霍尔磁强计温度特性校准装置的研究

杨 云 周 鹰 包 忠

（中国船舶重工集团公司第七一○研究所，国防弱磁一级计量站，湖北宜昌 443003）

1 引 言

霍尔磁强计、高斯计、特斯拉计等测量中强磁场的仪器，是目前市场上应用最广泛的磁性测量仪器，主要用于环境磁场测量与监控、物体和材料残余磁场测量、磁屏蔽效能检测、永磁体磁极分布测量、电磁场漏磁检测等，在国防军工、民用生产、轨道交通、食品安全检测等各个领域都被广泛使用，其测量磁场范围为0．1mT～3．0T，可工作的温度范围为0℃～75℃之间。

由于制造霍尔磁强计的敏感器件是霍尔元件，与霍尔元件物理性能相关的载流子浓度、迁移率、材料的电阻率都是温度系数的函数，当外界温度变化时，霍尔磁强计的输出值会随温度的变化而发生改变。为了避免霍尔元件加工出来的磁强计探头受温度的影响，一般高精度磁强计都会带温度补偿电路来修正温度变化所带来的准确度变化，并标称出其温度系数和25℃时示值准确度，在特定温度条件下使用时，通过标定的温度系数乘以温度变化量计算出修正量进行使用。目前市场上标称了温度系数的霍尔磁强计主要为进口高精度度仪器，这类仪器标注的测量准确度一般不高于0．05%，其标称温度系数范围为0．0025%/℃～0．02%/℃，不同厂家不同型号产品出厂指标都是厂家自行检测，国内一直没有相应的技术规范和计量校准装置对温度系数指标进行检测校准，也不能直接校准特定温度下霍尔磁强计的示值误差值。为了解决霍尔磁强计温度特性校准问题，根据霍尔元件物理性能的工作原理，我们开展了霍尔磁强计温度特性校准装置和校准方法的研究。

2 磁强计温度特性的主要来源

研究装置前我们必须了解霍尔元件输出参数哪些与温度有关。JB/T 9473-1999《霍尔元件通用技术条件》是用于产品检验的专用标准，在标准中提到了四项与温度有关的参数，分别是霍尔电压平均温度系数、电阻温度系数、零磁场剩余电压温漂和热阻参数，对于这些参数的定义和检测方法如下：

霍尔电压平均温度系数定义为在外加磁场和霍尔激励电流固定的情况下，环境温度每变化1℃时不等位电势的相对变化率，其检测方法是将元件置于一个无磁恒温盒内并放置于0．1T的恒定磁场中，给霍尔元件通以恒定电流，在工作温度范围内测量不少于5个温度区间的开路霍尔电压（改变温度后要保证温度稳定），将测量得到的霍尔电压的差值除以温度差值，再除以平均开路霍尔电压，取其百分数计算出霍尔电压平均温度系数。

霍尔元件的电阻温度系数又叫内阻温度系数，是指在不施加磁场的条件下，环境温度变化1℃时，电阻的相对变化率，用α表示，单位是%/℃。检测的方法是：将元件置于一个无磁的恒温盒内，并将元件输出端开路，在工作温度范围内测量不少于5个温度区间的输入端电阻值（改变温度后要保证温度稳定），将其差值除以温差和平均输入电阻的乘积。取百分数即为其内阻温度系数。

零磁场剩余电压温漂是指在通以额定电流和不施加磁场的条件下，在一定温度区间内每变化1℃时剩余电压的变化量，单位为mV/℃。其检测方法是将元件放置在恒温盒里，恒温盒外面没有磁场，元件通以恒定电流并稳定0．5小时后，测量元件零磁场剩余电压在温度变化10℃范围内的变化量，取其最大值的1/10。

霍尔元件的热阻，单位是℃/W，检测方法是将元件置于无磁恒温盒内，先分别测量不通电时25℃与35℃的输入电阻值，保持恒温改变电流使输出电阻不变计算得到元件的耗散功率，霍尔片平均温度和25℃基准点温度之差除以耗散功率，就可以计算热阻值。

从这些参数可以看出，霍尔元件的内阻温度系数、霍尔电压平均温度系数、零磁场剩余电压温漂和热阻都是与温度有关的参数，一种是在零磁环境下输出的特性参数，如内阻温度系数和零磁场剩余电压温漂，这就是出厂指标里标称的零点系数，单位为高斯每摄氏度，符号为G/℃，另一种是在外加磁场和温度变化的环境下输出的特性参数，这就是温度系数，单位百分比每摄氏度，符号为%/℃。

从分析霍尔元件的基本物理性能出发，可以看出影响霍尔磁强计温度特性的因素就是霍尔元件受到外界温度变化带来的输入零点漂移和输出电压的变化，对应到仪器厂家的指标为零点温漂和温度系数。因此我们研究的计量装置必须是能符合仪器的工作温度范围、磁场测量范围，并能调整温度和磁场的变化，满足零点温漂和温度系数校准所需要的恒温恒磁场环境。

根据这个目标我们研制一套磁场复现装置、弱磁温度复现装置和产生零磁场的装置。磁场复现装置工作范围为0．1mT～3．0T，磁场的均匀区大小和均匀区磁场非均匀性都能满足0．002%以下准确度等级的磁强计示值校准要求；弱磁温度复现装置复现的温度范围为-10℃～80℃，满足通用型磁强计的工作温度范围要求，并且可以将其恒温腔放置在磁场空间内，形成一套霍尔磁强计温度系数校准装置。零点磁场校准装置是一个磁屏蔽筒，它是由多层铝和坡莫合金加工出来能产生零磁空间的设备，其产生零磁空间的内部剩磁小于1μT，温度复现装置可以放置在零磁空间里，这样就能产生一个恒温的零磁空间，形成一套零点温漂校准装置。

霍尔磁强计温度系数校准装置和零点温漂校准装置组成了霍尔磁强计温度特性校准装置，该装置可以测量霍尔磁强计的温度系数、零点温漂和特定温度下示值准确度。

3 温度系数校准装置的组成和工作原理

温度系数校准装置由磁场复现系统、标准磁强计和无磁调温系统组成；其中磁场复现系统主要由标准磁场线圈、电磁铁、励磁电源、电流表组成。复现磁场强度范围确定为0．1mT～3．0T，满足市场上大部分被校仪器的测量量程范围。

该装置是将无磁调温系统放置在磁场复现系统的磁场均匀空间内，并使调温系统的温度均匀区与磁场的均匀区重合，这样就形成了恒温恒磁场的空间可以校准磁强计温度系数，其工作原理如图1和图2所示。校准的方法：将被校准霍尔磁强计探头放置在恒温恒磁场空间内，标准磁强计探头放置在磁场均匀区，保持磁场恒定不变，调节温度系统根据磁强计的工作温度进行等间隔的升温变化，测量出被校准磁强计的示值最大变化量，其示值最大变化量与温度变化量的比值除以标准恒定磁场值得到的比值就是温度系数，这样的测量方法与霍尔元件电压平均温度系数的计算方法一致，说明其测量原理符合磁强计产品本身的技术特性。

图1 50mT以上霍尔磁强计温度系数校准装置示意图Fig.1 Above 50 mT hall-effect magnetometer temperature-coefficient calibrator schematic

图2 50mT以下霍尔磁强计温度系数校准装置示意图Fig.2 Under 50 mT hall-effect magnetometer temperature-coefficient calibrator schematic

3.1 磁场复现系统

0．1mT～3．0T磁场复现系统一般采用两套设备来完成全量程范围内的磁场复现要求，分别为0．1mT～50mT和 50mT～3．0T。高磁场采用电磁铁做为磁场复现量具，因电磁铁材料本身磁滞和剩磁影响，低磁场的准确度比较低，所以其复现磁场均大于10mT。为弥补这一缺陷，10mT以下的磁场一般采用螺线管来复现。目前本实验室建立了国防最高标准“50mT～3．0T恒定磁场标准装置”和“0．1mT～50mT恒定中强磁场标准装置”，每套标准装置都可以校准径向和轴向探头磁强计，两种装置的结构示意如图1和图2所示，其实物如图3所示。

图3 50mT以上霍尔磁强计温度系数校准装置实物图Fig.3 Above 50 mT hall-effect magnetometer temperature-coefficient calibrator

“50mT～3．0T恒定中强磁场标准装置”采用的是380mm大极柱固定气隙的电磁铁结构，磁极面直径为Φ200mm，能在Φ40mm×30mm均匀区范围内复现2．0T磁场，不确定度达到1．0×10-4；Φ10mm×15mm均匀区范围内复现3．0T磁场，不确定度达到6．5×10-5，设计完成的电磁铁重量为3．5吨，输入电源设计功率为12kW，最大输出电流为120A，电流的分辨力为0．1mA，短期稳定性优于0．002%，通过设计均匀电磁铁和高稳定度电源实现磁场的不确定水平。

“0．1mT～50mT恒定磁场标准装置”采用多层厚壁巴凯尔线圈结构，线圈直径为150mm，能实现在Φ30mm×30mm的空间中磁场的非均匀性为3×10-4，线圈设计10A时复现50mT的标准磁场，输入电源的稳定性优于0．001%。

3.2 弱磁温度复现装置

一般霍尔磁强计的工作温度范围为0℃～60℃，考虑到复现装置的恒温腔要放置到电磁铁的磁场均匀区内，一般的恒温箱很难满足非常狭窄的空间要求，因此我们采用半导体制冷技术，设计了外形尺寸为75mm×55mm×28mm的恒温铜腔，由具有抗磁性的空心无氧铜一次塑性成形，其剩磁≤10nT，内腔中空部分就是放置霍尔磁强计探头的空气腔，其两侧对称安装一对半导体制冷片，半导体制热端直接接触空气腔，制冷端与水冷循环管路接触，通过控制电源控制半导体片的工作电流使其产生温度变化来对空气腔进行变温。该技术具有安装尺寸小、重量轻、无污染、无振动、恒温效率高等特点，通过设计实现Φ15mm×10mm的温度校准腔内可以复现-10℃～80℃的变温空间，温度显示精度为0．1℃，控制精度：±0．1℃。

4 零点温漂校准装置的组成与工作原理

零点温漂校准装置由磁屏蔽筒和弱磁温度复现系统组成，其校准方法理是：将弱磁温度复现装置放置在磁屏蔽筒内，被校准磁强计探头放置在零磁空间，调节温度的变化，测量磁强计示值的最大变化量与温度变化量的比值，计算得到零点温漂，工作装置的原理如图4所示，实物如图5所示。

图4 零点温漂校准装置示意图Fig.4 Zero tesla temperature drift calibrator schematic

图5 零点温漂校准装置实物图Fig.5 Zero tesla temperature drift calibrator

5 试验验证

5.1 温度系数的校准试验

我们选择的标准磁强计主要技术参数：量程：3mT～3．0T；工作温度 0℃～50℃，25℃时精度±0．02%（3．0T），温度系数为（0．02%+1count）/℃，零点系数（最大）0．013G/℃。被校准磁强计主要技术参数：测量范围 3．5mT～3．5T；工作温度 0℃～75℃；25℃时精度±0．2%（3．0T），±0．25%（3．0T～3．5T），温度系数0．015%/℃，零点系数（最大）0．09G/℃，探头尺寸2mm×2mm。

校准装置中的50mT～3．0T磁场复现系统的主要技术指标：磁场均匀区：Φ10mm×10mm；均匀区的非均匀性：0．0045%，磁场稳定性：0．005%/30min；无磁调温系统的技术指标：温度范围-10℃～80℃，温度均匀区Φ15mm×10mm，温度测量精度±0．1℃，剩磁小于2nT；将无磁调温系统安装在磁场复现系统的均匀区内，形成的恒温恒磁场均匀区为Φ15mm×10mm，能满足被校准霍尔探头的安装尺寸。

校准前先将标准磁强计和被校准磁强计清零，调节温度装置使其恒温腔内的温度恒定在0℃附近；使用定位装置使被校准磁强计探头固定在恒温恒磁场均匀区内中心点，并与磁场方向重合；标准磁强计探头放置在磁场均匀区内；调整磁场激励电源使磁场达到1．0T左右，在温度系统的温控仪设定目标温度，间隔5℃为一个温度设定点，待恒温腔内温度稳定，记录两者的读数值和温度系统的显示值，画出被校准霍尔磁强计示值BT与温度测量点T的曲线，按照最小二乘法进行线性拟合求斜率，根据式（1）、式（2）计算出温度系数：

式中：k——BT-T拟合曲线的斜率，mT/℃；d——BTT拟合曲线的截距，mT；BTi——被校霍尔磁强计示值，mT；Ti——温度测量值，℃；αB——被校霍尔磁强计的温度系数，%/℃；Bs——标准霍尔磁强计示值，mT。

表1 温度系数试验数据Tab.1 Temperature coefficient test data

5.2 零点温漂的校准试验

校准零点温漂所用的磁屏蔽筒的工作空间为Φ80mm×200mm，剩磁≤1nT，噪声≤0．5nT，首先在室温下将磁强计清零，使其示值接近零；选择温度点一般应包括温度范围的上限温度、下限温度、25℃。我们试验霍尔磁强计的径向和轴向探头进行实验验证，测试数据见表2，根据式（3）计算零点温漂：

式中：BT0——零点温漂，μT/℃；BTrmax——被校磁强计最大示值，μT；BTrmin——被校磁强计最小示值，μT；Tmax——测量温度的最大示值，℃；Tmin——测量温度的最小示值，℃。

表2 零点温漂试验数据Tab.2 Zero tesla temperature test data

6 结束语

从霍尔元件自身的物理性能出发了解霍尔磁强计的温度系数、零点温漂为何与温度有关，根据其原理研究了霍尔磁强计温度特性校准装置和校准方法，并通过试验进行验证，说明研制的校准装置可以开展温度系数和零点温漂的校准工作，为磁强计在特殊环境下准确溯源提供了计量保障。

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