《近代物理实验》课程教学资源（讲义）地磁场实验——磁阻传感器与地磁场测量.docx

磁阻传感器与地磁场实验仪。三．实验的构思及原理物质在磁场中电阻率发生变化的现象称为磁阻效应。对于铁、钻、镍及其合金等磁性金属，当外加磁场平行于磁体内部磁化方向时，电阻几乎不随外加磁场变化；当外加磁场偏离金属的内部磁化方向时，此类金属的电阻减小，这就是强磁金属的各向异性磁阻效应。磁阻传感器由长而薄的玻莫合金（铁镍合金）制成一维磁阻微电路集成芯片（二维和三维磁阻传感器可以测量二维或三维磁场）。它利用通常的半导体工艺，将铁镍合金薄膜附着在硅片上，如图3所示。薄膜的电阻率p(①）依赖于磁化强度M和电流I方向间的夹角θ，具有以下关系式：(1)p()=PI+(p-PI)cos其中Pu、PI分别是电流I平行于M和垂直于M时的电阻率。当沿着铁镍合金带的长度方向通以一定的直流电流，而垂直于电流方向施加一个外界磁场时，合金带自身的阻值会生较大的变化，利用合金带阻值这一变化，可以测量磁场大小和方向。同时制作时还在硅片上设计了两条铝制电流带，一条是置位与复位带，该传感器遇到强磁场感应时，将产生磁畴饱和现象，也可以用来置位或复位极性：另一条是偏置磁场带，用于产生一个偏置磁场，补偿环境磁场中的弱磁场部分（当外加磁场较弱时，磁阻相对变化值与磁感应强度成平方关系），使磁阻传感器输出显示线性关系。磁阻传感器是一种单边封装的磁场传感器，它能测量与管脚平行方向的磁场。传感器由四条铁镍合金磁电阻组成一个非平衡电桥，非平衡电桥输出部分接集成运算放大器，将信号放大输出。传感器内部结构如图4所示。图中由于适当配置的四个磁电阻电流方向不相同，当存在外界磁场时，引起电阻值变化有增有减。因而输出电压U。u可以用下式表示为：(ARxUUou(2)RUblt偏置磁场电流外加磁场M铝合金带Uou→外加磁场玻莫合金薄膜I图3磁阻传感器的构造示意图图4磁阻传感器内的惠斯通电桥对于一定的工作电压Uh，磁阻传感器输出电压U与外界磁场的磁感应强度成正比关系：(3)Uou=U。+KB（3）式中，K为传感器的灵敏度，B为待测磁感应强度。U。为外加磁场为零时传感器的

磁阻传感器与地磁场实验仪。三．实验的构思及原理物质在磁场中电阻率发生变化的现象称为磁阻效应。对于铁、钴、镍及其合金等磁性金属，当外加磁场平行于磁体内部磁化方向时，电阻几乎不随外加磁场变化；当外加磁场偏离金属的内部磁化方向时，此类金属的电阻减小，这就是强磁金属的各向异性磁阻效应。磁阻传感器由长而薄的玻莫合金(铁镍合金)制成一维磁阻微电路集成芯片(二维和三维磁阻传感器可以测量二维或三维磁场)。它利用通常的半导体工艺，将铁镍合金薄膜附着在硅片上，如图 3 所示。薄膜的电阻率 ( ) 依赖于磁化强度 M 和电流方向间的夹角  ，具有以下关系式：       2 ( ) ( )cos = ⊥ + ∥ − ⊥ （1）其中 ∥、  ⊥ 分别是电流 I 平行于 M 和垂直于 M 时的电阻率。当沿着铁镍合金带的长度方向通以一定的直流电流，而垂直于电流方向施加一个外界磁场时，合金带自身的阻值会生较大的变化，利用合金带阻值这一变化，可以测量磁场大小和方向。同时制作时还在硅片上设计了两条铝制电流带，一条是置位与复位带，该传感器遇到强磁场感应时，将产生磁畴饱和现象，也可以用来置位或复位极性；另一条是偏置磁场带，用于产生一个偏置磁场，补偿环境磁场中的弱磁场部分（当外加磁场较弱时，磁阻相对变化值与磁感应强度成平方关系），使磁阻传感器输出显示线性关系。磁阻传感器是一种单边封装的磁场传感器，它能测量与管脚平行方向的磁场。传感器由四条铁镍合金磁电阻组成一个非平衡电桥，非平衡电桥输出部分接集成运算放大器，将信号放大输出。传感器内部结构如图 4 所示。图中由于适当配置的四个磁电阻电流方向不相同，当存在外界磁场时，引起电阻值变化有增有减。因而输出电压 Uout 可以用下式表示为： out Ub R R U        = (2) 图 3 磁阻传感器的构造示意图图 4 磁阻传感器内的惠斯通电桥对于一定的工作电压 Ub ，磁阻传感器输出电压 Uout 与外界磁场的磁感应强度成正比关系： Uout = U0 + KB （3）（3）式中， K 为传感器的灵敏度， B 为待测磁感应强度。 U0 为外加磁场为零时传感器的 I

输出电压。由于亥姆霍磁线圈的特点是能在其轴线中心点附近产生较宽范围的均匀磁场区，所以常用作弱磁场的标准磁场。亥姆霍磁线圈公共轴线中心点位置的磁感应强度为B= 8ooNo!(4)53/2 R式中N为单只线圈匝数，I为线圈流过的电流强度，R为亥姆霍磁线圈的平均半径，H。为真空磁导率。Ⅲ.本实验的要求一．实验任务1.了解和掌握磁阻传感器的工作原理并测定其灵敏度2.测量地磁场的水平分量、总磁感强度和垂直分量二：实验操作前思考题1.磁阻传感器和霍耳传感器在工作原理和使用方法方面各有什么特点和区别？2.本实验中有哪些需要特别注意的操作要求？三，实验提示1.亥姆霍兹线圈按串联方式连接，磁阻传感器放置在亥姆霍兹线圈公共轴线中点，使传感器的管脚和磁感应强度方向平行。即使传感器的感应面与亥姆霍磁线圈轴线垂直。用亥姆霍磁线圈产生的磁场作为已知的标准磁感应强度，测定并计算出（磁阻传感器）地磁场实验仪的灵敏度K。以上步骤完成后，拆除亥姆霍磁线圈的励磁电流连接线。测量过程中，采用测正向和反向二次测量，自的是为了消除地磁场水平分量对亥姆霍兹线圈磁场产生的影响。此外，采用正向、反向二次测量还可以在计算时抵消毫伏表初读数，从而消除毫伏表初读数对测量值的影响。也就是说毫伏表可以不必调零。正向输出电压U，是指亥姆霍兹线圈励磁电流为正方向时测得的磁阻传感器产生的输出电压，而反向U，是指励磁电流为反向时，传感器输出电压，U=(U+U2D/2。2.测量地磁场的水平分量B，实验操作方法：（1）将亥姆霍兹线圈与直流电源的连接线拆去。用水准仪仔细调节底板上螺丝使转盘达到水平。按一下复位按钮（复位按钮可消除磁阻传感器因剩磁而产生测量误差，在测量过程中，应记住经常反复使用该功能按钮）。(2）把转盘刻度调节到角度=0°。仔细左右调节底座方向，使磁阻传感器输出最大电压。目的是使磁阻传感器的感应面与地磁场水平分量方向垂直。(3）测量出B对应的电压Um，将磁阻传感器水平旋转180°左右，再测出地磁场水平分量B对应的电压U"r，（U应该和U符号相反，也就是一正一负，），如此重复测量5组

输出电压。由于亥姆霍磁线圈的特点是能在其轴线中心点附近产生较宽范围的均匀磁场区，所以常用作弱磁场的标准磁场。亥姆霍磁线圈公共轴线中心点位置的磁感应强度为： R N I B 3/ 2 0 5 8 • • =  （4）式中 N 为单只线圈匝数， I 为线圈流过的电流强度， R 为亥姆霍磁线圈的平均半径，  0 为真空磁导率。 Ⅲ. 本实验的要求一．实验任务 1．了解和掌握磁阻传感器的工作原理并测定其灵敏度 2．测量地磁场的水平分量、总磁感强度和垂直分量二．实验操作前思考题 1. 磁阻传感器和霍耳传感器在工作原理和使用方法方面各有什么特点和区别？ 2．本实验中有哪些需要特别注意的操作要求？三．实验提示 1. 亥姆霍兹线圈按串联方式连接，磁阻传感器放置在亥姆霍兹线圈公共轴线中点，使传感器的管脚和磁感应强度方向平行。即使传感器的感应面与亥姆霍磁线圈轴线垂直。用亥姆霍磁线圈产生的磁场作为已知的标准磁感应强度，测定并计算出（磁阻传感器）地磁场实验仪的灵敏度 K 。以上步骤完成后，拆除亥姆霍磁线圈的励磁电流连接线。测量过程中，采用测正向和反向二次测量，目的是为了消除地磁场水平分量对亥姆霍兹线圈磁场产生的影响。此外，采用正向、反向二次测量还可以在计算时抵消毫伏表初读数，从而消除毫伏表初读数对测量值的影响。也就是说毫伏表可以不必调零。正向输出电压 U1 是指亥姆霍兹线圈励磁电流为正方向时测得的磁阻传感器产生的输出电压，而反向 U2 是指励磁电流为反向时，传感器输出电压， U = (U1 + U2 )/ 2。 2. 测量地磁场的水平分量 B// ，实验操作方法： ⑴ 将亥姆霍兹线圈与直流电源的连接线拆去。用水准仪仔细调节底板上螺丝使转盘达到水平。按一下复位按钮（复位按钮可消除磁阻传感器因剩磁而产生测量误差，在测量过程中，应记住经常反复使用该功能按钮）。 ⑵ 把转盘刻度调节到角度  = 0 。仔细左右调节底座方向，使磁阻传感器输出最大电压。目的是使磁阻传感器的感应面与地磁场水平分量方向垂直。 ⑶ 测量出 B// 对应的电压 U // ，将磁阻传感器水平旋转 180 左右，再测出地磁场水平分量 B//  对应的电压 U //  ，（ U //  应该和 U // 符号相反，也就是一正一负，）,如此重复测量 5 组

实验数据。然后用平均值代入公式，计算出测量地点的地磁场水平分量Bu=U/K'=(Um+Ub/2K'。3.测量地磁场的磁倾角β。这时候转盘平面方向即为地磁子午面方向，按顺、逆时针方向转动转盘，寻找出电压U总（mV）的最大值，该值即代表地磁场磁感应强度的B，记录U总（mV）数值及对应的转盘的角度值即是磁倾角β正，再把转盘转动180°左右，寻找出U总（mV)最大负电压值以及对应的磁倾角β反，由磁倾角β=（β正+β）/2计算β的值。如此测量6组数据，记录数据。4.测量地磁场的总磁感应强度B总；地磁场的垂直分量BI。U总-U总/2=KB总，计算地磁场磁感应强度B总的值。并计算地磁场的垂直分量BI=B总·Sinβ。【实验注意事项】1.测量地磁场水平分量，须将转盘调节至水平；测量地磁场B和磁倾角β时，须将转盘面处于地磁子午面方向。2．为了保证测量结果的准确性，实验时仪器周围一定范围内不应存在铁磁性金属物体3．测量磁倾角应记录不同β时，传感器输出电压U总，应取不少于6组β值，求其平均值。这是因为测量时，偏差1°，U总=U总Cos1°=0.9998U总变化很小，偏差4°，U=U总·Cos4°=0.998U总，所以在偏差1°至4°范围U变化极小，实验时应测出U总变化很小β角的范围，然后求得平均值β。四操作后思考题1．如果在测量地磁场时，在磁阻传感器周围较近处，放一个铁钉，对测量结果将产生什么影响？2.为何玻莫合金磁阻传感器遇到较强磁场时，其灵敏度会降低？用什么方法来恢复其原来的灵敏度？3.比较测量值与本地公认值之间的误差大小，并分析原因。五数据记录1.测量地磁场实验仪灵敏度K（标定）：励磁电流设置为土10.0，土20.0，*，土60.0mA时，记录线圈磁场和毫伏表读数。以亥姆霍兹线圈磁场（标准磁场）为横坐标、毫伏表读数为纵坐标，作出实验仪定标曲线。用最小二乘法拟合，得到该地磁场实验仪灵敏度K'，相关系数为：

实验数据。然后用平均值代入公式，计算出测量地点的地磁场水平分量 B =U / K = (U + U )/ 2K // // // // 。 3. 测量地磁场的磁倾角  。这时候转盘平面方向即为地磁子午面方向，按顺、逆时针方向转动转盘，寻找出电压 U总(mV) 的最大值，该值即代表地磁场磁感应强度的 B  ，记录 U总(mV) 数值及对应的转盘的角度值即是磁倾角  正，再把转盘转动 180 左右，寻找出 U总  (mV) 最大负电压值以及对应的磁倾角  反，由磁倾角  = ( 正 +  反 )/ 2 计算  的值。如此测量 6 组数据，记录数据。 4. 测量地磁场的总磁感应强度 B总；地磁场的垂直分量 B⊥ 。 U总 U总 K B总 −  / 2 =  ，计算地磁场磁感应强度 B总的值。并计算地磁场的垂直分量 B⊥ = B总 sin  。【实验注意事项】 1．测量地磁场水平分量，须将转盘调节至水平；测量地磁场 B  和磁倾角  时，须将转盘面处于地磁子午面方向。 2. 为了保证测量结果的准确性，实验时仪器周围一定范围内不应存在铁磁性金属物体。 3. 测量磁倾角应记录不同  时，传感器输出电压 U总，应取不少于 6 组  值，求其平均值。这是因为测量时，偏差 1 ，U总 = U总 Cos1 = 0.9998U总  变化很小，偏差 4 ， U总 =U总 Cos4 = 0.998U总  ，所以在偏差 1 至 4 范围 U总变化极小，实验时应测出 U总变化很小  角的范围，然后求得平均值  。四．操作后思考题 1．如果在测量地磁场时，在磁阻传感器周围较近处，放一个铁钉，对测量结果将产生什么影响？ 2．为何玻莫合金磁阻传感器遇到较强磁场时，其灵敏度会降低？用什么方法来恢复其原来的灵敏度？ 3. 比较测量值与本地公认值之间的误差大小，并分析原因。五．数据记录 1. 测量地磁场实验仪灵敏度 K (标定)：励磁电流设置为±10.0，±20.0，., ±60.0 mA 时，记录线圈磁场和毫伏表读数。以亥姆霍兹线圈磁场（标准磁场）为横坐标、毫伏表读数为纵坐标，作出实验仪定标曲线。用最小二乘法拟合，得到该地磁场实验仪灵敏度 K ，相关系数为: