CN103308872A - 组合式磁场传感器及微弱磁场测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种组合式磁场传感器及微弱磁场测量装置，所述组合式磁场传感器包括霍尔片，还包括软磁材料棒，霍尔片的法向与软磁材料棒的轴向同向。微弱磁场测量装置包括上述的组合式磁场传感器，还包括与霍尔片电连接的霍尔片电源，与霍尔片电连接的输出电信号放大电路。通过采用本装置，使霍尔传感器的输出电信号得到大大增强，更有利于对微弱磁场进行自动化测量和处理数据输出。是一种性能更优、价格更低的微弱磁场测量方法和仪器。

Description

组合式磁场传感器及微弱磁场测量装置

技术领域

本发明涉及磁场测量领域，是对使用霍尔传感器的测量装置的改进。

背景技术

霍尔效应磁传感器在磁场测量中转换速率高，线性响应好，既可以用于测量恒定磁场也可以用于测量交变磁场。但在小于1mT的弱磁场中，霍尔传感器输出的信号也很弱，极容易湮没在测量系统的干扰和噪声中。若要得到较大的输出信号，需要增加工作电流，但此举会影响霍尔元件的热性能。因此，应用普通霍尔效应磁传感器难以测量微弱磁场。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种组合式磁场传感器，还提供一种微弱磁场测量装置。

本发明的技术方案如下：

组合式磁场传感器，包括霍尔片，其特征在于，还包括软磁材料棒，霍尔片的法向与软磁材料棒的轴向同向。

进一步的，霍尔片固定于软磁材料棒的一端，霍尔片与软磁材料棒电绝缘。

进一步的，还包括另一软磁材料棒，该两根软磁材料棒共轴，霍尔片设置在两根软磁材料棒之间，霍尔片与两根软磁材料棒都电绝缘。

微弱磁场测量装置，上述的组合式磁场传感器，还包括与霍尔片电连接的霍尔片电源，与霍尔片电连接的输出电信号放大电路。

进一步的，所述的微弱磁场测量装置还包括用于软磁材料棒退磁的退磁装置。进一步的，所述退磁装置包括外套于软磁材料棒的线圈及与线圈相连的交流退磁电路。

进一步的，所述的微弱磁场测量装置，还包括与输出电信号放大电路电连接的磁场强度显示模块。进一步的，还包括与输出电信号放大电路电连接的输出接口电路。

本发明将霍尔片与较大长径比的棒状软磁材料配合使用，使霍尔片的工作面与棒的轴向垂直，也即霍尔片的法向与软磁材料棒的轴向同向。由于软磁材料具有比空气高的磁导率，则当存在外部磁场时，只要磁场方向在棒的轴向上的分量不为零，进入霍尔片的工作面的磁通将比不采用此装置时更多。采用此设计，可提高相同被测磁场大小时霍尔片的输出信号强度，改善探测性能。其工作原理解释如下。

一个棒状磁体轴向水平放置于磁场方向，受到方向从左到右的磁场磁化以后，在磁体的右端出现北极N，左端出现南极S。磁力线从N出发，终止于S。在磁体内部，磁力线从N到S，起着退磁的作用，称为退磁场。退磁场在两个极面处最大，在磁棒中心最小。

由于磁性材料的磁化状态要受到退磁场的影响，设外加磁场为H₀。由于材料受到退磁场H_d的作用，作用于材料的有效磁场Hs为

H_s=H_o+H_d

磁体的退磁场H_d与磁化强度Ms成正比，N为退磁因子，决定于磁体的形状。

$H_d=-{\mathrm{NM}}_s=-\frac{\mathrm{NJ}}{{\mathrm{\μ}}_0}$

一般情况下，退磁场Hd或退磁因子N沿磁体长度改变，越靠近两端，退磁效应越强。

磁棒中心截面上的磁感应强度Be通常用下式表示，J为磁棒中心处的本征磁感应强度。

$B_e={\mathrm{\μ}}_{0}H+J+{\mathrm{\μ}}_0{H}_d$

$=J+{\mathrm{\μ}}_0(H-\frac{\mathrm{NJ}}{{\mathrm{\μ}}_0})$

若认为某处的地磁场为水平的均匀磁场，由

B=μ₀H

可以得到某处的磁场强度H。若使磁棒轴与磁场水平。则由于磁棒所形成磁路为开路，磁路受到退磁场作用，磁棒两端退磁效应明显，中部退磁场最弱。由于退磁场不同，使磁棒产生不均匀磁化，在磁棒中心截面上受到的合成磁场最大，因而该处的磁感应强度Be值最高；在两个端面处受到的退磁场最大，合成磁场最小，故在端面处的磁感应强度最低。

线性霍尔传感器为磁通量变化敏感型传感器。其工作原理如下：

如图1所示，一块长为l，宽为b，厚为d的矩形半导体薄片，沿Y方向加上一恒定工作电流I，沿X方向加上恒定磁场B，就有洛伦兹力f_B：

f_B=ev×B

式中，e为运动电荷的电量，v为电荷运动的速度，f_B沿Z负方向。

在洛伦兹力的作用下，样品中的电子偏离原流动方向而向样品下方运动，并聚集在样品下方。随着电子向下偏移，在样品上方会多出带正电的电荷（空穴）。这样，在样品中形成了一个上正下负的霍尔电场E_H，当E_H建立起来以后，它又会给运动的电荷施加一个与洛伦兹力方向相反的电场力f_E，其大小为：

f_E=eE_H

随着电子在A’面的积累，f_E也逐渐增大。当f_E与f_B相等时，霍尔电场对电子的作用力与洛伦兹力相抵消，电子的积累到达动态平衡，A、A’间形成一个稳定的霍尔电场E_H，则有：

eE_H=evB

根据：

在A、A’面间便有霍尔电压V_H。故有：

$e\frac{V_H}{b}=\mathrm{evB}$

假设N型半导体的载流子浓度为n，流过半导体样品的电流密度为j=env，则有：

$v=\frac{j}{\mathrm{ne}}=\frac{I}{\mathrm{bdne}}$

由此可得：

$V_H=\frac{\mathrm{IB}}{\mathrm{end}}=K_H\mathrm{IB},$

V_H=KIB

若磁场与半导体薄片的法线方向有夹角θ，则所测霍尔电压为：

V_H=KIBcosθ

式中，K_H为霍尔传感器的灵敏度，I为霍尔元件的工作电流，B为垂直于半导体薄片的磁感应强度。

在工作电流I不变时，磁感应强度B与霍尔电压V_H成正比。

现有技术中，霍尔传感器测量磁场时，均置于空间环境内，空气中磁导率μ₀较小，若磁场H不大，磁感应强度B也不大，因此霍尔传感器的输出分辨率不高。因此霍尔传感器鲜有用于微弱磁场测量。

本发明将霍尔片置于磁棒中央或磁棒的端面，则即使磁棒处在微弱变化的磁场中，由于磁棒内磁导μ大于周围空气磁导率μ₀，利用磁棒结构中部退磁场最小，磁感应强度最大的特点，使通过霍尔元件的磁通改变量也能有很大的变化，可以使霍尔传感器的输出电压量得到放大，从而提高分辨率。

利用磁棒的这一特点，可将霍尔传感器置于类似磁棒结构的中部，通过对已有样品在低于1mT的磁场内进行测试，有如图3结果，具有良好线性。使用本发明在水平方向上对地磁场（约0.05mT）测量一周结果如图4。测量数据结果U与函数

$U=4.5+2.25\cos \left(\frac{2\mathrm{\πA}}{360}\right)$

拟合结果高度吻合，A为角度。说明使用本装置所测磁场方向同磁棒轴向的夹角关系与磁场方向同霍尔传感器法线方向的夹角关系一致。

与现有技术相比，本发明的组合式磁场传感器特别适合于测量微弱磁场的强度。

纵观现有测量微弱磁场的技术，主要有磁-力法、电磁感应法、磁通门法、磁共振法等。磁-力法主要将磁能转化为机械能进行测量，但在磁场相对微弱时，机械能也相对较弱，不利于对测量信号数字化；电磁感应法在低于mT级别以下磁场测量中无优势；磁通门法与磁共振法设备昂贵。

用本发明的微弱磁场测量装置所采用的霍尔传感器是现今使用最广泛的磁场测量传感器，也是最容易实现磁场自动化测量和数据处理的传感器。霍尔效应磁传感器在磁场测量中转换速率高，线性响应好，既可以用于测量恒定磁场也可以用于测量交变磁场。通过采用本装置，使霍尔传感器的输出电信号得到大大增强，更有利于对微弱磁场进行自动化测量和处理数据输出。是一种性能更优、价格更低的微弱磁场测量方法和仪器。

附图说明

图1是霍尔传感器的原理图；

图2是本发明的微弱磁场测量装置的示意图；

图3是使用磁棒与未使用磁棒所测霍尔电压比较图；

图4是使用成对L/D=1.5磁棒时装置所测地磁场一周输出电压。

具体实施方式

如图2所示，微弱磁场测量装置，包括组合式磁场传感器，组合式磁场传感器包括霍尔片2以及软磁材料棒1，霍尔片2的法向与软磁材料棒1的轴向同向。还包括与霍尔片2电连接的霍尔片电源4、与霍尔片电连接的输出电信号放大电路5、用于软磁材料棒退磁的退磁装置3以及与输出电信号放大电路5电连接的磁场强度显示模块6。

在微弱磁场强度测量时，与普通的霍尔传感器相比，本发明的微弱磁场测量装置可以测得放大了的霍尔电压输出。放大倍数与软磁材料棒1的长径比L/D大小有关，与霍尔片与软磁材料棒之间的空气隙厚度有关。L/D越大，空气隙越薄，则测量的放大效果越显著。

Claims (8)

1.组合式磁场传感器，包括霍尔片，其特征在于，还包括软磁材料棒，霍尔片的法向与软磁材料棒的轴向同向。

2.根据权利要求1所述的组合式磁场传感器，其特征在于，霍尔片固定于软磁材料棒的一端，霍尔片与软磁材料棒电绝缘。

3.根据权利要求2所述的组合式磁场传感器，其特征在于，还包括另一软磁材料棒，该两根软磁材料棒共轴，霍尔片设置在两根软磁材料棒之间，霍尔片与两根软磁材料棒都电绝缘。

4.微弱磁场测量装置，其特征在于包括权利要求1所述的组合式磁场传感器，还包括与霍尔片电连接的霍尔片电源，与霍尔片电连接的输出电信号放大电路。

5.根据权利要求4所述的微弱磁场测量装置，其特征在于还包括用于软磁材料棒退磁的退磁装置。

6.根据权利要求5所述的微弱磁场测量装置，其特征在于所述退磁装置包括外套于软磁材料棒的线圈及与线圈相连的交流退磁电路。

7.根据权利要求6所述的微弱磁场测量装置，其特征在于还包括与输出电信号放大电路电连接的磁场强度显示模块。

8.根据权利要求6所述的微弱磁场测量装置，其特征在于还包括与输出电信号放大电路电连接的输出接口电路。

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