只需少數(shù)元件的磁場(chǎng)探頭

　　磁場(chǎng)計(jì)的流行名稱(chēng)是“高斯計(jì)”，市場(chǎng)上各種牌子和型號(hào)，其價(jià)格使許多業(yè)余愛(ài)好者和工程師無(wú)法承受。本設(shè)計(jì)實(shí)例把一種常見(jiàn)的 DMM（數(shù)字萬(wàn)用表）和單一半導(dǎo)體元件結(jié)合起來(lái)，以便測(cè)量磁通量密度和磁場(chǎng)強(qiáng)度。

　　圖1列出了測(cè)量設(shè)備，由探頭、電池組、DMM 組成。探頭的有源元件由線(xiàn)性霍爾效應(yīng)傳感器構(gòu)成。實(shí)際上任何線(xiàn)性霍爾效應(yīng)傳感器在這種應(yīng)用中都好用，但這個(gè)探頭版本使用 Allegro MicroSystems公司的A1323傳感器，它產(chǎn)生與施加的磁場(chǎng)成比例的電壓（參考文獻(xiàn)1）。A1323依靠4.5V ~ 5.5V電源工作，它的靜態(tài)輸出電壓（零磁場(chǎng)輸出）取決于電源電壓的50%。鑒于A(yíng)1323的標(biāo)稱(chēng)靈敏度是2.5毫伏/高斯，它對(duì)于4.5V電源電壓提供的滿(mǎn)刻度量程是1800高斯（4.5伏/2.5毫伏/高斯=1800高斯）。

　　施加一個(gè)朝向傳感器正面南側(cè)的磁場(chǎng)，就會(huì)增加傳感器的輸出電壓，它與垂直于傳感器標(biāo)有品牌一面施加的磁場(chǎng)成比例，而施加一個(gè)位于同一面北側(cè)的磁場(chǎng) 就會(huì)導(dǎo)致輸出電壓的成比例下降。對(duì)于4.5V電源，傳感器的2.25V靜態(tài)輸出電壓能增加到4.5V（對(duì) 900 高斯正南方磁場(chǎng)）或降低到 0

V（對(duì)900高斯正北方磁場(chǎng)）。傳感器能檢測(cè)直流磁場(chǎng)的強(qiáng)度和極性，而它的交流磁場(chǎng)帶寬則延伸到了30 kHz。

　　探頭的電路試驗(yàn)板版本包含一小塊印制電路板，其長(zhǎng)度足以適應(yīng)操作者的手（圖2）。傳感器的引線(xiàn)連接到一段高質(zhì)量的三導(dǎo)體屏蔽電纜和兩個(gè) 10 nF 表面貼裝解耦電容器。傳感器的電源包含三塊串聯(lián)的小型1.5V 電池，總電壓為4.5V。為了達(dá)到更大的滿(mǎn)刻度量程，可用9V電池向7805 伏特計(jì)等5V穩(wěn)壓IC饋電，并在需要時(shí)添加一個(gè)通/斷開(kāi)關(guān)。應(yīng)把電池放在伏特計(jì)附近。否則電池的鋼制外殼會(huì)干擾被觀(guān)察的磁場(chǎng)。應(yīng)使用10nF SMD電容器來(lái)解耦傳感器的輸入和輸出引腳。雖然提供較高直流精度和超過(guò)50kHz交流帶寬的DMM能顯示傳感器的輸出，但Fluke 公司的187 型DMM等具有RELΔ（“與參考讀數(shù)的相對(duì)差值”）功能的DMM使直流磁場(chǎng)的測(cè)量和極性檢測(cè)變得很容易（參考文獻(xiàn)2）。

　　在電路組裝之后，用兩個(gè)4 mm香蕉形插頭把探頭的輸出連到DMM。用一分鐘時(shí)間預(yù)熱，并把探頭的傳感器放在磁屏蔽外殼中。（編者按：可以用回收鋼制或錫制同心圓食品罐頭盒來(lái)制作磁屏蔽外殼。罐頭盒的置放應(yīng)使其未打開(kāi)的一端指向相反方向。在較大罐頭盒未打開(kāi)的一端上鉆一個(gè)小口來(lái)容納傳感器的輸出電纜。）按DMM的RELΔ功能鍵。DMM 的顯示器將傳感器的2.25V靜態(tài)電壓輸出值顯示為0.0000V，表示探頭針對(duì)零磁場(chǎng)校準(zhǔn)完畢，可以使用了。

　　把探頭從屏蔽外殼中取出，測(cè)量被觀(guān)察的磁場(chǎng)。為了達(dá)到最高靈敏度，應(yīng)使傳感器的面垂直于磁場(chǎng)。如果磁場(chǎng)的方向未知，則使探頭圍繞其最長(zhǎng)軸旋轉(zhuǎn)來(lái)搜索最高電壓。為了計(jì)算磁通量密度，把輸出電壓讀數(shù)除以靈敏度（2.5毫伏/高斯）。例如，如果表頭讀數(shù)是-1.9800V，則磁場(chǎng)在正北向是792高斯。對(duì)于交流磁場(chǎng)測(cè)量，應(yīng)使用DMM的真rms模式來(lái)讀傳感器的交流輸出電壓。

　　可用以下公式計(jì)算磁場(chǎng)在空氣中的強(qiáng)度：B=m0×H，其中B表示磁通量密度，單位是特斯拉(teslas)，H表示磁場(chǎng)強(qiáng)度，單位是安培/米，m0=4p×10-7H/m（自由空間的磁導(dǎo)率）。鑒于特斯拉代表較大的測(cè)量單位，因此1T磁場(chǎng)相當(dāng)強(qiáng)。

　　對(duì)于更大的測(cè)量分辨率，可用以下轉(zhuǎn)換因子來(lái)使用更流行的單位高斯：10000 高斯=1特斯拉，1高斯=79.6安培/米，1.2560毫特斯拉=1000安培/米。磁場(chǎng)傳感器的應(yīng)用包括分析移動(dòng)磁體線(xiàn)性位置探測(cè)器的故障、直流電機(jī)和揚(yáng)聲器制造、低頻磁場(chǎng)干擾的研究、電磁干擾屏蔽裝置的設(shè)計(jì)與制造。

參考文獻(xiàn)
1.A1323 Ratiometric Linear Hall-Effect Sensor Data Sheet, Allegro MicroSystems Inc.
2.User's Manual, Model 187 189, True RMS Multimeter, Fluke Corp, www.fluke.com.