計(jì)算機(jī)系統(tǒng)集成技術(shù)的迅速發(fā)展與應(yīng)用，基于計(jì)算機(jī)操作平臺的磁測量系統(tǒng)也應(yīng)運(yùn)而生。
五、充磁
在磁體長度接近充磁線圈的情況下充磁時，磁體的垂直中心位置應(yīng)與充磁線圈的垂直中心位置重合，這樣才能保證磁體兩端磁場強(qiáng)度相等，保證充磁的對稱性減小由於充磁方法的原因造成磁體兩端表面磁場強(qiáng)度相等。
理論證明，充磁線圈兩端磁場強(qiáng)度是線圈的中心點(diǎn)的磁場強(qiáng)度是的 1/2 ，在磁體接近充磁線圈的長度時，對於 H 、SH以上系列的產(chǎn)品有可能無法飽和充磁，當(dāng)磁場強(qiáng)度不是足夠大時，即使時 M 、N系列的產(chǎn)品也無法飽和充磁。在一般情況下，充磁磁體的長度小於充磁線圈的 2/3 。
六、磁體易磁化方向的判定
對於正方形方塊、垂直軸向取向的圓柱都存在取向(易磁化方向)的識別問題，可以采用已充磁的產(chǎn)品或借用儀器進(jìn)行識別，具體方法如下：
(1)、用已充磁的產(chǎn)品進(jìn)行識別：對於正方形方塊，由於材料的各向異性，磁籌是按取向方向排列，因而取向方向易於磁化，磁化之后異極相吸吸力較大，而非取向方向的吸力則小，以次來識別判定取向方向;檢測用的磁鐵應(yīng)稍大一些，過磁體小時吸力大小差異不易判別;對於垂直軸向取向的圓柱，一般只能用已充磁的磁體進(jìn)行檢測：用磁鐵吸圓柱表面，將圓柱吸起，與地面垂直的方向即為取向充磁方向;
(2)、利用磁通計(jì)進(jìn)行識別：可以在正方形材料上吸一塊磁鐵，磁鐵的方向與磁通線圈垂直，磁通值相對較大的一面為取向面，與此面垂直的方向?yàn)槿∠蚍较颉?nbsp;
高斯(G)，非通用的磁感應(yīng)強(qiáng)度單位。為紀(jì)念德國物理學(xué)家和數(shù)學(xué)家高斯而命名。
單拉換算：1T(特斯拉)=1000MT(毫特斯拉)=10000GS(高斯)
1MT=10GS
什么是霍爾效應(yīng)
半導(dǎo)體薄片置于磁感應(yīng)強(qiáng)度為 B 的磁場中，磁場方向垂直于薄片，如圖所示。當(dāng)有電流I流過薄片時，在垂直于電流和磁場的方向上將產(chǎn)生電動勢 EH ，這種現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)，該電動勢稱為霍爾電勢，上述半導(dǎo)體薄片稱為霍爾元件。
原理簡述如下：激勵電流 I 從 a 、 b 端流入，磁場 B 由正上方作用于薄片，這時電子e的運(yùn)動方向與電流方向相反，將受到洛侖茲力 FL 的作用，向內(nèi)側(cè)偏移，該側(cè)形成電子的堆積，從而在薄片的 c 、 d 方向產(chǎn)生電場E。電子積累得越多， FE 也越大，在半導(dǎo)體薄片 c 、 d 方向的端面之間建立的電動勢 EH 就是霍爾電勢。
由實(shí)驗(yàn)可知，流入激勵電流端的電流 I 越大、作用在薄片上的磁場強(qiáng)度B越強(qiáng)，霍爾電勢也就越高。磁場方向相反，霍爾電勢的方向也隨之改變，因此霍爾傳感器能用于測量靜態(tài)磁場或交變磁場。
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