CN109855521B - 霍尔探头有效测量位置的测定方法 - Google Patents

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霍尔探头有效测量位置的测定方法，属于磁场测量领域。将标准导线安装在样品台上；霍尔探头移动到接近标准导线；标准导线通电，并移动霍尔探头到导线的中心位置；测量已知通电标准导线的中心位置的磁场强度。根据标准导线的磁感应强度B、电流I、高度h和标准导线的尺寸参数的关系式，基于使用的电流值、测得的磁感应强度值和标准导线的尺寸参数值，计算得到霍尔探头有效测量位置距离探头底部高度h的值。更优的通过修改电流值多次测量，或通过使用不同宽度的标准导线来进行多次测量，使用数据拟合的方法获得更高的精度。

Description

霍尔探头有效测量位置的测定方法
技术领域
本发明属于磁场测量领域，特别涉及霍尔探头有效测量位置距离探头底部高度的测定方法。
技术背景
霍尔探头是一种按照霍尔效应原理设计的测量磁场的传感器，被广泛地用于磁场的测量。通过控制系统将其在所测磁场中移动，连续测量不同位置的磁场场强，可以很方便获得磁场的分布。
霍尔探头组装时，在霍尔元件的外部包裹一层保护套，同时为了保护霍尔元件在测量过程中不受破坏，将霍尔元件做成内陷的形式，生产厂商无法提供精确的高度值h。霍尔探头中的霍尔元件存在安装精度不高的问题，其安装高度存在一定的误差，在磁场随高度变化不明显或不关键的条件下，霍尔探头可以取得良好的测量效果。霍尔探头可用于不同尺寸的磁场测量，在小尺寸的磁场测量过程中，磁场随高度变化明显，安装高度的误差将会对磁场的测量产生明显的影响，使得霍尔探头对磁场测量误差增大。
发明内容
本发明的主要目的在于弥补上述现有霍尔探头测量随高度变化明显的磁场时误差较大问题，提出一种霍尔探头有效测量位置的测定方法，以提高霍尔探头的测量精度。
本发明为达到上述目的所提出的技术方案如下：一种霍尔探头有效测量位置的测定方法，包括以下步骤：S1、将标准导线在样品安装台上安装固定；S2、将标准导线通恒定直流电，电流为I；S3、将霍尔探头移动接近标准导线表面；S4、使用二维扫描装置控制霍尔探头在标准导线上方扫描测量，获得磁感应强度值最大的位置即标准导线中心位置；S5、将霍尔探头下移，使探头底部与标准导线接触，测量标准导线中心位置在高度h处的磁感应强度值B；S6、根据标准导线的磁感应强度B、电流I、高度h和标准导线的尺寸参数的关系式，计算得到霍尔探头有效测量位置距离探头底部高度h的值；更优的，可以通过多次测量并进行数据拟合提高精度。
在本发明的实施例中，还具有如下技术特征：
上述标准导线为厚度均匀的宽导线，其材料为非磁性导体，优选为Cu带。
标准导线的可选择厚度在10至100微米范围内。
标准导线的结构在宽度方向上两侧对称，中部有沿导线长度方向、宽度不超过0.1毫米的间隙。
标准导线的长宽比大于2，优选的长宽比为10以上。
安装时标准导线的表面垂直于霍尔探头所测量磁场方向。所通电流在标准导线的面电流密度在0至5000A/cm范围内。
测量标准导线上方磁感应强度值最大的位置时，可以采用二维面扫描确定该位置的(X，Y)坐标，也可以采用在X方向进行一维线扫描获得磁感应强度最大的X坐标，然后在该X坐标进行Y方向一维线扫描获得磁感应强度最大的Y坐标。
标准导线的磁感应强度B、电流I、高度h和标准导线的尺寸参数的关系式为：
Figure BDA0001936311730000021
其中，μ0表示真空磁导率，a为标准导线的宽度，
Figure BDA0001936311730000022
为面电流密度。
更优方案可以通过调整电流I，获得一系列磁感应强度B随电流I变化的数据，通过上述的关系式进行拟合计算得到高度h；也可以使用不同宽度的标准导线，获得一系列磁感应强度B的值随标准导线宽度a变化的数据，如下关系式进行拟合计算得到高度h：
Figure BDA0001936311730000023
本发明提供的方法，针对单个霍尔探头有效测量位置距离探头底部高度的测定，通过测量标准导线通电状态下的磁场，测量中心位置处的磁场，通过标准导线的磁感应强度B、电流I、高度h和标准导线的尺寸参数的关系式计算得到霍尔探头有效测量位置距离探头底部高度h的值。本发明使用的标准导线的结构也比较简单，在不进行拆卸霍尔探头的条件下测定了霍尔探头有效测量位置距离探头底部高度h的值。
附图说明
图1是霍尔探头示意图；
图2是本发明实施例测量过程示意图；
图3是本发明实施例有限元计算结果图；
图4是无限长标准导线通电状态下磁场计算示意图；
图5是无限长标准导线通电状态下中心磁场随高度变化图；
图6是测量得到的数据拟合的B-I曲线；
图7是测量得到的数据拟合的
Figure BDA0001936311730000031
曲线。
具体实施方式
下面结合附图和优选的实施方式对本发明作进一步说明。
图1是霍尔探头示意图，其中，1为霍尔元件，2为封闭保护，3为封闭空隙，4为样品表面。
参考图2，本发明下述实施例为一种测定霍尔探头有效测量位置距离探头底部高度的方法，包括以下步骤S1至S6：
S1、将标准导线在样品安装台上安装固定；
S2、将标准导线通恒定直流电，电流为I；
S3、将霍尔探头移动接近标准导线表面；
S4、使用二维扫描装置控制霍尔探头在标准导线上方扫描测量，获得磁感应强度值最大的位置即标准导线中心位置；
S5、将霍尔探头下移，使探头底部与标准导线接触，测量标准导线中心位置在高度h处的磁感应强度值B；
S6、根据标准导线的磁感应强度B、电流I、高度h和标准导线的尺寸参数的关系式，计算得到霍尔探头有效测量位置距离探头底部高度h的值；更优的，可以通过多次测量并进行数据拟合提高精度。
上述标准导线为厚度均匀的宽导线，其材料为非磁性导体，优选为Cu带。标准导线的可选择厚度在10至100微米范围内。标准导线的结构在宽度方向上两侧对称，中部有沿导线长度方向、宽度不超过0.1毫米的间隙。标准导线的长宽比大于2，优选的长宽比为10以上。安装时标准导线的表面垂直于霍尔探头所测量磁场方向。所通电流在标准导线的面电流密度在0至5000A/cm范围内。测量标准导线上方磁感应强度值最大的位置时，优选采用二维面扫描确定该位置的(X，Y)坐标。
其中电流均匀分布可以通过有限元计算证明，借助有限元计算软件，可获得电流分布如图3a、3b、3c、3d所示，其中图3a、3b、3c分别为长宽比为2、5、10的样品的电流分布(单位为A/m2)，图3d为长宽比为10，距离导线高度0.9mm处的中心区域磁场分布(其中B为磁感应强度，单位为T)。长宽比较大的条件下，在宽度方向上，电流的分布是均匀的。
利用无限长模型(如图4所示)公式推导如下：
在MN两点间的电流线宽dx在定点H产生的磁场为：
Figure BDA0001936311730000041
当为无限长时，
Figure BDA0001936311730000042
cosθ＝±1，代入公式可得：
Figure BDA0001936311730000043
在H点产生的垂直方向上的磁场大小为：
Figure BDA0001936311730000044
Figure BDA0001936311730000045
则在高度方向的磁场值为：
Figure BDA0001936311730000046
也可以写为：
Figure BDA0001936311730000047
可以得到磁场强度随高度的变化，如图5所示，可以发现磁场强度变化对高度非常敏感。也可以发现长宽比较大的带材几何中心正对区域的垂直磁场强度最大值为B。
通过测量标准导线的中心磁场，根据关系式计算或拟合获得霍尔探头有效测量位置距离探头底部高度。
实施例1
本实施例通过改变电流的值，测量标准导线中心的磁场变化，通过关系式计算拟合获得霍尔探头有效测量位置距离探头底部高度的数值。
测量过程包括以下步骤：
步骤1、分别将制备的宽0.8cm、1cm、1.2cm、1.6cm、2cm、2.4cm、3cm，长20cm的Cu带材，粘贴在长20cm，宽5cm的PVC塑料板上面，依次将标准导线按照一定方向在样品安装台上安装固定；
步骤2、将标准导线通恒定直流电，电流为I；
步骤3、将霍尔探头移动接近标准导线表面；
步骤4、使用二维扫描装置控制霍尔探头在标准导线上方扫描测量，获得磁感应强度值最大的位置即标准导线中心位置；
步骤5、将霍尔探头下移，使探头底部与标准导线接触，测量标准导线中心位置在高度h处的磁感应强度值B；
步骤6、根据标准导线的磁感应强度B、电流I、高度h和标准导线的尺寸参数的关系式，计算得到霍尔探头有效测量位置距离探头底部高度h的值；更优的，可以通过多次测量并进行数据拟合提高精度，即通过拟合
Figure BDA0001936311730000051
计算h的值。
利用拟合的方法将公式简化为B＝k·Ic。如图6所示，其中从下到上依次为宽为0.8cm、1cm、1.2cm、1.6cm、2cm、2.4cm、3cm的样品的拟合曲线。
宽为0.8cm样品对应斜率为6.88x10-7，可计算得到h值为726.3μm。
实施例2
本实施例通过改变标准导线宽度的值，测量标准导线中心的磁场变化，通过关系式计算拟合获得霍尔探头有效测量位置距离探头底部高度的数值。
测量过程包含以下步骤：
步骤1、分别将制备的宽0.8cm、1cm、1.2cm、1.6cm、2cm、2.4cm、3cm，长20cm的Cu带材，粘贴在长20cm，宽5cm的PVC塑料板上面，依次将标准导线按照一定方向在样品安装台上安装固定；
步骤2、将标准导线通恒定直流电，电流为I；
步骤3、将霍尔探头移动接近标准导线表面；
步骤4、使用二维扫描装置控制霍尔探头在标准导线上方扫描测量，获得磁感应强度值最大的位置即标准导线中心位置；
步骤5、将霍尔探头下移，使探头底部与标准导线接触，测量标准导线中心位置在高度h处的磁感应强度值B；
步骤6、根据标准导线的磁感应强度B、电流I、高度h和标准导线的尺寸参数的关系式，计算得到霍尔探头有效测量位置距离探头底部高度h的值；更优的，可以通过多次测量并进行数据拟合提高精度，即通过拟合
Figure BDA0001936311730000061
1计算h的值。
利用拟合的方法将公式简化为
Figure BDA0001936311730000062
如图7所示，使用宽为0.8cm、1cm、1.2cm、1.6cm、2cm、2.4cm、3cm样品拟合得到对应斜率为447063.8±2516.1。可计算得到相应条件下的h值为747.8±2.1μm。
目前该类产品的确没有实际标准值，根据我们的测量，同一个生产商同一型号的产品，现有技术测得的h值的差距可以达到几百个微米，可见其封装工艺没有标准化。由此可见，本发明提出的方法用来标定h值是非常有必要的。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干等同替代或明显变型，而且性能或用途相同，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种霍尔探头有效测量位置的测定方法，用于测量霍尔探头有效测量位置距离探头底部的高度h，包括以下步骤：
S1、将标准导线在样品安装台上安装固定；
S2、将标准导线通恒定直流电，电流为I；
S3、将霍尔探头移动接近标准导线表面；
S4、使用二维扫描装置控制霍尔探头在标准导线上方扫描测量，获得磁感应强度值最大的位置即标准导线中心位置；
S5、将霍尔探头下移，使探头底部与标准导线接触，测量标准导线中心位置在高度h处的磁感应强度值B；
S6、根据标准导线的磁感应强度B、电流I、高度h和标准导线的尺寸参数的关系式，计算得到霍尔探头有效测量位置距离探头底部高度h的值。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：标准导线为厚度均匀的宽导线，其材料为Cu带或其他非磁性导体。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于：标准导线的表面垂直于霍尔探头所测量磁场方向。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于：标准导线的可选择厚度在10至100微米范围内。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于：标准导线的结构在宽度方向上两侧对称，中部有沿导线长度方向、宽度不超过0.1毫米的间隙。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于：标准导线的长宽比大于2。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所通电流在标准导线的面电流密度在0至5000A/cm范围内。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于：测量标准导线上方磁感应强度值最大的位置时，采用二维面扫描确定该位置的(X，Y)坐标，或者采用在X方向进行一维线扫描获得磁感应强度最大的X坐标，然后在该X坐标进行Y方向一维线扫描获得磁感应强度最大的Y坐标。
9.如权利要求1所述的方法，其特征在于：标准导线的磁感应强度B、电流I、高度h和标准导线的尺寸参数的关系式为：
Figure FDA0002501101020000021
其中，μ0表示真空磁导率，a为标准导线的宽度，
Figure FDA0002501101020000022
为面电流密度。
10.如权利要求1所述的方法，其特征在于：通过调整电流I，获得一系列磁感应强度B随电流I变化的数据，通过权利要求9所述的关系式进行拟合计算得到高度h；或使用不同宽度的标准导线，获得一系列磁感应强度B的值随标准导线宽度a变化的数据，如下关系式进行拟合计算得到高度h：
Figure FDA0002501101020000023
通过多次测量并进行数据拟合提高精度。
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