實(shí)驗(yàn)五地磁場測定

1、實(shí)驗(yàn)五 地磁場測定一概述地磁場作為一種天然磁源，在軍事、航空、航海、工業(yè)、醫(yī)學(xué)、探礦等科研中有著重要用途。本儀器采用新型坡莫合金磁阻傳感器測量地磁場的重要參量，通過實(shí)驗(yàn)可以掌握磁阻傳感器定標(biāo)以及測量地磁場水平分量和磁傾角的方法，了解測量弱磁場的一種重要手段和實(shí)驗(yàn)方法，本儀器與其他地磁場實(shí)驗(yàn)儀(如正切電流計(jì)測地磁場實(shí)驗(yàn)儀)相比具有以下優(yōu)點(diǎn)：1實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)盤經(jīng)過精心設(shè)計(jì)，可自由轉(zhuǎn)動，方便地調(diào)節(jié)水平和鉛直。內(nèi)轉(zhuǎn)盤相隔，具有兩組游標(biāo)，這樣既提高了測量精度，又消除了偏心差。 2新型磁阻傳感器的靈敏度高達(dá)50V/T，分辨率可達(dá)T，穩(wěn)定性好。用本儀器做實(shí)驗(yàn)，便于學(xué)生掌握新型傳感器定標(biāo)，及用磁阻傳感器測量弱磁場的方

2、法，測量地磁場參量準(zhǔn)確度高；3本儀器不僅可測地磁場水平分量，而且能測出地磁場的大小與方向，這是正切電流計(jì)等地磁場實(shí)驗(yàn)儀所不能達(dá)到的。本儀器可用于高校、中專的基礎(chǔ)物理實(shí)驗(yàn)、綜合性設(shè)計(jì)性物理實(shí)驗(yàn)及演示實(shí)驗(yàn)。二儀器技術(shù)要求1磁阻傳感器 工作電壓 6V，靈敏度50V/T2亥姆霍茲線圈 單只線圈匝數(shù)N=500匝，半徑10cm.3直流恒流源 輸出電流0200.0mA 連續(xù)可調(diào)4直流電壓表 量程019.99mV，分辨率0.01mV5測量地磁場水平分量 不確定度小于3%6測量磁傾角 不確定度小于3%7儀器的工作電壓 AC 22010V三儀器外型FD-HMC-2型 磁阻傳感器與地磁場實(shí)驗(yàn)儀(以下實(shí)驗(yàn)講義和實(shí)驗(yàn)結(jié)

3、果由復(fù)旦大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心提供)一簡介地磁場的數(shù)值比較小，約T量級，但在直流磁場測量，特別是弱磁場測量中，往往需要知道其數(shù)值，并設(shè)法消除其影響，地磁場作為一種天然磁源，在軍事、工業(yè)、醫(yī)學(xué)、探礦等科研中也有著重要用途。本實(shí)驗(yàn)采用新型坡莫合金磁阻傳感器測量地磁場磁感應(yīng)強(qiáng)度及地磁場磁感應(yīng)強(qiáng)度的水平分量和垂直分量；測量地磁場的磁傾角，從而掌握磁阻傳感器的特性及測量地磁場的一種重要方法。由于磁阻傳感器體積小，靈敏度高、易安裝，因而在弱磁場測量方面有廣泛應(yīng)用前景。二實(shí)驗(yàn)原理 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)。對于鐵、鈷、鎳及其合金等磁性金屬，當(dāng)外加磁場平行于磁體內(nèi)部磁化方向時，電阻幾乎不隨外

4、加磁場變化；當(dāng)外加磁場偏離金屬的內(nèi)部磁化方向時，此類金屬的電阻減小，這就是強(qiáng)磁金屬的各向異性磁阻效應(yīng)。 HMC1021Z型磁阻傳感器由長而薄的坡莫合金(鐵鎳合金)制成一維磁阻微電路集成芯片(二維和三維磁阻傳感器可以測量二維或三維磁場)。它利用通常的半導(dǎo)體工藝，將鐵鎳合金薄膜附著在硅片上，如圖1所示。薄膜的電阻率依賴于磁化強(qiáng)度和電流方向間的夾角，具有以下關(guān)系式 （1） 其中、分別是電流平行于和垂直于時的電阻率。當(dāng)沿著鐵鎳合金帶的長度方向通以一定的直流電流，而垂直于電流方向施加一個外界磁場時，合金帶自身的阻值會生較大的變化，利用合金帶阻值這一變化，可以測量磁場大小和方向。同時制作時還在硅片上設(shè)計(jì)了

5、兩條鋁制電流帶，一條是置位與復(fù)位帶，該傳感器遇到強(qiáng)磁場感應(yīng)時，將產(chǎn)生磁疇飽和現(xiàn)象，也可以用來置位或復(fù)位極性；另一條是偏置磁場帶，用于產(chǎn)生一個偏置磁場，補(bǔ)償環(huán)境磁場中的弱磁場部分(當(dāng)外加磁場較弱時，磁阻相對變化值與磁感應(yīng)強(qiáng)度成平方關(guān)系)，使磁阻傳感器輸出顯示線性關(guān)系。 HMC1021Z磁阻傳感器是一種單邊封裝的磁場傳感器，它能測量與管腳平行方向的磁場。傳感器由四條鐵鎳合金磁電阻組成一個非平衡電橋，非平衡電橋輸出部分接集成運(yùn)算放大器，將信號放大輸出。傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。圖2中由于適當(dāng)配置的四個磁電阻電流方向不相同，當(dāng)存在外界磁場時，引起電阻值變化有增有減。因而輸出電壓可以用下式表示為 (2)

6、 圖1磁阻傳感器的構(gòu)造示意圖 圖2磁阻傳感器內(nèi)的惠斯通電橋?qū)τ谝欢ǖ墓ぷ麟妷海?，HMC1021Z磁阻傳感器輸出電壓與外界磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度成正比關(guān)系， （3） （3）式中，為傳感器的靈敏度，為待測磁感應(yīng)強(qiáng)度。為外加磁場為零時傳感器的輸出量。 由于亥姆霍磁線圈的特點(diǎn)是能在其軸線中心點(diǎn)附近產(chǎn)生較寬范圍的均勻磁場區(qū)，所以常用作弱磁場的標(biāo)準(zhǔn)磁場。亥姆霍磁線圈公共軸線中心點(diǎn)位置的磁感應(yīng)強(qiáng)度為 （4）（4）式中為線圈匝數(shù)，為線圈流過的電流強(qiáng)度，為亥姆霍磁線圈的平均半徑，為真空磁導(dǎo)率。四實(shí)驗(yàn)裝置 測量地磁場裝置如圖3所示。它主要包括底座、轉(zhuǎn)軸，帶角刻度的轉(zhuǎn)盤、磁阻傳感器的引線、亥姆霍磁線圈、地磁場測定儀控制

7、主機(jī)(包括數(shù)字式電壓表、5V直流電源等)五實(shí)驗(yàn)內(nèi)容基本實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1將磁阻傳感器放置在亥姆霍茲線圈公共軸線中點(diǎn)，并使管腳和磁感應(yīng)強(qiáng)度方向平行。即傳感器的感應(yīng)面與亥姆霍磁線圈軸線垂直。用亥姆霍磁線圈產(chǎn)生磁場作為已知量，測量磁阻傳感器的靈敏度。2將磁阻傳感器平行固定在轉(zhuǎn)盤上，調(diào)整轉(zhuǎn)盤至水平(可用水準(zhǔn)器指示)。水平旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)盤，找到傳感器輸出電壓最大方向，這個方向就是地磁場磁感應(yīng)強(qiáng)度的水平分量的方向。記錄此時傳感器輸出電壓后，再旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)盤，記錄傳感器輸出最小電壓，由，求得當(dāng)?shù)氐卮艌鏊椒至俊?將帶有磁阻傳感器的轉(zhuǎn)盤平面調(diào)整為鉛直，并使裝置沿著地磁場磁感應(yīng)強(qiáng)度水平分量方向放置，只是方向轉(zhuǎn)900。轉(zhuǎn)動調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)盤，分

8、別記下傳感器輸出最大和最小時轉(zhuǎn)盤指示值和水平面之間的夾角和，同時記錄此最大讀數(shù)和。由磁傾角計(jì)算的值。4由，計(jì)算地磁場磁感應(yīng)強(qiáng)度的值。并計(jì)算地磁場的垂直分量。本實(shí)驗(yàn)須注意：實(shí)驗(yàn)儀器周圍的一定范圍內(nèi)不應(yīng)存在鐵磁金屬物體，以保證測量結(jié)果的準(zhǔn)確性。六實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)例 亥姆霍茲線圈每個線圈匝數(shù)匝，線圈的半徑;真空磁導(dǎo)率。 亥姆霍茲線圈軸線上中心位置的磁感應(yīng)強(qiáng)度為(二個線圈串聯(lián)) 式中，為磁感應(yīng)強(qiáng)度單位(特斯拉)；為通過線圈的電流，單位(安培)。1. 上海復(fù)旦大學(xué)校園內(nèi)，樓外空曠地，測量地磁場參量。a. 測量傳感器的靈敏度表1中，正向輸出電壓是指勵磁電流為正方向時測得的磁阻傳感器產(chǎn)生的輸出電壓，而反向是指勵磁電

9、流為反向時，傳感器輸出電壓，。測正向和反向兩次,目的是消除地磁沿亥姆霍茲線圈方向(水平)分量的影響。表1 室外空曠地上測量傳感器靈敏度勵磁電流磁感應(yīng)強(qiáng)度平均 正向反向10.00.4496187-1.881.87520.0 0.89223.75-3.773.760 30.0 1.34885.61-5.655.630 40.0 1.79847.44-7.497.46550.02.2480 9.29-9.379.330 60.0 2.697611.12-11.2311.175用計(jì)算器進(jìn)行最小二乘法擬合，得到該磁阻傳感器的靈敏度，相關(guān)系數(shù)為0.99998。(傳感器工作電壓取5V，靈敏度K=41V/T,

10、現(xiàn)產(chǎn)品傳感器采用工作電壓為6V,靈敏度約50V/T)b. 測量地磁場的水平分量；地磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度；地磁場的垂直分量,磁傾角。方法：(1) 將亥姆霍茲線圈與直流電源的連接線拆去。(2) 把轉(zhuǎn)盤刻度調(diào)節(jié)到角度。(3) 調(diào)節(jié)底板使磁阻傳感器輸出最大電壓，同時調(diào)節(jié)底板上螺絲使轉(zhuǎn)盤水平(用儀器配套的水準(zhǔn)儀調(diào)節(jié)水平)。 (4) 測地磁場水平分量:測量輸出電壓和反向轉(zhuǎn)，測地磁場水平分量，然后計(jì)算地磁場水平分量。(5) 將轉(zhuǎn)盤垂直，此時轉(zhuǎn)盤面為地磁子午面方向，轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)盤角度，測量地磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度和磁傾角。測量磁傾角時須改變角度，求多次測量的平均值。43.043.544.044.545.046.02.022.

11、032.032.032.032.0347.047.548.048.549.02.032.032.032.032.02表2 磁傾角值的測量直接測量地磁場水平分量，計(jì)算得地磁場水平分量磁感應(yīng)強(qiáng)度，地磁場,計(jì)算得地磁場磁感應(yīng)強(qiáng)度,磁傾角；地磁場垂直分量磁感應(yīng)強(qiáng)度,最新上海地區(qū)地磁場水平分量為，磁傾角為。誤差小于。2. 復(fù)旦大學(xué)物理樓三樓311室，測量地磁場參量。 表3 磁阻傳感器的定標(biāo)勵磁電流磁感應(yīng)強(qiáng)度平均 正向反向10.0 0.44962.25-2.382.31520.00.89224.52-4.484.500 30.01.34886.83-6.776.800 40.0 1.79849.06-8.

12、989.020 50.0 2.2480 11.30 -11.1311.215 60.0 2.697613.52-13.2813.400 用計(jì)算器對直線擬合得：，相關(guān)系數(shù)為0.99998。電壓 序號12345平均結(jié)果0.950.950.950.950.950.95B=-3.41-3.41-3.42-3.41-3.41-3.410.080.080.080.080.080.08B=-2.82-2.82-2.82-2.82-2.82-2.82表4地磁場測量結(jié)果測得復(fù)旦大學(xué)物理樓三樓物理實(shí)驗(yàn)室，磁傾角。用本儀器測量地磁場水平分量與1985年用正切電流計(jì)測量復(fù)旦大學(xué)物理樓三樓地磁場水平分量的結(jié)果T相當(dāng)一致

13、，這間接證明本儀器測量結(jié)果是準(zhǔn)確的。關(guān)于正切電流計(jì)測量地磁場水平分量的實(shí)驗(yàn)方法和測量結(jié)果，請見賈玉潤等主編，大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)，復(fù)旦大學(xué)出版社，1987：256-258，結(jié)果在258頁例中列出。表5 不同位置及不同結(jié)構(gòu)大樓地磁場水平分量測量結(jié)果測量位置校園內(nèi)操場空地物理樓三樓復(fù)旦科技園區(qū)2號樓五樓試制組金屬屏蔽情況水泥地面無金屬1959年建造地頂為鋼筋水泥，墻為泥磚2000年建造全鋼筋水泥結(jié)構(gòu)測得地磁場水平分量0.34110T0.29410T0.26810T磁傾角46.046.046.0六實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)1測量地磁場水平分量，須將轉(zhuǎn)盤調(diào)節(jié)至水平；測量地磁場和磁傾角時，須將轉(zhuǎn)盤面處于地磁子午面方向。2.

14、測量磁傾角應(yīng)記錄不同時，傳感器輸出電壓，應(yīng)取10組值，求其平均值。這是因?yàn)闇y量時，偏差，變化很小，偏差，,所以在偏差至范圍變化極小，實(shí)驗(yàn)時應(yīng)測出變化很小角的范圍，然后求得平均值。七思考題1磁阻傳感器和霍耳傳感器在工作原理和使用方法方面各有什么特點(diǎn)和區(qū)別？2如果在測量地磁場時，在磁阻傳感器周圍較近處，放一個鐵釘，對測量結(jié)果將產(chǎn)生什么影響？3為何坡莫合金磁阻傳感器遇到較強(qiáng)磁場時，其靈敏度會降低？用什么方法來恢復(fù)其原來的靈敏度？八參考資料1賈玉潤、王公治、凌偑玲主編。大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)，上海復(fù)旦大學(xué)，1987：492-4932魯紹曾、現(xiàn)代計(jì)量學(xué)概論。北京，中國計(jì)量出版社，1987：492-4933黃一菲、

15、鄭神、吳亮、陸申龍，玻莫合金磁阻傳感器的特性研究和應(yīng)用、物理實(shí)驗(yàn)。第22卷第4期，2002 ，4：45-484Honeywell公司，固態(tài)傳感器(磁阻傳感器部分)說明書，20015沈元華、陸申龍主編，基礎(chǔ)物理實(shí)驗(yàn)，北京：高等教育出版社，20036黃德星。磁敏感器件及其應(yīng)用M。北京： 科學(xué)出版社，19877 里夫、王秀琴等編著，常用物理常數(shù)手冊、云南人民出版社、1983、10：157158附錄1:地磁場 地球本身具有磁性，所以地球和近地空間之間存在著磁場，叫做地磁場。地磁場的強(qiáng)度和方向隨地點(diǎn)(甚至隨時間)而異。地磁場的北極、南極分別在地理南極、北極附近，彼此并不重合，如圖5所示，而且兩者間的偏差

16、隨時間不斷地在緩慢變化。地磁軸與地球自轉(zhuǎn)軸并不重合，有交角。 在一個不太大的范圍內(nèi)，地磁場基本上是均勻的，可用三個參量來表示地磁場的方向和大小(如圖6所示)：(1) 磁偏角，地球表面任一點(diǎn)的地磁場矢量所在垂直平面(圖6中與Z構(gòu)成的平面，稱地磁子午面)，與地理子午面(圖6中X、Z構(gòu)成的平面)之間的夾角。(2) 磁傾角，磁場強(qiáng)度矢量與水平面(即圖6的矢量和OX與OY構(gòu)成平面的夾角)之間的夾角。(3) 水平分量，地磁場矢量在水平面上的投影。測量地磁場的這三個參量，就可確定某一地點(diǎn)地磁場矢量的方向和大小。當(dāng)然這三個參量的數(shù)值隨時間不斷地在改變，但這一變化極其緩慢，極為微弱。附錄2:我國一些城市的地磁參

17、量(地磁要素)地名地理位置磁傾角D(偏西)磁傾角I水平強(qiáng)B(10T)測定年份北緯東經(jīng)齊齊哈爾47221235973464270.2421916長春43511263673060200.2661916沈陽41501232864958430.277北京39561162044857230.2891936天津3905.91171140456210.2931916太原3751.91123331855110.3011932濟(jì)南3639.51170133653060.3081915蘭州3603.41034811553240.312鄭州34451134301850430.320 1932西安34161085730250290.3231932南京3203.81184814246430.3311922上海3111.51212631345250.333成都30381040305845060.346武漢30371142022344340.343安慶30321170244270.3411911杭州30161200825944050.3371917南昌2842.41155115141490.3491917長沙2812.81125305041110.3521907福州2602.21191114327280.3551917桂林2517.71101200536130.366