磁阻傳感器與地磁場(chǎng)測(cè)量講義

1、實(shí)驗(yàn)15磁阻傳感器與地磁場(chǎng)測(cè)量地球本身具有磁性，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)的數(shù)值比擬小，約10占T量級(jí)，但在直流磁場(chǎng)測(cè)量，特別是弱磁場(chǎng)測(cè)量中，往往需要知道 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 眾多領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。本實(shí)驗(yàn)采用新型坡莫合金磁阻傳感器測(cè)定地磁場(chǎng)磁感應(yīng)強(qiáng)度 及地磁場(chǎng)的水平分量和垂直分量；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(chǎng)測(cè)量方面有廣泛的應(yīng)用前景。實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮蛯W(xué)習(xí)要求1. 了解什么是磁阻效應(yīng)？磁阻效應(yīng)的物理機(jī)制？2 了解HMC1021

2、Z型磁阻傳感器的結(jié)構(gòu)原理及特性；3. 用磁阻傳感器測(cè)定地磁場(chǎng)磁感應(yīng)強(qiáng)度及地磁場(chǎng)的水平分量和地磁傾角。實(shí)驗(yàn)原理1. 地磁場(chǎng)地球磁場(chǎng)跟地球引力場(chǎng)一樣，是一個(gè)地球物理場(chǎng)，它是由根本磁場(chǎng)與變化磁場(chǎng)兩部 分組成的。根本磁場(chǎng)是地磁場(chǎng)的主要局部，起源于地球內(nèi)部，比擬穩(wěn)定，變化非常緩慢。變化磁場(chǎng)包括地磁場(chǎng)的各種短期變化，與電離層的變化和太陽(yáng)活動(dòng)等有關(guān)，并且很微弱。地磁場(chǎng)也是一個(gè)向量場(chǎng)。描述空間某一點(diǎn)地磁場(chǎng)的強(qiáng)度和方向，需要3個(gè)獨(dú)立的地磁要素。常用的地磁要素有7個(gè)，即地磁場(chǎng)總強(qiáng)度 B,水平強(qiáng)度B/,垂直強(qiáng)度 B丄，X和Y分別為B/的北向和東向分量，a和B分別為磁偏角和磁傾角。地磁場(chǎng)的強(qiáng)度和方 向隨地點(diǎn)甚至隨時(shí)間

3、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15-1.5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)根本上是均勻的，可 用三個(gè)參量來(lái)表示空間某一點(diǎn)地磁場(chǎng)的方向和大小如圖15-1.6 所示:圖15-1地磁場(chǎng)要素磁偏角a :地球外表任一點(diǎn)的地磁場(chǎng)矢量所在垂直平面圖6中B/與Z構(gòu)成的平面，稱(chēng)地磁子午面，與地理子午面圖6中X、Z構(gòu)成的平面之間的隔角。磁傾角3 :地磁場(chǎng)強(qiáng)度矢量 B與水平面即圖6中的O-XY平面之間的夾角。 水平分量B/:地磁場(chǎng)矢量 B在水平面上的投影。測(cè)量地磁場(chǎng)的這三個(gè)參量，就可確定某

4、一地點(diǎn)地磁場(chǎng) B矢量的方向和大小。當(dāng)然這三個(gè)參量的數(shù)值隨時(shí)間不斷地在改變，但這一變化極其緩慢微弱。地球磁場(chǎng)不是孤立的，它受到外界擾動(dòng)的影響，地球磁層是一個(gè)頗為復(fù)雜的問(wèn)題，其中的物理機(jī)制有待于深入研究。隨著科學(xué)技術(shù)的開(kāi)展，人類(lèi)渴望全面認(rèn)識(shí)地球的強(qiáng)烈愿望將逐步成為現(xiàn)實(shí)。2. 磁阻效應(yīng) 磁阻效應(yīng)是指置于磁場(chǎng)中的某些金屬或半導(dǎo)體的電阻值隨外加磁場(chǎng)變化而變化的現(xiàn)象。同霍爾效應(yīng)一樣， 磁阻效應(yīng)也是由于載流子在磁場(chǎng)中 受到洛倫茲力而產(chǎn)生的。如下圖的長(zhǎng)方形半導(dǎo)體薄片 型處于圖示方向的磁場(chǎng)中，設(shè)CD方向通有直流電流，半導(dǎo)體內(nèi)的載流子將受到洛侖茲力的作用而發(fā)生偏轉(zhuǎn)。 到達(dá)穩(wěn)態(tài)時(shí)，某一速度的載流子所受到的電場(chǎng)力與洛

5、倫茲 力相等，載流子在 A、B兩端聚集產(chǎn)生霍爾電場(chǎng)，比該速度慢的載流子將向電場(chǎng)力方向偏轉(zhuǎn)，比該速度快的載流子那么向洛倫茲力方向偏轉(zhuǎn)。這種偏轉(zhuǎn)導(dǎo)致載流子的漂移路徑增加?；蛘哒f(shuō)，沿外加電場(chǎng)方向運(yùn)動(dòng)的載流子數(shù)減少，從而使電阻增加，這種現(xiàn)象稱(chēng)為磁阻效應(yīng)。假設(shè)外加磁場(chǎng)與外加電場(chǎng)垂直，稱(chēng)為橫向磁阻效應(yīng)； 假設(shè)外加磁場(chǎng)與外加電場(chǎng)平行，稱(chēng)為縱向磁阻效應(yīng)。 一般情況下，載流子的有效質(zhì)量的馳豫時(shí)間與方向無(wú)關(guān)，那么縱向磁感強(qiáng)度不引起載流子偏移，因而無(wú)縱向磁阻效應(yīng)。目前，磁阻效應(yīng)廣泛用于磁傳感、磁力計(jì)、電子羅盤(pán)、位置和角度傳感器、車(chē)輛探 測(cè)、GPS導(dǎo)航、儀器儀表、磁存儲(chǔ)磁卡、硬盤(pán)等領(lǐng)域。盡管不同的磁阻裝置有不同的 靈

6、敏度，但其電阻的相對(duì)變化率 R/R與外磁場(chǎng)的關(guān)系都 是相似的，其關(guān)系如下圖?？梢?jiàn)磁阻效應(yīng)對(duì)外磁場(chǎng)的極性不靈敏，即正負(fù)磁場(chǎng)的響應(yīng)相同；在外加磁場(chǎng)較小時(shí) R/R與磁場(chǎng)強(qiáng)度的平方 成正比，之后有一段線性區(qū)域，但當(dāng)外加磁場(chǎng)超過(guò)特定值 時(shí)，響應(yīng)趨于飽和。另外 R/ R對(duì)總磁場(chǎng)的方向很靈敏， 總磁場(chǎng)為外磁場(chǎng)與內(nèi)磁場(chǎng)之和，而內(nèi)磁場(chǎng)與磁阻薄膜的性質(zhì)及幾何形狀有關(guān)。對(duì)于鐵、鈷、鎳及其合金等磁性金屬， 當(dāng)外加磁場(chǎng)平行于磁體內(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(lèi)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)。3. 磁阻傳感器HMC1021Z型磁阻傳感器由長(zhǎng)而薄的坡莫

7、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同時(shí)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如圖15-1所示。薄膜的電阻率 珥依賴(lài)于磁化強(qiáng)度 M和電流I方向間的夾角 二，具有以下關(guān)系式'_ 5 _ J_COS2 丁15-1其中6、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，禾U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，可

8、以用來(lái)置位或復(fù)位極性；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)局部(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。HMC1021Zi阻傳感器是一種單邊封裝的磁場(chǎng)傳感器，它能測(cè)量與管腳平行方向的 磁場(chǎng)。傳感器由四條鐵鎳合金磁電阻組成一個(gè)非平衡直流電橋，非平衡電橋輸出局部接集成運(yùn)算放大器，將信號(hào)放大輸出。傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖15-2所示。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可以用下式表示為圖15-4磁電阻的構(gòu)造示意圖圖15-5磁阻傳感器內(nèi)的惠斯通電橋U out對(duì)于一定

9、的工作電壓，如Ub =5.00V , HMC1021Z!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，Uout 二Uo KB(15-3)15-3式中，K為傳感器的靈敏度，B為待測(cè)磁感應(yīng)強(qiáng)度。 Uo為外加磁場(chǎng)為零時(shí)傳感器的輸出量。4. 標(biāo)準(zhǔn)磁場(chǎng)為了確定磁阻傳感器的靈敏度， 需要有一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)磁場(chǎng)來(lái)定標(biāo)。 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)。亥姆霍茲線圈公共軸線中心點(diǎn)位置的磁感應(yīng)強(qiáng)度由下式給出：(15-4)R為亥姆霍茲線圈的平%NI 8R 53/2(15-4 )式中N為線圈匝數(shù)，I為線圈流過(guò)的電流強(qiáng)度， 均半徑，為真空磁導(dǎo)率

10、。真空磁導(dǎo)率=4n X 10 “N/A2。實(shí)驗(yàn)裝置測(cè)量地磁場(chǎng)裝置主要包括底座、轉(zhuǎn)軸，帶有角度刻度的轉(zhuǎn)盤(pán)、磁阻傳感器及引線、圖15-6磁阻傳感器測(cè)量地磁場(chǎng)裝置亥姆霍茲線圈、地磁場(chǎng)測(cè)定儀的控制主機(jī)包括數(shù)字式電壓表、5V直流電源等實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1.測(cè)量磁阻傳感器的靈敏度 K 調(diào)整轉(zhuǎn)盤(pán)至水平，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，即把轉(zhuǎn)盤(pán)刻度調(diào)節(jié)到角度0 =0o,使傳感器的感應(yīng)面與亥姆霍茲線圈軸 線垂直。 接通儀器主機(jī)電源，主機(jī)恒流源逆時(shí)針旋至最小，磁阻傳感器輸出復(fù)位、調(diào)零。 將亥姆霍茲線圈串聯(lián)連接通入勵(lì)磁電流，用亥姆霍茲線圈產(chǎn)生磁場(chǎng)作為量，測(cè)量磁阻傳感器的靈敏度K。表1

11、5-1中正向輸出電壓U1是指勵(lì)磁電流正向輸入時(shí)測(cè)得的磁阻傳感器產(chǎn)生的輸出電壓，而反向U2是指勵(lì)磁電流為反向時(shí)傳感器輸出電壓。測(cè)正向和反向兩次的目的是消除地磁沿亥姆霍茲線圈軸線方向水平分量的影響。改變電流方向時(shí)，應(yīng)先調(diào)解電流輸出為零，再改 變電流輸入方向U =5山2/2。 做圖進(jìn)行擬合，根據(jù)Uout =U0 KB得出該磁阻傳感器的靈敏度 K。或用計(jì)算 器進(jìn)行最小二乘法擬合，根據(jù)Uout二U0 KB得出該磁阻傳感器的靈敏度K。表15-1 測(cè)量磁阻傳感器的靈敏度K勵(lì)磁電流1/mA磁感應(yīng)強(qiáng)度B/10 TU/mV平均/mV正向U/mv反向U/mv10.0020.0030.0040.0050.0060.0

12、070.0080.002.測(cè)量地磁場(chǎng)的水平分量 B/ 將亥姆霍茲線圈與直流電源的連接線拆去；，調(diào)節(jié)底板上螺絲使轉(zhuǎn)盤(pán)水平 可用水準(zhǔn)器指示。 調(diào)節(jié)角游標(biāo)對(duì)準(zhǔn)零刻度線0 =00,水平轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)裝置底盤(pán)，找到傳感器輸出電壓最大方向，此時(shí)傳感器管腳與地磁場(chǎng)磁感應(yīng)強(qiáng)度水平分量B/的方向一致。 記錄此時(shí)傳感器輸出最大電壓 U1后，再旋轉(zhuǎn)帶有磁阻傳感器的內(nèi)轉(zhuǎn)盤(pán)約1800,找到傳感器輸出電壓最小方向，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)量地磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度B總；地磁場(chǎng)的垂直分量 B丄及磁傾角3。 保持傳感器管腳與地磁場(chǎng)磁感應(yīng)強(qiáng)度的水平分量的方向一致； 將

13、帶有磁阻傳感器的轉(zhuǎn)盤(pán)平面調(diào)整為鉛直，此時(shí)轉(zhuǎn)盤(pán)面處于地磁子午面方向，角游標(biāo)對(duì)準(zhǔn)零刻度線； 轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)盤(pán)，分別記下傳感器輸出最大讀數(shù) U1和最小時(shí)讀數(shù)U2 ,同時(shí)記錄傳感器輸出最大和最小時(shí)轉(zhuǎn)盤(pán)角度指示值：1和：2。由磁傾角0 =優(yōu)+打/2計(jì)算B的值。由5 -U2 /2 = KB，計(jì)算地磁場(chǎng)磁感應(yīng)強(qiáng)度B總的值。并計(jì)算地磁場(chǎng)的垂直分量B_ = B總sin 1。*測(cè)量磁傾角記錄3時(shí)，應(yīng)取多組不同數(shù)據(jù)，求其平均直。這是因?yàn)闇y(cè)量時(shí)，假設(shè)偏差1°,傳感器輸出電壓 U總=山Cos1°=0.9998U總，變化很?。患僭O(shè)偏差 4°,貝U U"總=Utt Cos4°=

14、0.998U總。所以在偏差1°至4°范圍U總變化極小，實(shí)驗(yàn)時(shí)應(yīng)測(cè)出 U總變化總、丿總、丿總、很小時(shí)3角的范圍，然后求得平均值丁。請(qǐng)自行設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)記錄的表格實(shí)驗(yàn)參數(shù)數(shù)據(jù)亥姆霍茲線圈每個(gè)線圈匝數(shù) N=500匝，線圈的半徑r=10.00cm , 亥姆霍茲線圈軸線上中心位置的磁感應(yīng)強(qiáng)度為二個(gè)線圈串聯(lián):b34 伏 5°° 8 ,44.96 10-I30.100 5 2式中B為磁感應(yīng)強(qiáng)度,單位T特斯拉；I為通過(guò)線圈的電流，單位A安培思考題1. 什么是磁阻效應(yīng)？簡(jiǎn)述磁阻效應(yīng)的物理機(jī)制？2. 說(shuō)明HMC1021Z!阻傳感器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和輸出特性？3. 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？4.