磁療貼磁感應強度的測量方法探討

鄧振進

湖南省醫療器械與藥用包裝材料（容器）檢測所，湖南 長沙 410001

磁療貼磁感應強度的測量方法探討

鄧振進

湖南省醫療器械與藥用包裝材料（容器）檢測所，湖南 長沙 410001

本文介紹了采用特斯拉計測量磁療貼表面磁感應強度的原理，詳細論述了測量磁療貼磁感應強度時選擇特斯拉計及其探頭應考慮的幾個重點，并分析了測量結果產生誤差的原因，還針對誤差原因提出了減少誤差的方法，供相關人員參考。

霍爾效應；磁感應強度；氣隙磁場；電磁輻射

0 前言

隨著醫療器械行業的發展，利用磁場的物理性能治療人體疾病的磁療貼的種類也越來越多。磁場是一種看不見、摸不著的特殊物質，若磁療貼的磁感應強度值過高，就會產生過多的磁場作用，使人體接受不必要的磁場輻射，進而對人體產生危害；若磁感應強度值太低，就會達不到治療效果或導致無效治療進而延誤患者病情。因此，探討磁療貼磁感應強度的測量方法在臨床上具有重要的意義[1]。

1 測量原理

磁療貼主要由永磁片、透氣膠布、醫用膠、防粘紙及背襯層組合而成，主要通過永磁片產生磁場，通過磁場調節體內生物磁場，產生感應微電流，改變細胞膜通透性和某些酶的活性，擴張血管、加速血流，從而起到止痛、消腫等輔助治療的作用[2]。

根據霍爾效應原理制成的特斯拉計在磁場測量中廣泛應用。特斯拉計主要由作為傳感器的霍爾探頭和儀表兩部分組成，其工作原理是磁體的磁力線穿過霍爾傳感器后產生電壓，霍爾電壓隨磁感應強度的變化而變化，對電壓進行放大與信號處理后可將其顯示出來。特斯拉計電路原理圖，見圖1。通用霍爾傳感器的結構框圖，見圖2[3]。

圖2 霍爾傳感器結構框圖

2 特斯拉計和探頭選擇

當霍耳傳感器的有效面積、性能與封裝結構不同時，測量非均勻磁場的結果會有很大差別。實際工作中可根據不同的需要，正確地選擇特斯拉計和相應的探頭，主要可從以下幾個方面考慮。

（1）磁場類型：被測磁場分為直流磁場和交流磁場兩種，磁療貼表面是永磁材料，應選用直流特斯拉計測量[4]。

（2）儀器量程：要明確被測對象的大概磁感應強度范圍，選擇儀器的量程范圍應大于被測量磁場或自動擋測量。

（3）測量精確度：指儀器的最小分辨能力，即分辨率，如0.1 mT或者0.01 mT，要根據產品注冊標準或產品技術要求規定的分辨率來選擇測量設備。

（4）探頭選擇：通常需要考慮探頭形式，探頭形式分單通道（橫向、軸向）和三通道（圖3），應根據被測對象選擇合適的探頭。磁療貼的磁場是發散的非均勻磁場，建議使用超薄的單通道探頭測量[5]。

圖3 探頭形式

（5）功能選擇：磁療貼表面的磁場是不均勻且發散的，當用霍爾傳感器測量磁療貼的磁場時，探頭應緊貼在磁療貼的表面，反復緩慢移動并上、下、左、右輕微地改變霍爾元件的方向，使磁力線的方向中心位置垂直重合于霍爾元件的中心位置方向（圖4），此時霍爾電壓最大，因此磁感應強度值最大[6]。需要指出的是，如果磁場較弱，還需要考慮地磁場的影響。

圖4 非均勻磁場表面磁感應強度原理圖

3 實際測量

采用兩種型號的特斯拉計對五種磁場進行的測量結果，見表1。在相同的工作條件下，不同的特斯拉計的測量數據不同；同一臺特斯拉計采用不同探頭的測量數據也不同；同一臺特斯拉計采用相同的探頭，對不同的側面（正反面）測量的數據也不同。

4 數據分析

造成上述差異的原因主要有三方面。

（1）測量位置不同。磁療貼表面的磁場是不均勻且發散的，被測磁體尺寸越小，磁體表面曲率越大，表面磁場分布越不均勻，測量數據差別越大。一般情況下，磁療貼圓心處磁感應強度最低，邊緣最高，圓心部位的表面磁感應強度只有邊緣的60％左右[7]。因此，測量同一磁體、同一位置（應該說看上去是同一位置）的磁場時，顯示的結果大不一樣。

（2）霍爾探頭的封裝有一定的差異，不同探頭內霍爾元件封裝的位置不同（圖2）。霍爾探頭的定標是在均勻場中進行的，因此當這些探頭在測量均勻磁場時，不會因為位置上的改變而感受到磁場的改變，測量數據也不會因位置的不同而帶來誤差；而當測量磁療貼表面發散的、不均勻的磁場時，表面看上去是放到了同一位置，但磁力線穿過霍爾元件的數量以及角度不同，感受的場值不同，勢必造成測量結果的差異。霍爾元件一般都用鋁、銅或塑料的薄片做成保護套，保護套的厚度越小，內部霍爾元件離表面越近，測量表面磁場的顯示讀數越大，但是無論多薄的探頭，其內部對磁場敏感的部分與磁體表面總有個間距，不可能為零距離，所以說不可能測到磁療貼真正的表面磁場，只能說使用的探頭越薄，其讀數越能反映出磁體表面磁場的真實大小[8]。另外，由于霍爾元件的安裝也不對稱，元件不在探頭兩側的中部，因此霍爾元件兩面保護套的厚度也不相同，從而造成正反向的測量誤差。

（3）霍爾元件的有效面積不同。霍爾元件的有效面積并不影響均勻磁場的測量，但對于非均勻磁場，若霍爾元件敏感區的有效面積遠遠小于體形元件的面積，如砷化鎵霍爾元件，那么這種元件就更能反映出表面磁場的場分布，所測得的最大值也更接近該區域的最大磁感應強度的真實值。

5 結語

綜上所述，由于磁療貼表面磁感應強度是不均勻且發散的，其實際值用霍爾效應法不可能測到。目前，對于非均勻磁場的磁感應強度的測量還沒有建立一個統一的、共同的量值標準，因此只能探討能夠測出更加接近其實際值的方法。在需要進行仲裁檢驗時，建議使用超薄探頭進行

表1 兩種型號的特斯拉計的測量結果（單位：mT）

測量，因為其測量值更接近于真實值。

[1]王旭飛,王曉文,趙凌云,等．磁感應治療研究和臨床試驗[J]．科技導報,2010,28（16）：97-105．

[2]喬志恒,范維銘．物理治療學全書[M]．北京：北京科學技術文獻出版社,2001．

[3]萇紅衛,李樹波,魏新．如何準確測量磁鋼表面磁感應強度[J]．計量技術,2004,（1）：28-29．

[4]高佳．淺談磁感應強度和磁場強度[J]．計量與測試技術,2009,（8）：15．

[5]周洪馳．磁感應強度測量方法探討[J]．物理通報,2007（8）：61-63．

[6]江玉柱,井賽．幾種磁場方式電阻抗成像技術的新進展[J]．中國醫療設備,2015,30（3）：63-66．

[7]楊偉鴻．永磁體表面場測量誤差的原因分析[J]．磁性材料及器件, 1991,（2）：56-58．

[8]葉妙元,李兵．量子霍爾電阻的精密測量[J]．華中理工大學學報, 1991,（2）：133-136．

Discussion on the M easurement M ethod of M agnetic Stickers M agnetic Flux Density

DENG Zhen-jin
M edical Instrument and Packaging Materials（Containers）Testing Institute of Hunan Province, Changsha Hunan 410001, China

This paper introduced the principle of Tesla meter to measure surface magnetic induction intensity for the magnetic therapy plaster, and discussed the key points in selecting Tesla and probes. It also analyzed the reasons of measurement error, and proposed related solutions to reduce the measurement error and provide useful references for relevant staff.

hall effect；magnetic flux density；air-gap magnetic field；electromagnetic radiation

R197.39；TN622

B

10.3969/j.issn.1674-1633.2015.10.034

1674-1633（2015）10-0112-02

2015-03-01

2015-03-21

本文作者：鄧振進，高級工程師。

作者郵箱：1553095756@qq．com