霍爾磁強計溫度特性校準(zhǔn)裝置的研究

楊 云 周 鷹 包 忠

（中國船舶重工集團公司第七一○研究所，國防弱磁一級計量站，湖北宜昌 443003）

1 引 言

霍爾磁強計、高斯計、特斯拉計等測量中強磁場的儀器，是目前市場上應(yīng)用最廣泛的磁性測量儀器，主要用于環(huán)境磁場測量與監(jiān)控、物體和材料殘余磁場測量、磁屏蔽效能檢測、永磁體磁極分布測量、電磁場漏磁檢測等，在國防軍工、民用生產(chǎn)、軌道交通、食品安全檢測等各個領(lǐng)域都被廣泛使用，其測量磁場范圍為0．1mT～3．0T，可工作的溫度范圍為0℃～75℃之間。

由于制造霍爾磁強計的敏感器件是霍爾元件，與霍爾元件物理性能相關(guān)的載流子濃度、遷移率、材料的電阻率都是溫度系數(shù)的函數(shù)，當(dāng)外界溫度變化時，霍爾磁強計的輸出值會隨溫度的變化而發(fā)生改變。為了避免霍爾元件加工出來的磁強計探頭受溫度的影響，一般高精度磁強計都會帶溫度補償電路來修正溫度變化所帶來的準(zhǔn)確度變化，并標(biāo)稱出其溫度系數(shù)和25℃時示值準(zhǔn)確度，在特定溫度條件下使用時，通過標(biāo)定的溫度系數(shù)乘以溫度變化量計算出修正量進行使用。目前市場上標(biāo)稱了溫度系數(shù)的霍爾磁強計主要為進口高精度度儀器，這類儀器標(biāo)注的測量準(zhǔn)確度一般不高于0．05%，其標(biāo)稱溫度系數(shù)范圍為0．0025%/℃～0．02%/℃，不同廠家不同型號產(chǎn)品出廠指標(biāo)都是廠家自行檢測，國內(nèi)一直沒有相應(yīng)的技術(shù)規(guī)范和計量校準(zhǔn)裝置對溫度系數(shù)指標(biāo)進行檢測校準(zhǔn)，也不能直接校準(zhǔn)特定溫度下霍爾磁強計的示值誤差值。為了解決霍爾磁強計溫度特性校準(zhǔn)問題，根據(jù)霍爾元件物理性能的工作原理，我們開展了霍爾磁強計溫度特性校準(zhǔn)裝置和校準(zhǔn)方法的研究。

2 磁強計溫度特性的主要來源

研究裝置前我們必須了解霍爾元件輸出參數(shù)哪些與溫度有關(guān)。JB/T 9473-1999《霍爾元件通用技術(shù)條件》是用于產(chǎn)品檢驗的專用標(biāo)準(zhǔn)，在標(biāo)準(zhǔn)中提到了四項與溫度有關(guān)的參數(shù)，分別是霍爾電壓平均溫度系數(shù)、電阻溫度系數(shù)、零磁場剩余電壓溫漂和熱阻參數(shù)，對于這些參數(shù)的定義和檢測方法如下：

霍爾電壓平均溫度系數(shù)定義為在外加磁場和霍爾激勵電流固定的情況下，環(huán)境溫度每變化1℃時不等位電勢的相對變化率，其檢測方法是將元件置于一個無磁恒溫盒內(nèi)并放置于0．1T的恒定磁場中，給霍爾元件通以恒定電流，在工作溫度范圍內(nèi)測量不少于5個溫度區(qū)間的開路霍爾電壓（改變溫度后要保證溫度穩(wěn)定），將測量得到的霍爾電壓的差值除以溫度差值，再除以平均開路霍爾電壓，取其百分?jǐn)?shù)計算出霍爾電壓平均溫度系數(shù)。

霍爾元件的電阻溫度系數(shù)又叫內(nèi)阻溫度系數(shù)，是指在不施加磁場的條件下，環(huán)境溫度變化1℃時，電阻的相對變化率，用α表示，單位是%/℃。檢測的方法是：將元件置于一個無磁的恒溫盒內(nèi)，并將元件輸出端開路，在工作溫度范圍內(nèi)測量不少于5個溫度區(qū)間的輸入端電阻值（改變溫度后要保證溫度穩(wěn)定），將其差值除以溫差和平均輸入電阻的乘積。取百分?jǐn)?shù)即為其內(nèi)阻溫度系數(shù)。

零磁場剩余電壓溫漂是指在通以額定電流和不施加磁場的條件下，在一定溫度區(qū)間內(nèi)每變化1℃時剩余電壓的變化量，單位為mV/℃。其檢測方法是將元件放置在恒溫盒里，恒溫盒外面沒有磁場，元件通以恒定電流并穩(wěn)定0．5小時后，測量元件零磁場剩余電壓在溫度變化10℃范圍內(nèi)的變化量，取其最大值的1/10。

霍爾元件的熱阻，單位是℃/W，檢測方法是將元件置于無磁恒溫盒內(nèi)，先分別測量不通電時25℃與35℃的輸入電阻值，保持恒溫改變電流使輸出電阻不變計算得到元件的耗散功率，霍爾片平均溫度和25℃基準(zhǔn)點溫度之差除以耗散功率，就可以計算熱阻值。

從這些參數(shù)可以看出，霍爾元件的內(nèi)阻溫度系數(shù)、霍爾電壓平均溫度系數(shù)、零磁場剩余電壓溫漂和熱阻都是與溫度有關(guān)的參數(shù)，一種是在零磁環(huán)境下輸出的特性參數(shù)，如內(nèi)阻溫度系數(shù)和零磁場剩余電壓溫漂，這就是出廠指標(biāo)里標(biāo)稱的零點系數(shù)，單位為高斯每攝氏度，符號為G/℃，另一種是在外加磁場和溫度變化的環(huán)境下輸出的特性參數(shù)，這就是溫度系數(shù)，單位百分比每攝氏度，符號為%/℃。

從分析霍爾元件的基本物理性能出發(fā)，可以看出影響霍爾磁強計溫度特性的因素就是霍爾元件受到外界溫度變化帶來的輸入零點漂移和輸出電壓的變化，對應(yīng)到儀器廠家的指標(biāo)為零點溫漂和溫度系數(shù)。因此我們研究的計量裝置必須是能符合儀器的工作溫度范圍、磁場測量范圍，并能調(diào)整溫度和磁場的變化，滿足零點溫漂和溫度系數(shù)校準(zhǔn)所需要的恒溫恒磁場環(huán)境。

根據(jù)這個目標(biāo)我們研制一套磁場復(fù)現(xiàn)裝置、弱磁溫度復(fù)現(xiàn)裝置和產(chǎn)生零磁場的裝置。磁場復(fù)現(xiàn)裝置工作范圍為0．1mT～3．0T，磁場的均勻區(qū)大小和均勻區(qū)磁場非均勻性都能滿足0．002%以下準(zhǔn)確度等級的磁強計示值校準(zhǔn)要求；弱磁溫度復(fù)現(xiàn)裝置復(fù)現(xiàn)的溫度范圍為-10℃～80℃，滿足通用型磁強計的工作溫度范圍要求，并且可以將其恒溫腔放置在磁場空間內(nèi)，形成一套霍爾磁強計溫度系數(shù)校準(zhǔn)裝置。零點磁場校準(zhǔn)裝置是一個磁屏蔽筒，它是由多層鋁和坡莫合金加工出來能產(chǎn)生零磁空間的設(shè)備，其產(chǎn)生零磁空間的內(nèi)部剩磁小于1μT，溫度復(fù)現(xiàn)裝置可以放置在零磁空間里，這樣就能產(chǎn)生一個恒溫的零磁空間，形成一套零點溫漂校準(zhǔn)裝置。

霍爾磁強計溫度系數(shù)校準(zhǔn)裝置和零點溫漂校準(zhǔn)裝置組成了霍爾磁強計溫度特性校準(zhǔn)裝置，該裝置可以測量霍爾磁強計的溫度系數(shù)、零點溫漂和特定溫度下示值準(zhǔn)確度。

3 溫度系數(shù)校準(zhǔn)裝置的組成和工作原理

溫度系數(shù)校準(zhǔn)裝置由磁場復(fù)現(xiàn)系統(tǒng)、標(biāo)準(zhǔn)磁強計和無磁調(diào)溫系統(tǒng)組成；其中磁場復(fù)現(xiàn)系統(tǒng)主要由標(biāo)準(zhǔn)磁場線圈、電磁鐵、勵磁電源、電流表組成。復(fù)現(xiàn)磁場強度范圍確定為0．1mT～3．0T，滿足市場上大部分被校儀器的測量量程范圍。

該裝置是將無磁調(diào)溫系統(tǒng)放置在磁場復(fù)現(xiàn)系統(tǒng)的磁場均勻空間內(nèi)，并使調(diào)溫系統(tǒng)的溫度均勻區(qū)與磁場的均勻區(qū)重合，這樣就形成了恒溫恒磁場的空間可以校準(zhǔn)磁強計溫度系數(shù)，其工作原理如圖1和圖2所示。校準(zhǔn)的方法：將被校準(zhǔn)霍爾磁強計探頭放置在恒溫恒磁場空間內(nèi)，標(biāo)準(zhǔn)磁強計探頭放置在磁場均勻區(qū)，保持磁場恒定不變，調(diào)節(jié)溫度系統(tǒng)根據(jù)磁強計的工作溫度進行等間隔的升溫變化，測量出被校準(zhǔn)磁強計的示值最大變化量，其示值最大變化量與溫度變化量的比值除以標(biāo)準(zhǔn)恒定磁場值得到的比值就是溫度系數(shù)，這樣的測量方法與霍爾元件電壓平均溫度系數(shù)的計算方法一致，說明其測量原理符合磁強計產(chǎn)品本身的技術(shù)特性。

圖1 50mT以上霍爾磁強計溫度系數(shù)校準(zhǔn)裝置示意圖Fig.1 Above 50 mT hall-effect magnetometer temperature-coefficient calibrator schematic

圖2 50mT以下霍爾磁強計溫度系數(shù)校準(zhǔn)裝置示意圖Fig.2 Under 50 mT hall-effect magnetometer temperature-coefficient calibrator schematic

3.1 磁場復(fù)現(xiàn)系統(tǒng)

0．1mT～3．0T磁場復(fù)現(xiàn)系統(tǒng)一般采用兩套設(shè)備來完成全量程范圍內(nèi)的磁場復(fù)現(xiàn)要求，分別為0．1mT～50mT和 50mT～3．0T。高磁場采用電磁鐵做為磁場復(fù)現(xiàn)量具，因電磁鐵材料本身磁滯和剩磁影響，低磁場的準(zhǔn)確度比較低，所以其復(fù)現(xiàn)磁場均大于10mT。為彌補這一缺陷，10mT以下的磁場一般采用螺線管來復(fù)現(xiàn)。目前本實驗室建立了國防最高標(biāo)準(zhǔn)“50mT～3．0T恒定磁場標(biāo)準(zhǔn)裝置”和“0．1mT～50mT恒定中強磁場標(biāo)準(zhǔn)裝置”，每套標(biāo)準(zhǔn)裝置都可以校準(zhǔn)徑向和軸向探頭磁強計，兩種裝置的結(jié)構(gòu)示意如圖1和圖2所示，其實物如圖3所示。

圖3 50mT以上霍爾磁強計溫度系數(shù)校準(zhǔn)裝置實物圖Fig.3 Above 50 mT hall-effect magnetometer temperature-coefficient calibrator

“50mT～3．0T恒定中強磁場標(biāo)準(zhǔn)裝置”采用的是380mm大極柱固定氣隙的電磁鐵結(jié)構(gòu)，磁極面直徑為Φ200mm，能在Φ40mm×30mm均勻區(qū)范圍內(nèi)復(fù)現(xiàn)2．0T磁場，不確定度達到1．0×10-4；Φ10mm×15mm均勻區(qū)范圍內(nèi)復(fù)現(xiàn)3．0T磁場，不確定度達到6．5×10-5，設(shè)計完成的電磁鐵重量為3．5噸，輸入電源設(shè)計功率為12kW，最大輸出電流為120A，電流的分辨力為0．1mA，短期穩(wěn)定性優(yōu)于0．002%，通過設(shè)計均勻電磁鐵和高穩(wěn)定度電源實現(xiàn)磁場的不確定水平。

“0．1mT～50mT恒定磁場標(biāo)準(zhǔn)裝置”采用多層厚壁巴凱爾線圈結(jié)構(gòu)，線圈直徑為150mm，能實現(xiàn)在Φ30mm×30mm的空間中磁場的非均勻性為3×10-4，線圈設(shè)計10A時復(fù)現(xiàn)50mT的標(biāo)準(zhǔn)磁場，輸入電源的穩(wěn)定性優(yōu)于0．001%。

3.2 弱磁溫度復(fù)現(xiàn)裝置

一般霍爾磁強計的工作溫度范圍為0℃～60℃，考慮到復(fù)現(xiàn)裝置的恒溫腔要放置到電磁鐵的磁場均勻區(qū)內(nèi)，一般的恒溫箱很難滿足非常狹窄的空間要求，因此我們采用半導(dǎo)體制冷技術(shù)，設(shè)計了外形尺寸為75mm×55mm×28mm的恒溫銅腔，由具有抗磁性的空心無氧銅一次塑性成形，其剩磁≤10nT，內(nèi)腔中空部分就是放置霍爾磁強計探頭的空氣腔，其兩側(cè)對稱安裝一對半導(dǎo)體制冷片，半導(dǎo)體制熱端直接接觸空氣腔，制冷端與水冷循環(huán)管路接觸，通過控制電源控制半導(dǎo)體片的工作電流使其產(chǎn)生溫度變化來對空氣腔進行變溫。該技術(shù)具有安裝尺寸小、重量輕、無污染、無振動、恒溫效率高等特點，通過設(shè)計實現(xiàn)Φ15mm×10mm的溫度校準(zhǔn)腔內(nèi)可以復(fù)現(xiàn)-10℃～80℃的變溫空間，溫度顯示精度為0．1℃，控制精度：±0．1℃。

4 零點溫漂校準(zhǔn)裝置的組成與工作原理

零點溫漂校準(zhǔn)裝置由磁屏蔽筒和弱磁溫度復(fù)現(xiàn)系統(tǒng)組成，其校準(zhǔn)方法理是：將弱磁溫度復(fù)現(xiàn)裝置放置在磁屏蔽筒內(nèi)，被校準(zhǔn)磁強計探頭放置在零磁空間，調(diào)節(jié)溫度的變化，測量磁強計示值的最大變化量與溫度變化量的比值，計算得到零點溫漂，工作裝置的原理如圖4所示，實物如圖5所示。

圖4 零點溫漂校準(zhǔn)裝置示意圖Fig.4 Zero tesla temperature drift calibrator schematic

圖5 零點溫漂校準(zhǔn)裝置實物圖Fig.5 Zero tesla temperature drift calibrator

5 試驗驗證

5.1 溫度系數(shù)的校準(zhǔn)試驗

我們選擇的標(biāo)準(zhǔn)磁強計主要技術(shù)參數(shù)：量程：3mT～3．0T；工作溫度 0℃～50℃，25℃時精度±0．02%（3．0T），溫度系數(shù)為（0．02%+1count）/℃，零點系數(shù)（最大）0．013G/℃。被校準(zhǔn)磁強計主要技術(shù)參數(shù)：測量范圍 3．5mT～3．5T；工作溫度 0℃～75℃；25℃時精度±0．2%（3．0T），±0．25%（3．0T～3．5T），溫度系數(shù)0．015%/℃，零點系數(shù)（最大）0．09G/℃，探頭尺寸2mm×2mm。

校準(zhǔn)裝置中的50mT～3．0T磁場復(fù)現(xiàn)系統(tǒng)的主要技術(shù)指標(biāo)：磁場均勻區(qū)：Φ10mm×10mm；均勻區(qū)的非均勻性：0．0045%，磁場穩(wěn)定性：0．005%/30min；無磁調(diào)溫系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)：溫度范圍-10℃～80℃，溫度均勻區(qū)Φ15mm×10mm，溫度測量精度±0．1℃，剩磁小于2nT；將無磁調(diào)溫系統(tǒng)安裝在磁場復(fù)現(xiàn)系統(tǒng)的均勻區(qū)內(nèi)，形成的恒溫恒磁場均勻區(qū)為Φ15mm×10mm，能滿足被校準(zhǔn)霍爾探頭的安裝尺寸。

校準(zhǔn)前先將標(biāo)準(zhǔn)磁強計和被校準(zhǔn)磁強計清零，調(diào)節(jié)溫度裝置使其恒溫腔內(nèi)的溫度恒定在0℃附近；使用定位裝置使被校準(zhǔn)磁強計探頭固定在恒溫恒磁場均勻區(qū)內(nèi)中心點，并與磁場方向重合；標(biāo)準(zhǔn)磁強計探頭放置在磁場均勻區(qū)內(nèi)；調(diào)整磁場激勵電源使磁場達到1．0T左右，在溫度系統(tǒng)的溫控儀設(shè)定目標(biāo)溫度，間隔5℃為一個溫度設(shè)定點，待恒溫腔內(nèi)溫度穩(wěn)定，記錄兩者的讀數(shù)值和溫度系統(tǒng)的顯示值，畫出被校準(zhǔn)霍爾磁強計示值BT與溫度測量點T的曲線，按照最小二乘法進行線性擬合求斜率，根據(jù)式（1）、式（2）計算出溫度系數(shù)：

式中：k——BT-T擬合曲線的斜率，mT/℃；d——BTT擬合曲線的截距，mT；BTi——被?；魻柎艔娪嬍局担琺T；Ti——溫度測量值，℃；αB——被校霍爾磁強計的溫度系數(shù)，%/℃；Bs——標(biāo)準(zhǔn)霍爾磁強計示值，mT。

表1 溫度系數(shù)試驗數(shù)據(jù)Tab.1 Temperature coefficient test data

5.2 零點溫漂的校準(zhǔn)試驗

校準(zhǔn)零點溫漂所用的磁屏蔽筒的工作空間為Φ80mm×200mm，剩磁≤1nT，噪聲≤0．5nT，首先在室溫下將磁強計清零，使其示值接近零；選擇溫度點一般應(yīng)包括溫度范圍的上限溫度、下限溫度、25℃。我們試驗霍爾磁強計的徑向和軸向探頭進行實驗驗證，測試數(shù)據(jù)見表2，根據(jù)式（3）計算零點溫漂：

式中：BT0——零點溫漂，μT/℃；BTrmax——被校磁強計最大示值，μT；BTrmin——被校磁強計最小示值，μT；Tmax——測量溫度的最大示值，℃；Tmin——測量溫度的最小示值，℃。

表2 零點溫漂試驗數(shù)據(jù)Tab.2 Zero tesla temperature test data

6 結(jié)束語

從霍爾元件自身的物理性能出發(fā)了解霍爾磁強計的溫度系數(shù)、零點溫漂為何與溫度有關(guān)，根據(jù)其原理研究了霍爾磁強計溫度特性校準(zhǔn)裝置和校準(zhǔn)方法，并通過試驗進行驗證，說明研制的校準(zhǔn)裝置可以開展溫度系數(shù)和零點溫漂的校準(zhǔn)工作，為磁強計在特殊環(huán)境下準(zhǔn)確溯源提供了計量保障。

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