淺析選用高斯計(jì)的方法

根據(jù)霍爾效應(yīng)原理制成的特斯拉計(jì)(高斯計(jì))在測(cè)量磁場(chǎng)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(duì)磁場(chǎng)測(cè)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(duì)均勻、恒定磁場(chǎng)測(cè)量的準(zhǔn)確度一般在5%—0.5%，高精度的測(cè)量準(zhǔn)確度可以達(dá)到0.05%。但對(duì)磁體表面的非均勻磁場(chǎng)的測(cè)量就談不上準(zhǔn)確度了。往往是不同的儀表，或同型號(hào)的儀表，不同的探頭，或同一支探頭的不同側(cè)面。去測(cè)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(chǎng)時(shí)，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(chǎng)中，不會(huì)因位置上的改變而感受到磁場(chǎng)的改變，測(cè)量數(shù)據(jù)也不會(huì)因位置的不同而帶來誤差。當(dāng)用不同的探頭去測(cè)磁體表面發(fā)散的、不均勻的磁場(chǎng)時(shí)，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(chǎng)。感受到的場(chǎng)值不同，測(cè)量結(jié)果當(dāng)然不一樣。一般，對(duì)于徑向探頭，厚度越小，內(nèi)部霍爾元件離表面越近，測(cè)量表面磁場(chǎng)顯示讀數(shù)越大，采用超薄探頭去測(cè)表面磁場(chǎng)時(shí)的讀數(shù)可以高于常規(guī)探頭20%以上(被測(cè)磁體尺寸越小，磁體表面曲率越大，表面磁場(chǎng)分布越不均勻，測(cè)量數(shù)據(jù)差別越大)，但是無論多薄的探頭，其內(nèi)部對(duì)磁場(chǎng)敏感的部分與磁體表面總有一個(gè)間距，不可能為零距離。所以說，不可能測(cè)到真正的表面磁場(chǎng)。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(chǎng)。

原因之二是：不同型號(hào)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、最小為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(duì)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(cè)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)域的最大值。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(chǎng)的場(chǎng)分布，所測(cè)到的最大值也更接近該區(qū)域的最大磁感應(yīng)強(qiáng)度實(shí)際值。

由前面的分析可以看出，表面磁場(chǎng)的實(shí)際值(即真實(shí)值)用霍爾效應(yīng)法是根本不可能測(cè)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(chǎng)的量值標(biāo)準(zhǔn)。只能去謀求測(cè)出更加接近表面磁場(chǎng)實(shí)際值的方法。

對(duì)用霍爾效應(yīng)法測(cè)量磁體表面磁場(chǎng)的探討--高斯計(jì)如何選擇探頭

一、永磁測(cè)量?jī)x器

永磁測(cè)量?jī)x器是用于各種永磁磁性材料磁性能參數(shù)測(cè)量的專用儀器。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(cè)量各種永磁體表面磁場(chǎng)強(qiáng)度及氣隙磁場(chǎng)強(qiáng)度。

2、磁通計(jì)：用于測(cè)量永磁體的感應(yīng)磁通量。

3、B-H磁滯回線儀：用于測(cè)量永磁材料Br、Hcb、Hcj、BHmax等磁性能參數(shù)，可自動(dòng)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(chǎng)測(cè)量：采用高斯計(jì)(特斯拉計(jì))測(cè)量永磁產(chǎn)品表面磁場(chǎng)強(qiáng)度，主要是對(duì)永磁產(chǎn)品的質(zhì)量及充磁后磁性能一致性的評(píng)估;通常測(cè)量中磁體表面中心點(diǎn)的磁場(chǎng)強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)量，通過對(duì)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(shí)也可以保證材料的一致性。

(b)氣隙磁場(chǎng)的測(cè)量：采用高斯計(jì)(特斯拉計(jì))測(cè)量氣磁場(chǎng)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(cè)量：如工件退磁后的退磁效果檢測(cè)。

(d)漏磁測(cè)量：如喇叭漏磁測(cè)量。

(e)環(huán)境磁場(chǎng)測(cè)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(cè)量對(duì)象入手，考慮以下幾個(gè)方面：

a、磁場(chǎng)類型：磁場(chǎng)分為直流磁場(chǎng)和交流磁場(chǎng)兩種，永磁材料磁場(chǎng)強(qiáng)度應(yīng)選用直流高斯計(jì)測(cè)量;

b、儀器量程：明確被測(cè)對(duì)象的大概磁場(chǎng)范圍，選擇儀器的量程范圍應(yīng)大于被測(cè)量磁場(chǎng);

c、測(cè)量精確度：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(cè)試探頭都有多種不同規(guī)格，以滿足各種不同測(cè)試要求，測(cè)量表面磁場(chǎng)強(qiáng)度通常不需要考慮探頭規(guī)格。

①氣隙磁場(chǎng)測(cè)量：應(yīng)訪考慮探頭的尺寸大小，如探頭尺寸大于被測(cè)氣隙，則無法進(jìn)入到被測(cè)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(shí)應(yīng)根據(jù)被測(cè)對(duì)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(zhǎng)度通常是固定的，如有特殊測(cè)量要求，需延長(zhǎng)或縮短探頭線時(shí)，應(yīng)向廠家提出。高斯計(jì)

e、供電方式：臺(tái)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、最大值鎖定等;

②便攜性：如需戶外操作或現(xiàn)場(chǎng)測(cè)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(cè)量：儀器具有上、下限設(shè)置及報(bào)警功能;

④交流磁場(chǎng)測(cè)量：用于測(cè)量低頻(1—400Hz)交變磁場(chǎng)強(qiáng)度的大小;

三、磁通計(jì)

磁通計(jì)一般是直接測(cè)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(cè)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(shí)，可以使用磁通計(jì)測(cè)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(shí)，被測(cè)樣品和線圈的相對(duì)位置一定要與"標(biāo)準(zhǔn)樣品的和線圈的相對(duì)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(cè)量?jī)x

永磁B-H磁滯回線測(cè)量?jī)x可測(cè)量永磁材料的磁滯回線和退磁曲線，準(zhǔn)確測(cè)量剩磁Br、矯頑力HcB、內(nèi)稟矯頑力HcJ和最大能積(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(tái)的磁測(cè)量系統(tǒng)也應(yīng)運(yùn)而生。

五、充磁

在磁體長(zhǎng)度接近充磁線圈的情況下充磁時(shí)，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(chǎng)強(qiáng)度相等，保證充磁的對(duì)稱性減小由於充磁方法的原因造成磁體兩端表面磁場(chǎng)強(qiáng)度相等。

理論證明，充磁線圈兩端磁場(chǎng)強(qiáng)度是線圈的中心點(diǎn)的磁場(chǎng)強(qiáng)度是的1/2，在磁體接近充磁線圈的長(zhǎng)度時(shí)，對(duì)於H、SH以上系列的產(chǎn)品有可能無法飽和充磁，當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度不是足夠大時(shí)，即使時(shí)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(zhǎng)度最好小於充磁線圈的2/3。

六、磁體易磁化方向的判定

對(duì)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(shí)別問題，可以采用已充磁的產(chǎn)品或借用儀器進(jìn)行識(shí)別，具體方法如下：

(1)、用已充磁的產(chǎn)品進(jìn)行識(shí)別：對(duì)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(shí)別判定取向方向;檢測(cè)用的磁鐵應(yīng)稍大一些，過磁體小時(shí)吸力大小差異不易判別;對(duì)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(cè)：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(shí)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(duì)較大的一面為取向面，與此面垂直的方向?yàn)槿∠蚍较颉?/p>

高斯(G)，非國際通用的磁感應(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(chǎng)中，磁場(chǎng)方向垂直于薄片，如圖所示。當(dāng)有電流I流過薄片時(shí)，在垂直于電流和磁場(chǎng)的方向上將產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)EH，這種現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)，該電動(dòng)勢(shì)稱為霍爾電勢(shì)，上述半導(dǎo)體薄片稱為霍爾元件。

原理簡(jiǎn)述如下：激勵(lì)電流I從a、b端流入，磁場(chǎng)B由正上方作用于薄片，這時(shí)電子e的運(yùn)動(dòng)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(chǎng)E。電子積累得越多，F(xiàn)E也越大，在半導(dǎo)體薄片c、d方向的端面之間建立的電動(dòng)勢(shì)EH就是霍爾電勢(shì)。

由實(shí)驗(yàn)可知，流入激勵(lì)電流端的電流I越大、作用在薄片上的磁場(chǎng)強(qiáng)度B越強(qiáng)，霍爾電勢(shì)也就越高。磁場(chǎng)方向相反，霍爾電勢(shì)的方向也隨之改變，因此霍爾傳感器能用于測(cè)量靜態(tài)磁場(chǎng)或交變磁場(chǎng)。