數(shù)字式弱磁場測量儀的研制及其應(yīng)用

1、 數(shù)字式弱磁場測量儀的研制及其應(yīng)用吳浚浩韓山師范學(xué)院物理與電子工程系521041 1引言在大學(xué)物理實驗中常需測量1mT 以下 的弱磁場。傳統(tǒng)的實驗方法是用探測線圈配以指針式交流電壓表來進行測量。由于探測線圈體積較大,探測到的磁感應(yīng)強度是某個區(qū)域內(nèi)的平均值,并且指針式交流電壓表一般等級較低,所以測量誤差較大。為此本文作者研制了一種高靈敏度數(shù)字式毫特儀,供測量02.000m T 范圍的弱磁感應(yīng)強度,其分辨率達0.001mT。該儀器以高靈敏度的95A 型集成線性霍爾傳感器為探頭,用三位半數(shù)字電壓表測量傳感器輸出電壓,經(jīng)定標(biāo)后可精確測量弱磁場磁感應(yīng)強度。該儀器探頭體積為(2×3×4

2、m m ,易于在磁場中移動、定位,實驗表明采用高靈敏度的95A 型集成線性霍爾傳感器測量弱磁場比用探測線圈感應(yīng)法測量準(zhǔn)確度高得多,因此,本實驗方法在物理實驗中是值得推廣的新方法之一。2儀器概述2.1弱磁場的測量 霍爾傳感器已被廣泛應(yīng)用于較強磁場(0.11T的測量,但在弱磁場的測量上就發(fā)生了困難,因為半導(dǎo)體霍爾元件在測量弱磁場時產(chǎn)生霍爾電勢差值較小,其值與剩余電壓(包括四個副效應(yīng)產(chǎn)生的電壓及不平衡電壓量值相近,因此用一般霍爾元件制成高靈敏度毫特儀精確測量10-4T 10-6T 范圍弱磁場是有一定困難。2.2集成霍爾傳感器新一代的95A 型高靈敏度集成線性霍爾傳感器正是滿足精確測量弱磁場而研制生產(chǎn)

3、的。該傳感器除了在工業(yè)、交能、通訊等領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用外,現(xiàn)已在大學(xué)物理實驗教學(xué)中得到了應(yīng)用1。95A 型集成線性霍爾傳感器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、外形和輸出特性如圖1所示。它由霍爾元件、放大器和薄膜電阻制成的剩余電壓補償器組成。實際測量磁感應(yīng)強度時輸出信號大,且不必考慮剩余電壓的影響。電源電壓一般為5V ,在磁感應(yīng)強度為零時,輸出電壓為2.500V 。當(dāng)霍爾傳感器與磁感應(yīng)強度B 垂直時,該傳感器輸出電壓U 與磁感應(yīng)強度B的關(guān)系為:其中K 是該傳感器的靈敏度為31.25V /T,線性測量范圍00.67T 。2.3儀器特點 圖195A型集成霍爾傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)、外形和輸出特性 所研制的高靈敏度數(shù)字式毫特儀主要由探

4、頭、差分放大器、數(shù)字式顯示器和穩(wěn)壓電源等部分所組成,如圖2所示。其中集成霍爾探頭、差分放大器和三位半數(shù)字顯示器由直流穩(wěn)壓電源供電。95A 型集成探頭在弱磁場中產(chǎn)生經(jīng)放大的霍爾電壓,此霍爾電壓經(jīng)差分放大器將信號放大后,再由三位半數(shù)字面板表以毫特斯拉單位顯示。本儀器的獨特之處在于探頭部分選用了兩只配對的靈敏度相同的95A 型集成霍爾傳感器,一正一反組合而成,從而獲得雙倍霍爾電壓,使得測量更加準(zhǔn)確、穩(wěn)定、可靠。此外,由于本儀器的高靈敏性,0.001mT 的分辨率已能涉及地磁場(10-2m T ,所以本儀器設(shè)置了調(diào)零裝置,用補償法消除地磁場和其它雜散信號的影響。3儀器校準(zhǔn)方法由于本儀器的探頭采用了線性

5、元件,且儀器的量程在探頭的線性傳輸范圍之內(nèi),放大器已是在線性范圍工作,所以本儀器具有良好的線性特征。這樣要校準(zhǔn)時,只需選取儀器量程中間某點已知磁感應(yīng)強度值進行定標(biāo)及零點校準(zhǔn)就可。3.1校準(zhǔn)根據(jù)本儀器的量程及準(zhǔn)確度,選用了計算線圈法2進行校準(zhǔn)。此法是做一精密長直螺線管,精確測量它的幾何尺 寸,其中,真空中的磁導(dǎo)率0=4×10-7,N 為匝數(shù),L 為螺線管長度,D 為直徑,I 為通過螺線管的電流,根據(jù)公式:計算出該螺線管幾何中心處的磁感應(yīng)強度B ,以此值作為本數(shù)字式毫特儀的定標(biāo)值,調(diào)節(jié)儀器內(nèi)部放大器相應(yīng)電位器,使數(shù)碼顯示為定標(biāo)值即可。此法的準(zhǔn)確度可達10-510-62。3.2校零點方法是

6、保持探頭在測量位置不動,移開被測對象或切斷被測對象的勵磁電源,調(diào)節(jié)儀器面板上的調(diào)零旋鈕,使數(shù)碼示示器示“0.000”,而后移動被測對象至探頭位置或接通被測對象勵磁電源即可。4數(shù)字式毫特儀在物理實驗中的應(yīng)用本儀器可用于大學(xué)物理實驗課中的“通電螺線管磁場測定”、“圓線圈和亥姆霍茲線圈磁場的測定”以及“地磁場測定”等弱磁場測定實驗。以下介紹用本儀器測定亥姆霍茲線圈磁場分布實驗。4.1原理及裝置載流圓線圈或亥姆霍茲線圈軸線上的磁感應(yīng)強度可由畢奧-薩伐爾定律及場的疊加原理計算得到,也可用自制高靈敏度數(shù)字式毫特儀直接測量。整個裝置如圖3所示。它由圓線圈和亥姆霍茲線圈實驗平臺(含線圈、固定夾、直尺、高靈敏度

7、毫特儀和數(shù)字式直流恒流電流組成。其中實驗平臺含有兩個可移動的圓線圈(各500匝,其平均半徑R =10.00c m ,臺面上有相間1.00c m 的均勻刻線;高靈敏度毫特儀如前所述;數(shù)字式連續(xù)可調(diào)直流恒流電源可輸出50500mA 電流對一組線圈供電。4.2方法及數(shù)據(jù)首先使圓線圈同軸,并使探頭能在線圈軸線上移動,取左右線圈分別在X=-5.00cm 及X=5.00cm 處(d=R,爾后對左右線圈分別能以100m A 電流,測量軸線上的磁感應(yīng)強度B a (X 和B b (X ;再將它們同向串接仍通以100m A 的電流,測量軸線上的磁感度強度B a +b (X 。數(shù)據(jù)見表一。值得注意的是:由于本毫特儀

8、的高靈敏度性,而實驗裝置臺面并非嚴(yán)格水平位置,所以,在每個測量點都必須斷電調(diào)零,以排除地磁場及雜散場的影響。線圈單獨通電時,線圈圓心處磁感應(yīng)強度的實測值分別為:B a (-5.00=0.316mT,B b (5.00=0.312m T ; 其理論值為:m T圖2高靈敏度毫特性簡圖1.毫特計讀數(shù)2.電流表讀數(shù)3.直流電流源輸出端4.電流調(diào)節(jié)旋鈕5.調(diào)零旋鈕6.傳感器插頭7.固定架8.霍耳傳感器圖3亥姆霍茲線圈實驗裝置圖 其百分誤差都為:0.64%。同樣,在線圈軸線上距圓心5c m 處,磁感應(yīng)強度的實測值分別為:B a (-10.00=0.224m T ,B b(10.00=0.225m T ;其

9、理論值為:其百分誤差極小。當(dāng)兩線圈同向串接通電時,從表1中數(shù)據(jù)項B a (X +B b (X 值與B a +b (X 值可見:在其誤差范圍內(nèi)數(shù)據(jù)相當(dāng)一致,說明磁場滿足迭加原理,并在X =-4.00cm 至X=4.00cm 之間為勻強磁場:在X =0.00c m 處,實驗值為B a +b (0=0.450m T ,理論值為B =0.451m T ,相當(dāng)一表 1亥姆霍茲線圈軸線上磁場分布數(shù)據(jù)致。當(dāng)改變兩線圈之間的距離d ,使之分別為R /2;2R 時,測得軸線上的磁感應(yīng)強度變化如圖4所示。通過用本高靈敏度數(shù)字毫持儀測量圓線圈和亥姆霍茲線圈的磁場,不僅能使學(xué)生加深對畢-薩定律的認(rèn)識、驗證磁場迭加原理、學(xué)習(xí)亥姆霍茲線圈產(chǎn)生均勻磁場的方法及以此計量磁場的方法,而且還能使學(xué)生掌握弱磁場的測量原理及如何用集成霍爾傳感器測量磁場的方法,5結(jié)束浯本儀器研