磁阻傳感器與地磁場(chǎng)測(cè)量報(bào)告

1、磁阻傳感器與地磁場(chǎng)測(cè)量報(bào)告地磁場(chǎng)，作為一種天然磁源，在軍事、航空、工業(yè)、醫(yī)學(xué)、探礦等科研中有著重要用途。地磁場(chǎng)的數(shù)值比較小，約10-5T量級(jí)，但在直流磁場(chǎng)測(cè)量，特別是弱磁場(chǎng)測(cè)量中，往往要知道其數(shù)值，并設(shè)法消除其影響，地磁場(chǎng)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(cè)量地磁場(chǎng)磁感應(yīng)強(qiáng)度及地磁場(chǎng)磁感應(yīng)強(qiáng)度的水平和垂直分量；測(cè)量地磁場(chǎng)的磁傾角，從而掌握磁阻傳感器的特性及測(cè)量地磁場(chǎng)的一種重要方法。由于磁阻傳感器體積小，靈敏度高，易安裝，因而在弱磁測(cè)量方面有廣泛應(yīng)用前景?！緦?shí)驗(yàn)?zāi)康摹?#160;1. 了解磁阻和磁阻傳感器的基本原理。2. 學(xué)習(xí)利用磁

2、阻傳感器對(duì)地磁場(chǎng)的測(cè)量。3. 掌握利用磁阻傳感器測(cè)量地磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)儀的靈敏度的方法?！緦?shí)驗(yàn)儀器及用具】測(cè)量地磁場(chǎng)裝置如圖所示。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(chǎng)測(cè)定儀控制主機(jī)（包括數(shù)字式電壓表、5V直流源等） 儀器面板示意圖 FD-HMC-2型磁阻傳感器與地磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)儀1恒流源；2數(shù)字電壓表；3磁阻傳感器輸入輸出引線；4亥姆霍茲線圈；5帶角刻度的轉(zhuǎn)盤?！緦?shí)驗(yàn)原理】物質(zhì)在磁場(chǎng)中電阻率發(fā)生變化的現(xiàn)象稱為磁阻效應(yīng)。對(duì)于鐵，鈷，鎳及合金等磁性金屬，當(dāng)外加磁場(chǎng)平行與磁體內(nèi)部磁化方向時(shí)，電阻幾乎不隨外加磁場(chǎng)變化；當(dāng)外加磁場(chǎng)偏離金屬的內(nèi)部磁化方向時(shí)，此類金屬的電阻減小，這

3、就是強(qiáng)磁金屬的各相異性磁阻效應(yīng)。磁阻傳感器由長(zhǎng)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(cè)量二維或三維磁場(chǎng))。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薄膜的電阻率()依賴于磁化強(qiáng)度M和電流I方向間的夾角，具有以下關(guān)系式其中分別是電流I平行于M和垂直于M時(shí)的電阻率。當(dāng)沿著鐵鎳合金帶的長(zhǎng)度方向通以一定的直流電流，而垂直于電流方向施加一個(gè)外界磁場(chǎng)時(shí)，合金帶自身的阻值會(huì)生較大的變化，利用合金帶阻值這一變化，可以測(cè)量磁場(chǎng)大小和方向。同時(shí)制作時(shí)還在硅片上設(shè)計(jì)了兩條鋁制電流帶，一條是置位與復(fù)位帶，該傳感器遇到強(qiáng)磁場(chǎng)感應(yīng)時(shí)，將產(chǎn)生磁疇飽和現(xiàn)象，也可以用來(lái)置位或復(fù)位

4、極性；另一條是偏置磁場(chǎng)帶，用于產(chǎn)生一個(gè)偏置磁場(chǎng)，補(bǔ)償環(huán)境磁場(chǎng)中的弱磁場(chǎng)部分(當(dāng)外加磁場(chǎng)較弱時(shí)，磁阻相對(duì)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(gè)磁電阻電流方向不相同，當(dāng)存在外界磁場(chǎng)時(shí)，引起電阻值變化有增有減。因而輸出電壓Uout可以用下式表示為對(duì)于一定的工作電壓，磁阻傳感器輸出電壓Uout與外界磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度成正比關(guān)系上式中，K為傳感器的靈敏度，B為待測(cè)磁感應(yīng)強(qiáng)度。U0為外加磁場(chǎng)為零時(shí)傳感器的輸出電壓。由于亥姆霍茲線圈的特點(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(chǎng)區(qū)，所以常用作弱磁場(chǎng)的標(biāo)準(zhǔn)磁場(chǎng)。亥姆

5、霍茲線圈公共軸線中心點(diǎn)位置的磁感應(yīng)強(qiáng)度為式中N為單只線圈匝數(shù)；I為線圈流過的電流強(qiáng)度；R為亥姆霍茲線圈的平均半徑；0為真空磁導(dǎo)率；B為磁感應(yīng)強(qiáng)度，單位T?！緦?shí)驗(yàn)內(nèi)容】1測(cè)量磁阻傳感器的靈敏度K。 將赫姆霍茲線圈電流調(diào)節(jié)至零，將補(bǔ)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）。 使傳感器的感應(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(chǎng)作為已知量，測(cè)量磁阻傳感器的靈敏度K。 分別取勵(lì)磁電流為10.0mA、20.0mA、30.0mA、40.0mA、50.0mA、60.0mA，同時(shí)分別記錄正向輸出電壓U1和反向輸出的電

6、壓U2。根據(jù)測(cè)量的數(shù)據(jù),用最小二乘法擬合，求出該磁阻傳感器的靈敏度K。2測(cè)量地磁場(chǎng)的水平分量 。將亥姆霍茲線圈與直流電源的連接線拆去，將磁阻傳感器平行固定在轉(zhuǎn)盤上，調(diào)整轉(zhuǎn)盤至水平,把轉(zhuǎn)盤刻度調(diào)節(jié)到=0,水平旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)盤，找到傳感器輸出電壓最大方向，這個(gè)方向就是地磁場(chǎng)磁感應(yīng)強(qiáng)度的水平分量B的方向。記錄此時(shí)傳感器輸出電壓U1后，再反向旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)盤180°，記錄傳感器輸出最小電壓U2，由|U1-U2|/2=KB求得當(dāng)?shù)氐卮艌?chǎng)水平分量B。3、測(cè)量磁傾角和地磁場(chǎng)磁感應(yīng)強(qiáng)度B的測(cè)量。(1).調(diào)節(jié)傳感器盒上平面與儀器底板平行，(2).轉(zhuǎn)底座使地磁場(chǎng)測(cè)定儀電壓讀數(shù)達(dá)最大或最小值，此時(shí)轉(zhuǎn)盤面與地磁子

7、午面方向垂直。將帶有磁阻傳感器的轉(zhuǎn)盤平面調(diào)整為鉛直，轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)盤角度，分別記下傳感器輸出最大和最小時(shí)轉(zhuǎn)盤指示值和水平面之間的夾角1和2，同時(shí)記錄此最大讀數(shù)U1、U2。由磁傾角=（1+2）/2計(jì)算的值。(3).由|U1-U2|/2=KB，計(jì)算地磁場(chǎng)磁感應(yīng)強(qiáng)度B的值。并計(jì)算地磁場(chǎng)的垂直分量=B sin?！緦?shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)】1. 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。2. 測(cè)量地磁場(chǎng)水平分量，須將轉(zhuǎn)盤調(diào)節(jié)至水平；測(cè)地磁場(chǎng)和磁傾角時(shí)，須將轉(zhuǎn)盤面處于地磁子午面方向。3. 測(cè)磁傾角時(shí)，應(yīng)記錄不同時(shí)，傳感器輸出電壓，應(yīng)取10組值，應(yīng)測(cè)出輸出電壓變化很小的范圍，然后求其平均值。這是因?yàn)闇y(cè)量時(shí)，偏差，變化很

8、小，偏差，所以在偏差至范圍變化極小。實(shí)驗(yàn)時(shí)應(yīng)測(cè)出變化很小角的范圍，然后求得平均值。數(shù)據(jù)的處理 測(cè)量磁阻傳感器的靈敏度k數(shù)據(jù)記錄勵(lì)磁電流I/mAU/mv| U |/mv磁感應(yīng)強(qiáng)度B/10-6T正向U1mv反向U2mv102.42-2.442.4244.97204.84-4.894.8689.92307.19-7.307.25134.88409.57-9.739.63179.855011.89-12.1712.25224.806014.19-14.6014.40269.76附錄1 地磁場(chǎng)地球本身具有磁性，所以地球和近地空間之間存在著磁場(chǎng)，叫做地磁場(chǎng)。地磁場(chǎng)的強(qiáng)度和方向隨地點(diǎn)(甚至隨時(shí)間)而異。地磁場(chǎng)的北極、南極分別在地理南極、北極附近，彼此并不重合，如圖1所示，而且兩者間的偏差隨時(shí)間不斷地在緩慢變化。地磁軸與地球自轉(zhuǎn)軸并不重合，有110交角。 在一個(gè)不太大的范圍內(nèi)，地磁場(chǎng)基本上是均勻的，可用三個(gè)參量來(lái)表示地磁場(chǎng)的方向和大小(如圖2所示)： 1) 磁偏角，地球表面任一點(diǎn)的地磁場(chǎng)矢量所在垂直平面(圖6-8-5中B/與Z構(gòu)成的平面，稱地磁子午面)，與地理子午面(圖2中X、Z構(gòu)成的平面)之間的夾角。 2) 磁傾角，地磁場(chǎng)矢量B與水平面(即圖6-8-5的矢量B和OX與OY構(gòu)成平面的夾角)之間的夾角。 3