Physikalisches Prinzip: Hall-Effekt
Der Hall-Effekt beschreibt das Auftreten einer elektrischen Spannung quer zur Stromflussrichtung in einem stromdurchflossenen Leiter, der sich in einem Magnetfeld befindet. Die Lorentzkraft lenkt bewegte Ladungsträger (Elektronen oder Löcher) seitlich ab und erzeugt so eine Ladungstrennung. Die resultierende Hallspannung UH ist proportional zur magnetischen Flussdichte B, zum Steuerstrom I und umgekehrt proportional zur Ladungsträgerkonzentration n sowie zur Schichtdicke d des Halbleiters:
UH = RH · I · B / d
Durch Wahl geeigneter Halbleitermaterialien (z. B. InAs, GaAs, InSb) lässt sich eine hohe Hall-Konstante RH und damit hohe Empfindlichkeit erzielen.
DC- und AC-Betrieb
Hallsensoren können sowohl mit Gleichstrom (DC) als auch mit Wechselstrom (AC) betrieben werden. DC-Betrieb ermöglicht die Messung statischer Magnetfelder und langsamer Feldänderungen. AC-Betrieb in Verbindung mit Lock-in-Verstärkern unterdrückt Offset und Rauschen und ist für dynamische Feldmessungen vorteilhaft. Integrierte Hall-ICs kombinieren den Sensor mit Verstärker, Temperaturkompensation und Analog- oder Digitalausgang auf einem einzigen Chip.
Kenngrößen
Wichtige Kenngrößen sind die Empfindlichkeit (typisch 1–100 mV/mT), die Linearität über den Messbereich, die Temperaturabhängigkeit der Hallkonstante (Kompensation durch Referenzmesswiderstände oder elektronische Korrektur), die räumliche Auflösung (abhängig von der aktiven Chipfläche, oft unter 1 mm²) sowie der Messbereich (wenige µT bis mehrere Tesla).
Anwendungen in der ZfP
In der zerstörungsfreien Prüfung kommen Hallsensoren in verschiedenen Verfahren zum Einsatz:
- MFL (Magnetic Flux Leakage): Pipeline-Molche und Tanksohlen-Scanner magnetisieren das Prüfteil mit starken Permanentmagneten oder Elektromagneten. An Wanddickenminderungen oder Rissen tritt Streufluss aus, der von Hallsensoren-Arrays erfasst und kartiert wird. Moderne Molche tragen hunderte von Hallsensoren für eine vollständige Streuflusskarte.
- Streufluss-Kartierung: Auch außerhalb von Molch-Systemen werden Hall-Arrays für die flächige Kartierung magnetischer Streufeldverteilungen eingesetzt, etwa bei Schweißnähten oder Gussteilen.
- Tangential-Feldmessung bei MT: Bei der Magnetpulverprüfung (MT) muss die Feldstärke im Bauteil nachgewiesen werden. Hallsonden messen die tangentiale Magnetfeldstärke an der Oberfläche und belegen, dass der geforderte Mindestwert (nach EN ISO 9934-1 i. d. R. 2–6 kA/m) erreicht wird.
Hallsensor vs. Fluxgate-Sensor
Fluxgate-Sensoren erreichen bei sehr schwachen Feldern (nT-Bereich) eine höhere Auflösung, sind jedoch größer, teurer und langsamer. Hallsensoren sind kompakter, günstiger und für den mittleren Feldstärkenbereich (µT bis T) optimal. In MFL-Systemen dominiert daher der Hallsensor, während Fluxgate-Sensoren bei der Messung erdmagnetfeldnaher Restmagnetisierungen bevorzugt werden.