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Hall传感器的标定装置及相关标定实验研究

陈广全 袁平 冯文天 杨文杰 欧贤金 王宝嘉 杨颜冰 杨静 张翔 金利安 柴志良 吴巍 姚庆高

陈广全, 袁平, 冯文天, 杨文杰, 欧贤金, 王宝嘉, 杨颜冰, 杨静, 张翔, 金利安, 柴志良, 吴巍, 姚庆高. Hall传感器的标定装置及相关标定实验研究[J]. 原子核物理评论, 2022, 39(3): 317-325. doi: 10.11804/NuclPhysRev.39.2021085
引用本文: 陈广全, 袁平, 冯文天, 杨文杰, 欧贤金, 王宝嘉, 杨颜冰, 杨静, 张翔, 金利安, 柴志良, 吴巍, 姚庆高. Hall传感器的标定装置及相关标定实验研究[J]. 原子核物理评论, 2022, 39(3): 317-325. doi: 10.11804/NuclPhysRev.39.2021085
Guangquan CHEN, Ping YUAN, Wentian FENG, Wenjie YANG, Xianjin OU, Baojia WANG, Yanbing YANG, Jing YANG, Xiang ZHANG, Lian JIN, Zhiliang CHAI, Wei WU, Qinggao YAO. Calibration Device of Hall Sensor and Related Calibration Experiment Research[J]. Nuclear Physics Review, 2022, 39(3): 317-325. doi: 10.11804/NuclPhysRev.39.2021085
Citation: Guangquan CHEN, Ping YUAN, Wentian FENG, Wenjie YANG, Xianjin OU, Baojia WANG, Yanbing YANG, Jing YANG, Xiang ZHANG, Lian JIN, Zhiliang CHAI, Wei WU, Qinggao YAO. Calibration Device of Hall Sensor and Related Calibration Experiment Research[J]. Nuclear Physics Review, 2022, 39(3): 317-325. doi: 10.11804/NuclPhysRev.39.2021085

Hall传感器的标定装置及相关标定实验研究

doi: 10.11804/NuclPhysRev.39.2021085
基金项目: 中科院先导专项B类(XDB25030103);空间环境地面模拟装置(SESRI)项目;兰州市科技计划项目(E139973SQ0)
详细信息
    作者简介:

    陈广全(1996−),男,黑龙江鹤岗人,硕士研究生,从事核能与核技术工程研究;E-mail: chengq@impcas.ac.cn

    通讯作者: 冯文天,E-mail: fengwentian@impcas.ac.cn
  • 中图分类号: TL503

Calibration Device of Hall Sensor and Related Calibration Experiment Research

Funds: Strategic Priority Research Program of the Chinese Academy of Sciences(XDB25030103); SESRI(Space Environment Simulation and Research Infrastructure) project; Science and Technology Program of Lanzhou(E139973SQ0)
More Information
  • 摘要: Hall传感器是加速器磁铁磁场测量必不可少的工具之一。为保证Hall传感器能够完成高精度的测量,在实际使用过程中,需要对其进行周期性标定。除此以外,当前加速器磁体的测试任务对Hall传感器的测量范围及工作温度提出了新的需求,因此建立一套标准的大跨度磁场及温度范围的Hall传感器标定系统具有非常重要的现实意义。基于此,搭建了一套完整的高精度Hall传感器标定系统并着重论述了其中的数据采集部分。目前基于该系统开展了一系列0~2.0 T磁场区(HHP-NP、HPCS、DTM151、HE244T等Hall传感器)下的标定尝试,标定曲线采用线性、多项式等不同方式拟合,结果表明拟合结果良好,线性偏离程度(测试结果线性偏离程度越小,精度越好)最优情况下好于0.01%。
  • 图  1  磁场测量方式范围及精度(在线彩图)

    图  2  标定系统布局(在线彩图)

    图  3  标定系统实物图(在线彩图)

    图  4  数据采集操作界面(在线彩图)

    图  5  6 T超导螺线管磁场监测(在线彩图)

    图  6  80 A电流稳定性监测(在线彩图)

    图  7  零高斯腔内监测情况(在线彩图)

    图  8  温度监测(在线彩图)

    图  9  标准磁铁电流磁场曲线(在线彩图)

    图  10  HHP-NP标定拟合曲线(在线彩图)

    图  11  HPCS 0-2.0 T量程下标定拟合曲线(在线彩图)

    图  14  HE244T(3 mA)标定拟合曲线(在线彩图)

    图  12  HPCS 0-0.35 T量程下标定拟合曲线(在线彩图)

    图  13  HE244T(2 mA)标定拟合曲线(在线彩图)

    图  15  DTM151磁场值与NMR磁场值拟合曲线(在线彩图)

    图  16  温度与Hall电压关系(在线彩图)

    图  17  HE244T标定拟合曲线(线性拟合) (在线彩图)

    图  18  HE244T标定拟合曲线(多项式拟合) (在线彩图)

    图  20  −2.0至2.0 T正负全磁场最终标定结果(在线彩图)

    图  19  不同拟合方式线性偏离情况对比(在线彩图)

    图  21  特定磁场(0.5, 0.7T)下温度补偿情况(在线彩图)

    图  22  现有标定系统与北京某厂家标定数据对比(在线彩图)

    图  23  标准磁铁3 A电流态下稳定度监测(在线彩图)

    图  24  标准磁铁100 A电流态下稳定度监测(在线彩图)

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出版历程
  • 收稿日期:  2021-11-11
  • 修回日期:  2021-12-10
  • 刊出日期:  2022-09-20

Hall传感器的标定装置及相关标定实验研究

doi: 10.11804/NuclPhysRev.39.2021085
    基金项目:  中科院先导专项B类(XDB25030103);空间环境地面模拟装置(SESRI)项目;兰州市科技计划项目(E139973SQ0)
    作者简介:

    陈广全(1996−),男,黑龙江鹤岗人,硕士研究生,从事核能与核技术工程研究;E-mail: chengq@impcas.ac.cn

    通讯作者: 冯文天,E-mail: fengwentian@impcas.ac.cn
  • 中图分类号: TL503

摘要: Hall传感器是加速器磁铁磁场测量必不可少的工具之一。为保证Hall传感器能够完成高精度的测量,在实际使用过程中,需要对其进行周期性标定。除此以外,当前加速器磁体的测试任务对Hall传感器的测量范围及工作温度提出了新的需求,因此建立一套标准的大跨度磁场及温度范围的Hall传感器标定系统具有非常重要的现实意义。基于此,搭建了一套完整的高精度Hall传感器标定系统并着重论述了其中的数据采集部分。目前基于该系统开展了一系列0~2.0 T磁场区(HHP-NP、HPCS、DTM151、HE244T等Hall传感器)下的标定尝试,标定曲线采用线性、多项式等不同方式拟合,结果表明拟合结果良好,线性偏离程度(测试结果线性偏离程度越小,精度越好)最优情况下好于0.01%。

English Abstract

陈广全, 袁平, 冯文天, 杨文杰, 欧贤金, 王宝嘉, 杨颜冰, 杨静, 张翔, 金利安, 柴志良, 吴巍, 姚庆高. Hall传感器的标定装置及相关标定实验研究[J]. 原子核物理评论, 2022, 39(3): 317-325. doi: 10.11804/NuclPhysRev.39.2021085
引用本文: 陈广全, 袁平, 冯文天, 杨文杰, 欧贤金, 王宝嘉, 杨颜冰, 杨静, 张翔, 金利安, 柴志良, 吴巍, 姚庆高. Hall传感器的标定装置及相关标定实验研究[J]. 原子核物理评论, 2022, 39(3): 317-325. doi: 10.11804/NuclPhysRev.39.2021085
Guangquan CHEN, Ping YUAN, Wentian FENG, Wenjie YANG, Xianjin OU, Baojia WANG, Yanbing YANG, Jing YANG, Xiang ZHANG, Lian JIN, Zhiliang CHAI, Wei WU, Qinggao YAO. Calibration Device of Hall Sensor and Related Calibration Experiment Research[J]. Nuclear Physics Review, 2022, 39(3): 317-325. doi: 10.11804/NuclPhysRev.39.2021085
Citation: Guangquan CHEN, Ping YUAN, Wentian FENG, Wenjie YANG, Xianjin OU, Baojia WANG, Yanbing YANG, Jing YANG, Xiang ZHANG, Lian JIN, Zhiliang CHAI, Wei WU, Qinggao YAO. Calibration Device of Hall Sensor and Related Calibration Experiment Research[J]. Nuclear Physics Review, 2022, 39(3): 317-325. doi: 10.11804/NuclPhysRev.39.2021085
    • 磁场测量是一门既古老又年轻的学科,在战国时期,人们就利用司南借助地磁场指示方向,而随着科学技术的进步,各类新颖的磁场测量方法相继出现,使得人们对磁场的认识也日益加深。截至目前,随着半导体技术、物理学和电子学(模拟及数字)的不断进步,磁阻效应甚至量子力学等当今最前沿的科学技术均被应用到磁场测量中,提高了磁场测量精度,拓宽了应用场景,使得磁场测量在航空航天、军事、地质勘探、医学及加速器等领域得到了广泛应用[1]。其中,加速器磁体的磁场测量数据是加速器束流动力学模拟、磁铁准直安装以及调束参数预置的根本依据,准确可靠的磁场参数测量更是加速器稳定运行的一个重要保证[2]。当前加速器磁体磁场测量主要针对静态磁场测量,即给磁体施加稳定电流并测试其相关特性。过去几十年间,人们发展了多种多样的静态磁场测量手段,其中图1磁场测量方式范围及精度为引用图片[3],如图1所示,静态测量主要关心待测磁体磁场范围和所使用方法或手段的精度,磁场测量范围横跨约14个量级、精度跨度约5个量级,而待测磁场的范围和精度是负相关的。比如,当前精度最高的核磁共振(NMR)探头的精度高达10×10−6,但其测量范围大约0.04~10.0 T,而作为磁场探测多面手的磁通门计(fluxgate),其磁场测量范围虽然横跨4个量级,但从其测量范围10−7~10−2 T,可以看出其精度仅仅只能达到1 000×10−6(0.1%)。当前,商业化的测量仪器考虑到成本,在磁场测量范围和磁场测量精度两者间做了妥协,存在一定的局限性,难以满足日渐提高的加速器磁体磁场测量需求。

      图  1  磁场测量方式范围及精度(在线彩图)

      随着国家十二五重大科学装置—强流重离子加速器装置(HIAF)工程建设的逐步开展,无论从磁场测量范围还是测量精度,相关磁体的静态测量均面临较大挑战。由于HIAF装置包含部分超导磁体,且对同步加速有着较高要求,以HIAF常规二极铁中同步环二极铁为例,磁场测量范围0.047~1.58 T,磁场上升速率12 T/s,工作温度25~28 °C,磁场精度设计指标±0.03%,实际磁场测量中经过二次削斜后小于±0.03%达到要求。因此磁场测量不仅需要极宽的磁场范围及工作温度[4],还需要具有较高的测量精度。通过对局部磁场进行精确描述,对局部位置的逐步测量从而描述磁场的整体分布是Hall传感器的重要优势,此外,考虑到成本等因素,Hall传感器是既能满足大跨度磁场(10−2~10 T)和温度(4.2~300 K),同时满足高精度(好于0.01%)的测量仪器[5]。Hall传感器是基于霍尔效应[6]的半导体器件,由于其本身对磁场异常敏感并且成本低廉,使得其成为静态磁场测量的主要工具。但Hall传感器本身对磁场的测量属于间接测量[7],即将其置于一固定磁场,外加几至几十mA不等的激励电流[8],那么与磁场和激励电流方向相垂直的两端引出电压即是Hall传感器所处磁场的反映。每个Hall传感器依据激励电流、自身几何结构和载流子密度等信息对应一定的Hall系数,通过该系数的转换可粗略地将Hall电压和待测磁场关联起来,但精度仅仅只有0.1%,而经过标定的Hall传感器其精度可上升至0.01%以上。

      Hall传感器标定工作主要包含两个方面,一是进行Hall传感器的温度补偿,即单位温度变化引起的Hall电压变化[9];其次是Hall电压对磁场的对应关系。标定后的Hall传感器精度好于0.01%,为维持其精度,商业化的Hall传感器(高斯计)通常要求标定周期为一年,实际使用过程中考虑到时间和成本,通常标定周期均大于一年。另外,当前国际上使用的Hall传感器半导体材料大多为砷化铟或铟化锑,而近几年砷化镓和硅基材料应用于Hall传感器越来越广泛,相比于传统材质,它们具有温度和电压线性度好的特征,但基于上述材质的测量装置价格昂贵[10],一般不利于广泛采用。因此,使用标定后的砷化铟或铟化锑的Hall传感器,辅助以自研的电子学及数采系统是降低成本的一种方式。

      综上所述,Hall传感器是操作简单且广泛使用的测磁工具,但为使其保持高精度并尽可能降低成本,周期性校准是必不可少的,因此建立一套高精度Hall传感器标定系统是非常必要的。而立足于中国科学院近代物理研究所磁铁技术室的技术储备,建立一套标准的Hall标定装置是可行的。

    • Hall传感器标定系统由标准磁铁、高精度电源和数据采集系统构成。标准磁铁为二极磁铁,磁场范围0~2.0 T,磁场均匀区为Ф200 mm ×32 mm的柱状区域,由于标定系统对电源稳定度要求极高,因此为标准磁铁搭配了一台高精度线性电源:型号Danfysik9700,输出电流0~200 A,输出电压0~60 V,电源相对稳定度10×10−6/8 h。数据采集系统包括高精度数字万用表keysight3458A、NMR(PT2026),温度采集LakeShore218等。上述仪器包括电源均为当前商业化的高精度仪表,通过实际验证各仪器精度,确保了最后标定数据的高精度和可靠性。具体标定过程采用控制变量法,即标定磁场系数时保持温度不变,改变励磁电流,采集NMR读数与Hall电压,标定温度系数时保持磁场不变,改变温度,同时采集温度与Hall电压对Hall传感器进行依次测量,测量时使Hall传感器和NMR探头尽量接近(依托工装),并且每项测量都同步采集温度、Hall电压、NMR读数。具体步骤如下:

      首先,打开电源进行通电预热半小时使系统达到稳定状态,同时将Hall传感器在恒温环境下(恒温间)放在零高斯腔内对Hall传感器的不等位电势进行测量[11],采集约半小时的时间与Hall电压数据查看电压漂移情况。随后,在磁场恒定的状态下,对Hall传感器进行长时间电压和温度测量,分析霍尔电压与温度之间的关系[12]。上述过程恒温下进行,尽可能保证传感器温度恒定。其次,按照一定步长调节磁体的励磁电流,使磁场变化,记录Hall电压和NMR读数,得到磁场与Hall电压数据。标定反向磁场则在其他条件不变、仅交换励磁电流极性的方式,重复上述步骤,以避免探头准直带来标定误差[13]。测试过程中,标定工装均置于匀场磁体中心,并使磁体恒定在某一固定磁场,工装在加工前首先与加工厂家问询机床的精度,共同确定垂直度不超过0.1,且换算后偏差角度远小于1°,其次通过可360°旋转且分辨率0.001 25°的转盘带动工装旋转定位,可确保霍尔传感器与磁场垂直。最后分析Hall电压和NMR给出磁场B的数据,拟合给出标定系数。

      经初步优化,如图2标定系统布局以及图3标定系统实物图所示,将NMR(PT2026)与Hall传感器封装后的标定工装置于标准磁铁的中心好场区内,标准磁铁电源提供动力支持,PT2026、3458A等仪器分别通过USB、以太网接口与上位机建立通讯后由上位机远程控制测试并采集数据。

      图  2  标定系统布局(在线彩图)

      图  3  标定系统实物图(在线彩图)

    • 本部分介绍数据采集系统的各个组成部分,其中数据采集软件界面使用LabVIEW开发,具体操作页面由图4数据采集操作界面所示,界面包括Hall电压采集、温度采集、磁场值等,实现了数据同步采集。

      图  4  数据采集操作界面(在线彩图)

    • NMR是当前磁场测量最精确的技术,PT2026更是目前市场上精度最高的核磁共振高斯计,其绝对精度好于±5×10−6,其作为基准广泛应用于各类磁场测量仪器的标定[14]。除此以外,NMR最典型的用途就是进行高精度磁场测量与磁场监控,为考察PT2026的长时间工作的稳定性,对中国科学院近代物理研究所自研的6 T超导螺线管进行了7 d采样,每1 min采样一个点的磁场稳定性监测,监测结果如图5所示,磁场波动小于10×10−6,6 T超导螺线管磁场监测结果理想并验证了PT2026设备精度,故PT2026可作为标定系统的基准给出高精度的磁场B值。

      图  5  6 T超导螺线管磁场监测(在线彩图)

    • 数字万用表3458A,其最高分辨可达8位半,是适合最苛刻要求应用的高精度多用表,被广泛用于多个磁场测量平台[15]。在本系统中,用于给出高精度的Hall传感器电压数值。图6给出了在特定电流80A下DCCT(直流流强检测器)通过电源线缆转接3458A对电流稳定性进行监测,波动范围小于80×10−6,好于0.01%,通过利用3458A的高精度验证了电源的稳定度,证明电源满足标定系统精度要求。

      图  6  80 A电流稳定性监测(在线彩图)

    • DTM151高斯计是目前世界上精度最高的霍尔效应高斯计之一,精度好于0.01%,适用于高精度和高分辨率的磁场测试中,其内部带有温度补偿及对Hall传感器温度具有监测功能。结合现场情况将探头放置在零高斯腔内测试本底,同时记录磁场值和温度值,测试结果如图7所示,磁场值波动范围好于量程的0.01%,Hall传感器周围温度波动不到1 °C,(在温度波动1 °C情况下DTM151高斯计值波动20×10−6)该高斯计主要在标定平台中用于与待标定Hall传感器对比。

      图  7  零高斯腔内监测情况(在线彩图)

    • LakeShore218是广泛使用的大跨度量程温度计。本标定平台选用电阻型传感器PT100,结合现场情况在做Hall传感器标定时把PT100温度片放置在Hall传感器周围用来监测Hall传感器实时温度变化,具体温度监测结果如图8所示,温度波动曲线长时间波动不到1 °C,近似认为Hall标定平台温度恒定。

      图  8  温度监测(在线彩图)

    • 在高精度Hall标定数据采集系统初步搭建以及一系列验证后,基于该系统开展了包含HHP-NP、HPCS、DTM151、HE244T等Hall传感器0~2.0 T磁场区间下的标定尝试,其中所用标准磁铁电流磁场曲线如图9所示。由于单个NMR探头量程有限,故使用4个NMR探头才能覆盖0~2.0 T的磁场范围(4个探头量程分别为:0.038~0.14 T,0.13~0.48 T,0.46~1.5 T和1.4~4.8 T),图示中有三处采集点数较密集区域是因为标定0~2.0 T磁场区域Hall传感器需要更换3次NMR探头,为使测试结果更加精确,我们在衔接处选取的采集点较为密集(采样率为1 Hz)。此外,为更好的研究标定曲线有可能存在的非线性区域,采取了不同的励磁电流步长,其中0.038~0.14 T的低场励磁电流步长为1 A,0.14~0.5 T磁场下励磁电流步长为2 A,0.5~1.5 T磁场下励磁电流步长为5 A,1.5~2.0 T磁场下励磁电流步长为10 A,其中在相邻探头磁场衔接处励磁电流步长为1 A;由于更换电流态存在电源波动,该过程需要1 min才能趋于稳定,一般每个电流态下采集150个点数据波动误差在(100~1 000) ×10−6左右,而电源波动稳定后再等待30 s采集的后50个点数据波动误差小于100×10−6。所以通过对稳定度较好的后50个点数据进行平均得到该电流状态下对应的磁场值。如图9所示,标准磁铁电流磁场曲线在低场下成线性,高场下逐渐饱和,符合预期。

      图  9  标准磁铁电流磁场曲线(在线彩图)

      接下来开展了以如图10为起始的一系列Hall传感器的标定,励磁电流加载步长以及后期数据处理选取数据的方法与标准磁铁电流磁场曲线一致,NMR采集磁场值,3458A采集Hall电压(所采Hall电压需减去最开始零高斯腔内测得的不等位电势),所有标定实验均在恒温间进行。其中图10为Hall传感器HHP-NP的标定拟合曲线,拟合曲线采用线性拟合的方式,拟合得到的曲线斜率为0.162 26 V/T,截距为0.000 394 75,若忽略截距大小,通过对比HHP-NP传感器出厂在300 K下仅有的系数0.161 9 V/T,偏差为0.2%,差别相对较大,后文采取多种测量及数据处理方式以优化标定结果。

      图  10  HHP-NP标定拟合曲线(在线彩图)

      图11图14所示为测试过程中做的一些实验,为探索相同厂家不同量程Hall传感器的线性情况,实验中对不同量程的Hall传感器(HPCS)分别进行了标定,标定方法同上。其中图11为Hall传感器(HPCS)0~2.0 T量程下的标定拟合曲线,图12为Hall传感器(HPCS)0~0.35 T量程下的标定拟合曲线,由图13图14的结果对比可知,二者残差平方和均在10−4量级,两个量程HPCS的标定拟合系数斜率分别为4.990 55与28.429 63,二者标定拟合系数斜率之比与二者最大量程(0.35和2.0 T)之间比例基本一致,线性情况基本相同,而且由于两种量程的HPCS的霍尔电压最大值标称均是10 V,所以小量程的HPCS在标定系数上更为直观。接下来为探索同一Hall传感器不同供电电流的性质(供电电流对Hall电压的影响),对相同Hall传感器(HE244T)采用不同供电电流(2和3 mA)的方式进行标定,最后由图13图14的结果对比可知,相同Hall传感器(HE244T)采用不同供电电流(2和3 mA)发现二者标定拟合系数斜率分别为0.193 28与0.290 26,二者标定拟合系数斜率之比与供电电流比例基本一致,说明Hall传感器材质以及磁场值一定的情况下,供电电流与Hall电压成正比。

      图  11  HPCS 0-2.0 T量程下标定拟合曲线(在线彩图)

      图  14  HE244T(3 mA)标定拟合曲线(在线彩图)

      图  12  HPCS 0-0.35 T量程下标定拟合曲线(在线彩图)

      图  13  HE244T(2 mA)标定拟合曲线(在线彩图)

      同时在标定平台测试中发现,用于与待标定Hall传感器对比的DTM151所采磁场值与NMR所采磁场值拟合结果存在偏差,如图15所示拟合优度为0.999 9,这与其内部温度补偿有关。为进一步了解温度与Hall电压关系,在给定Hall传感器(HE244T)磁场0.35 T情况下对温度与Hall电压同时采集24 h,如图16所示,发现温度与Hall电压成负相关,其中长时间温度波动不到1 °C。如对Hall电压值改变要进行更加精确的标定,需要对温度进行更精确的控制,后续计划采用温控设备对标定环境进行更精确的温度控制。

      图  15  DTM151磁场值与NMR磁场值拟合曲线(在线彩图)

      图  16  温度与Hall电压关系(在线彩图)

      最后对所选用的Hall传感器HE244T(高灵敏度、低噪声、低偏置电压、极低温度系数、磁场范围大,可到10 T、线性误差1~5.0 T内仅为0.1%、耐受温度−40 ~ +125 °C)进行标定,得到HE244T标定线性拟合曲线如图17所示,在恒温间温度波动1 °C以内情况下,HE244T的标定拟合曲线的残差平方和已达到10−7量级且拟合优度为1,当将拟合方式从线性拟合变更为多项式拟合时,拟合结果的残差平方和减小到10−8量级,如图18所示。同时对标定拟合曲线拟合出的公式将测试数据代入,得到实际测试值与拟合曲线值对比的线性偏离曲线,发现在变更拟合方式后拟合曲线的线性偏离情况得到明显改善,如图19所示,采用多项式拟合的方式拟合得到的曲线其线性偏离水平明显降低。

      图  17  HE244T标定拟合曲线(线性拟合) (在线彩图)

      图  18  HE244T标定拟合曲线(多项式拟合) (在线彩图)

      最终,为了消除偏置电压的影响我们尝试了正向与反向磁场同时标定,在标定反向磁场时采取探头不动,交换励磁电流极性的方式以避免探头准直带来的标定误差进行−2.0 T至2.0 T的正负全磁场标定,标定拟合结果如图20所示,拟合方式采用多项式拟合,更换探头处衔接情况较好,拟合结果的拟合优度为1。

      图  20  −2.0至2.0 T正负全磁场最终标定结果(在线彩图)

      期间与兰州大学物理院磁学实验室合作进行了两个参考场(0.5, 0.7 T)下温度补偿相关实验,温度跨度10 °C到50 °C,其中5 °C一个步长,在判定条件温度波动0.1 °C以内时进行取值20次,20个值做平均后输出Hall电压值,如图21特定磁场(0.5, 0.7 T)下温度补偿情况所示,温度波动1 °C对Hall电压值影响0.007%左右,此次合作为现有系统配套搭建一套温控装置积累了宝贵经验。

      图  19  不同拟合方式线性偏离情况对比(在线彩图)

      图  21  特定磁场(0.5, 0.7T)下温度补偿情况(在线彩图)

    • 经过对HE244T标定拟合曲线的分析,得到HE244T标定拟合的线性偏离曲线,通过对比现有标定系统与北京某厂家标定数据得到如图22所示结果。

      图  22  现有标定系统与北京某厂家标定数据对比(在线彩图)

      图22看出,两者线性偏离曲线趋势大体相同,线性偏离基本在同一量级,同样是低场线性偏离较大。从北京某厂家线性偏离情况来看,其1.2 T左右线性偏离情况达到最小,但北京某厂家只标定了有限数据点,所以北京某厂家标定数据可靠程度低于现有标定系统,现有标定系统从低场到高场线性偏离逐渐减小,其1.7 T左右线性偏离情况达到最小且现有标定系统数据相比之下优于北京某厂家,高场线性偏离程度优于0.01%。

    • 通过对低场线性偏离较大的原因进行分析发现是由于低场标准磁铁供电电源相对不稳定造成的,于是接下来进行了标准磁铁电源3, 100 A电流态下稳定度监测,监测结果如图23图24所示。

      图  23  标准磁铁3 A电流态下稳定度监测(在线彩图)

      图  24  标准磁铁100 A电流态下稳定度监测(在线彩图)

      由监测结果可知,标准磁铁低电流态下稳定度较低(300×10−6),高电流态下稳定度较好(30×10−6),所以低场线性偏离较大的原因就是标准磁铁供电电源低电流态下不稳定,未来可通过磁场反馈提高电源稳定性或在低场区采用亥姆霍兹线圈进行标定,亥姆霍兹线圈由于没有铁芯纯线圈,因此磁场线性度较高,其次可充分考虑线圈匝数确定供电电源,相对标准磁铁供电电源,高稳定度亥姆霍兹线圈供电电源成本更低,选择余地更大。

    • 搭建了一套高精度Hall传感器标定平台,基于该平台开展了一系列系统稳定性测试及室温恒温下Hall传感器标定,目前所标定Hall传感器标定拟合曲线的拟合优度为1,线性偏离最优情况下好于0.01%。未来计划进行对Hall偏置电压、温度补偿、Hall传感器安装角度等因素对测量影响方面的研究,并通过进一步提高电源的稳定性,实现磁场反馈控制,最终实现大跨度磁场及温度范围内Hall传感器的标定。

参考文献 (15)

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