用各向異性磁阻效應測量磁場

1、用各向異性磁阻效應測量磁場實驗目的：1 了解各向異性磁阻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 測量地磁場實驗儀器：ZKY-DCC 磁場實驗儀，電源，水平校準儀，導線等。 實驗原理：磁場的測量可利用電磁感應、霍耳效應以及磁阻效應等各種效應，其中磁阻效應法發(fā)展最快，測量靈敏度最高。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，磁阻傳感器就是利用磁阻效應制成的，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，如利用磁阻效應已制成各種位移、角度、轉(zhuǎn)速傳感器，各種接近開關(guān)，隔離

2、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。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（Ni 80 Fe 20）薄膜形成電阻。沉積時外加磁場，形成易磁化軸方向。鐵磁材料的電阻同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R max 最大，電流與磁化方向垂直時電阻R min 最小，電流與磁化方向成角時，電阻可表示為：R = Rmin

3、(Rmax R min cos 2 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

4、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：U V b ×R/R式中V b 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。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。復位/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，磁干擾可能導致磁疇排列紊亂，改變傳感器的輸出特性。此時可在復位端輸入脈沖電流，通過內(nèi)部電路沿易磁化軸方向產(chǎn)生強磁

5、場，使磁疇重新整齊排列，恢復傳感器的使用特性。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5 mA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5中的特性曲線平移，使所測磁場為零時輸出電壓為零。儀器原理和介紹ZKY-DCC 磁場實驗儀結(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

6、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/Gauss。靈敏度表示，當磁阻電橋的工作電壓為1 V ，被測磁場磁感應強度為1高斯時，輸出信號為1 mV。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5 V，放大器放大倍數(shù)50，磁感應強度為1高斯時，對應的輸出電壓為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

7、以計算出赫姆霍茲線圈公共軸線中點的磁感應強度為：003/285NIB Rµ=圖1 磁阻電橋a 磁干擾使磁疇排列紊亂b 復位脈沖使磁疇沿易磁化軸整齊排列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磁感應強度/高斯輸出電壓/毫伏電橋偏離外磁場偏離圖3 AMR的磁電轉(zhuǎn)換特性式中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，m H /10470×=µ為真空中的磁導率。采用國際單位制時，由上式計算出的磁感應強度單位為特斯拉（1特斯拉10000高斯）。本實驗儀N 310，R 0.14m ，線圈電流為1mA 時，赫姆霍茲線圈中部的

8、磁感應強度為0.02高斯。 ZKY-DCC 磁場實驗儀的電源部分如圖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)。復位（R/S）按鈕每按下一次，向復位端輸入一次復位脈沖電流，僅在需要時使用。圖4 磁場實驗儀 實驗內(nèi)容及步驟：（1） 測量準備：連接實驗儀與電源，開機預熱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

9、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，按復位鍵（見圖2，恢復傳感器特性），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300 mA（線圈產(chǎn)生的磁感應強度6高斯），調(diào)節(jié)放大器校準旋鈕，使輸出電壓為1 .500伏。（2） 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的磁感應強度，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300 mA 逐步調(diào)小赫姆霍茲線圈電流，記錄相應的輸出電壓值。切換電流

10、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)圖5 儀器前面板示意圖大反向電流，記錄反向輸出電壓值。注意：電流換向后，必須按復位按鍵消磁。 以磁感應強度為橫軸，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)

11、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。 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。（3） 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X 1的點的磁感應強度為：201223/21( 2( R

12、IB x R x µ=+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強度是兩線圈在該點產(chǎn)生的磁感應強度之和：2200223/2223/23/223/223/2(2( 2( 22511161( 1( 22NR I NR IB x R R R x R x B R Rµµ+=+ 式中B 0是X 0時，即赫姆霍茲線圈公共軸線中點的磁感應強度。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

13、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 位置 X B(X/B0 計算值 B(X測量值(V B(X值(高斯 -0.5R 0.946 -0.4R 0.975 -0.3R 0.992 -0.2R 0.998 -0.1R 1.000 0 1 0.1R 1.000 0.2R 0.998 0.3R 0.992 B04 高斯 0.4R 0.975 0.5R 0.946 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

14、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)， XB0）/B0 小于百分之一，BY/BX （B 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 X VX Y 0 0.05R 0.1R 0.15R 0.2R 0.25R

15、0.3R 0 0.05R 0.1R 0.15R 0.2R B0 4 高斯 0.25R 0.3R 由表 4 數(shù)據(jù)討論赫姆霍茲線圈的空間磁場分布特點。 （4）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

16、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。松開線圈水平旋轉(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（如果不能調(diào)到最大，則需要將磁阻傳感器在水平方向選 擇 180 度后再調(diào)節(jié)） 。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，將 U=(U1U2/2 作為地磁場磁感應強度的測量值（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） U1(V U2(V 磁感應強度 U=(