大學物理實驗講義實驗04 磁阻效應(yīng)法測量磁場.doc

實驗15 磁阻效應(yīng)法測量磁場物質(zhì)在磁場中電阻率發(fā)生變化的現(xiàn)象稱為磁阻效應(yīng)，磁阻傳感器利用磁阻效應(yīng)制成。磁場的測量可利用電磁感應(yīng)，霍爾效應(yīng)，磁阻效應(yīng)等各種效應(yīng)。其中磁阻效應(yīng)法發(fā)展最快，測量靈敏度最高。磁阻傳感器可用于直接測量磁場或磁場變化，如弱磁場測量，地磁場測量，各種導(dǎo)航系統(tǒng)中的羅盤，計算機中的磁盤驅(qū)動器，各種磁卡機等等。也可通過磁場變化測量其它物理量，如利用磁阻效應(yīng)已制成各種位移、角度、轉(zhuǎn)速傳感器，各種接近開關(guān)，隔離開關(guān)，廣泛用于汽車，家電及各類需要自動檢測與控制的領(lǐng)域。磁阻元件的發(fā)展經(jīng)歷了半導(dǎo)體磁阻（MR），各向異性磁阻（AMR），巨磁阻（GMR），龐磁阻（CMR）等階段。本實驗研究AMR的特性并利用它對磁場進行測量?！緦嶒?zāi)康摹? 了解AMR的原理并對其特性進行實驗研究。2 測量赫姆霍茲線圈的磁場分布。3 測量地磁場?！緝x器用具】ZKY-CC各向異性磁阻傳感器（AMR）與磁場測量儀【實驗原理】各向異性磁阻傳感器AMR（Anisotropic Magneto-Resistive sensors）由沉積在硅片上的坡莫合金（Ni80 Fe20）薄膜形成電阻。沉積時外加磁場，形成易磁化軸方向。鐵磁材料的電阻與電流與磁化方向的夾角有關(guān)，電流與磁化方向平行時電阻Rmax最大，電流與磁化方向垂直時電阻Rmin最小，電流與磁化方向成角時，電阻可表示為： （1）在磁阻傳感器中，為了消除溫度等外界因素對輸出的影響，由4個相同的磁阻元件構(gòu)成惠斯通電橋，結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖1中，易磁化軸方向與電流方向的夾角為45度。理論分析與實踐表明，采用45度偏置磁場，當沿與易磁化軸垂直的方向施加外磁場，且外磁場強度不太大時，電橋輸出與外加磁場強度成線性關(guān)系。無外加磁場或外加磁場方向與易磁化軸方向平行時，磁化方向即易磁化軸方向，電橋的4個橋臂電阻阻值相同，輸出為零。當在磁敏感方向施加如圖1所示方向的磁場時，合成磁化方向?qū)⒃谝状呕较虻幕A(chǔ)上逆時針旋轉(zhuǎn)。結(jié)果使左上和右下橋臂電流與磁化方向的夾角增大，電阻減小R；右上與左下橋臂電流與磁化方向的夾角減小，電阻增大R。通過對電橋的分析可知，此時輸出電壓可表示為： （2） 圖1 磁阻電橋式中Vb為電橋工作電壓，R為橋臂電阻，R/R為磁阻阻值的相對變化率，與外加磁場強度成正比，故AMR磁阻傳感器輸出電壓與磁場強度成正比，可利用磁阻傳感器測量磁場。a 磁干擾使磁疇排列紊亂商品磁阻傳感器已制成集成電路，除圖1所示的電源輸入端和信號輸出端外，還有復(fù)位/反向置位端和補償端兩對功能性輸入端口，以確保磁阻傳感器的正常工作。c 反向置位脈沖使磁疇排列方向反轉(zhuǎn)圖2 置位/反向置位脈沖的作用b 復(fù)位脈沖使磁疇沿易磁化軸整齊排列復(fù)位/反向置位的機理可參見圖2。AMR置于超過其線性工作范圍的磁場中時，磁干擾可能導(dǎo)致磁疇排列紊亂，改變傳感器的輸出特性。此時可在復(fù)位端輸入脈沖電流，通過內(nèi)部電路沿易磁化軸方向產(chǎn)生強磁場，使磁疇重新整齊排列，恢復(fù)傳感器的使用特性。若脈沖電流方向相反，則磁疇排列方向反轉(zhuǎn)，傳感器的輸出極性也將相反。從補償端每輸入5mA補償電流，通過內(nèi)部電路將在磁敏感方向產(chǎn)生1高斯的磁場?？捎脕硌a償傳感器的偏離。圖3為AMR的磁電轉(zhuǎn)換特性曲線。其中電橋偏離是在傳感器制造過程中，4個橋臂電阻不嚴格相等帶來的，外磁場偏離是測量某種磁場時，外界干擾磁場帶來的。不管要補償哪種偏離，都可調(diào)節(jié)補償電流，用人為的磁場偏置使圖3中的特性曲線平移，使所測磁場為零時輸出電壓為零?！緝x器介紹】實驗儀結(jié)構(gòu)如圖4所示，核心部分是磁阻傳感器，輔以磁阻傳感器的角度、位置調(diào)節(jié)及讀數(shù)機構(gòu)，赫姆霍茲線圈等組成。本儀器所用磁阻傳感器的工作范圍為6高斯，靈敏度為1mV/V/Guass。靈敏度表示，當磁阻電橋的工作電壓為1V，被測磁場磁感應(yīng)強度為1高斯時，輸出信號為1mV。磁阻傳感器的輸出信號通常須經(jīng)放大電路放大后，再接顯示電路，故由顯示電壓計算磁場強度時還需考慮放大器的放大倍數(shù)。本實驗儀電橋工作電壓5V，放大器放大倍數(shù)50，磁感應(yīng)強度為1高斯時，對應(yīng)的輸出電壓為0.25伏。赫姆霍茲線圈是由一對彼此平行的共軸圓形線圈組成。兩線圈內(nèi)的電流方向一致，大小相同，線圈之間的距離d正好等于圓形線圈的半徑R。這種線圈的特點是能在公共軸線中點附近產(chǎn)生較廣泛的均勻磁場，根據(jù)畢奧薩伐爾定律，可以計算出赫姆霍茲線圈公共軸線中點的磁感應(yīng)強度為： （3）式中N為線圈匝數(shù)，I為流經(jīng)線圈的電流強度，R為赫姆霍茲線圈的平均半徑，為真空中的磁導(dǎo)率。采用國際單位制時，由上式計算出的磁感應(yīng)強度單位為特斯拉（1特斯拉10000高斯）。本實驗儀N310，R0.14m，線圈電流為1mA時，赫姆霍茲線圈中部的磁感應(yīng)強度為0.02高斯。 磁阻傳感器盒傳感器軸向移動鎖緊螺釘傳感器繞軸旋轉(zhuǎn)鎖緊螺釘傳感器水平旋轉(zhuǎn)鎖緊螺釘赫姆霍茲線圈傳感器橫向移動鎖緊螺釘線圈水平旋轉(zhuǎn)鎖緊螺釘信號接口盒儀器水平調(diào)節(jié)螺釘圖4 磁場實驗儀電源如圖5所示。恒流源為赫姆霍茲線圈提供電流，電流的大小可以通過旋鈕調(diào)節(jié)，電流值由電流表指示。電流換向按鈕可以改變電流的方向。補償(OFFSET)電流調(diào)節(jié)旋鈕調(diào)節(jié)補償電流的方向和大小。電流切換按鈕使電流表顯示赫姆霍茲線圈電流或補償電流。傳感器采集到的信號經(jīng)放大后，由電壓表指示電壓值。放大器校正旋鈕在標準磁場中校準放大器放大倍數(shù)。復(fù)位（R/S）按鈕每按下一次，向復(fù)位端輸入一次復(fù)位脈沖電流，僅在需要時使用。圖 5 電源【實驗內(nèi)容與要求】測量準備：連接實驗儀與電源，開機預(yù)熱20分鐘。將磁阻傳感器位置調(diào)節(jié)至赫姆霍茲線圈中心，傳感器磁敏感方向與赫姆霍茲線圈軸線一致。調(diào)節(jié)赫姆霍茲線圈電流為零，按復(fù)位鍵（見圖2，恢復(fù)傳感器特性），調(diào)節(jié)補償電流（見圖3，補償?shù)卮艌龅纫蛩禺a(chǎn)生的偏離），使傳感器輸出為零。調(diào)節(jié)赫姆霍茲線圈電流至300mA（線圈產(chǎn)生的磁感應(yīng)強度6高斯），調(diào)節(jié)放大器校準旋鈕，使輸出電壓為1 .500伏。1 磁阻傳感器特性測量a. 測量磁阻傳感器的磁電轉(zhuǎn)換特性磁電轉(zhuǎn)換特性是磁阻傳感器最基本的特性。磁電轉(zhuǎn)換特性曲線的直線部分對應(yīng)的磁感應(yīng)強度，即磁阻傳感器的工作范圍，直線部分的斜率除以電橋電壓與放大器放大倍數(shù)的乘積，即為磁阻傳感器的靈敏度。按表1數(shù)據(jù)從300mA逐步調(diào)小赫姆霍茲線圈電流，記錄相應(yīng)的輸出電壓值。切換電流換向開關(guān)（赫姆霍茲線圈電流反向，磁場及輸出電壓也將反向），逐步調(diào)大反向電流，記錄反向輸出電壓值。注意：電流換向后，必須按復(fù)位鍵消磁。表1 AMR磁電轉(zhuǎn)換特性的測量線圈電流(mA)300250200150100500-50-100-150-200-250-300磁感應(yīng)強度(高斯)6543210-1-2-3-4-5-6輸出電壓(V)以磁感應(yīng)強度為橫軸，輸出電壓為縱軸，將上表數(shù)據(jù)作圖，并確定所用傳感器的線性工作范圍及靈敏度。b. 測量磁阻傳感器的各向異性特性AMR只對磁敏感方向上的磁場敏感，當所測磁場與磁敏感方向有一定夾角時，AMR測量的是所測磁場在磁敏感方向的投影。由于補償調(diào)節(jié)是在確定的磁敏感方向進行的，實驗過程中應(yīng)注意在改變所測磁場方向時，保持AMR方向不變。將赫姆霍茲線圈電流調(diào)節(jié)至200mA，測量所測磁場方向與磁敏感方向一致時的輸出電壓。松開線圈水平旋轉(zhuǎn)鎖緊螺釘，每次將赫姆霍茲線圈與傳感器盒整體轉(zhuǎn)動10度后鎖緊，松開傳感器水平旋轉(zhuǎn)鎖緊螺釘，將傳感器盒向相反方向轉(zhuǎn)動10度（保持AMR方向不變）后鎖緊，記錄輸出電壓數(shù)據(jù)于表2中。表2 AMR方向特性的測量 磁感應(yīng)強度4高斯夾角（度）0102030405060708090輸出電壓(V)以夾角為橫軸，輸出電壓為縱軸，將上表數(shù)據(jù)作圖，檢驗所做曲線是否符合余弦規(guī)律。2 赫姆霍茲線圈的磁場分布測量赫姆霍茲線圈能在公共軸線中點附近產(chǎn)生較廣泛的均勻磁場，在科研及生產(chǎn)中得到廣泛的應(yīng)用。a. 赫姆霍茲線圈軸線上的磁場分布測量根據(jù)畢奧薩伐爾定律，可以計算出通電圓線圈在軸線上任意一點產(chǎn)生的磁感應(yīng)強度矢量垂直于線圈平面，方向由右手螺旋定則確定，與線圈平面距離為X1的點的磁感應(yīng)強度為： （4）赫姆霍茲線圈是由一對彼此平行的共軸圓形線圈組成。兩線圈內(nèi)的電流方向一致，大小相同，線圈匝數(shù)為N，線圈之間的距離d正好等于圓形線圈的半徑R，若以兩線圈中點為坐標原點，則軸線上任意一點的磁感應(yīng)強度是兩線圈在該點產(chǎn)生的磁感應(yīng)強度之和： （5）式中B0是X0時，即赫姆霍茲線圈公共軸線中點的磁感應(yīng)強度。表3列出了X取不同值時B(X)/B0值的理論計算結(jié)果。調(diào)節(jié)傳感器磁敏感方向與赫姆霍茲線圈軸線一致，位置調(diào)節(jié)至赫姆霍茲線圈中心（X0），測量輸出電壓值。已知R=140mm，將傳感器盒每次沿軸線平移0.1R，記錄測量數(shù)據(jù)。表3 赫姆霍茲線圈軸向磁場分布測量 B0 4高斯位置X-0.5R-0.4R-0.3R-0.2R-0.1R00.1R0.2R0.3R0.4R0.5RB(X)/B0計算值0.9460.9750.9920.9981.00011.0000.9980.9920.9750.946B(X)測量值(V)B(X)測量值(高斯)將表3數(shù)據(jù)作圖，討論赫姆霍茲線圈的軸向磁場分布特點。b赫姆霍茲線圈空間磁場分布測量由畢奧薩伐爾定律，同樣可以計算赫姆霍茲線圈空間任意一點的磁場分布，由于赫姆霍茲線圈的軸對稱性，只要計算（或測量）過軸線的平面上兩維磁場分布，就可得到空間任意一點的磁場分布。理論分析表明，在X 0.2R，Y 0.2R的范圍內(nèi)，（BXB0）/B0小于百分之一，BY/BX小于萬分之二，固可認為在赫姆霍茲線圈中部較大的區(qū)域內(nèi)，磁場方向沿軸線方向，磁場大小基本不變。按表4數(shù)據(jù)改變磁阻傳感器的空間位置，記錄X方向的磁場產(chǎn)生的電壓VX，測量赫姆霍茲線圈空間磁場分布。表4赫姆霍茲線圈空間磁場分布測量 B0 4高斯 X VXY00.05R0.1R0.15R0.2R0.25R0.3R00.05R0.1R0.15R0.2R0.25R0.3R由表4數(shù)據(jù)討論赫姆霍茲線圈的空間磁場分布特點。3 地磁場測量地球本身具有磁性，地表及近地空間存在的磁場叫地磁場。地磁的北極，南極分別在地理南極，北極附近，彼此并不重合，可用地磁場強度，磁傾角，磁偏角三個參量表示地磁場的大小和方向。磁傾角是地磁場強度矢量與水平面的夾角，磁偏角是地磁場強度矢量在水平面的投影與地球經(jīng)線（地理南北方向）的夾角。在現(xiàn)代的數(shù)字導(dǎo)航儀等系統(tǒng)中，通常用互相垂直的三維磁阻傳感器測量地磁場在各個方向的分量，根據(jù)矢量合成原理，計算出地磁場的大小和方位。本實驗學習用單個磁阻傳感器測量地磁場的方法。將赫姆霍茲線圈電流調(diào)節(jié)至零，將補償電流調(diào)節(jié)至零，傳感器的磁敏感方向調(diào)節(jié)至與赫姆霍茲線圈軸線垂直（以便在垂直面內(nèi)調(diào)節(jié)磁敏感方向）。調(diào)節(jié)傳感器盒上平面與儀器底板平行，將水準氣泡盒放置在傳感器盒正中，調(diào)節(jié)儀器水平調(diào)節(jié)螺釘使水準氣泡居中，使磁阻傳感器水平。松開傳感器水平旋轉(zhuǎn)鎖緊螺釘，在水平面內(nèi)仔細調(diào)節(jié)傳感器方位，使輸出最大。此時，傳感器磁敏感方向與地理南北方向的夾角就是磁偏角。松開傳感器繞軸旋轉(zhuǎn)鎖緊螺釘，在垂直面內(nèi)調(diào)節(jié)磁敏感方向，至輸出最大時轉(zhuǎn)過的角度就是磁傾角，記錄此角度。記錄輸出最大時的輸出電壓值U1后，松開傳感器水平旋轉(zhuǎn)鎖緊螺釘，將傳感器轉(zhuǎn)動180度，記錄此時的輸出電壓U2（負值），將U=(U1|U2|)/2 作為地磁場磁感應(yīng)強度的測量值（此法可消除電橋偏離對測量的影響）。表5 地磁場的測量磁傾角（度）磁感應(yīng)強度U1(V)U2(V)U=