實驗十五用磁阻傳感器分析和測定地磁場

1、【實驗?zāi)康摹?.了解磁阻傳感器測量磁場的基本原理。用磁阻傳感器測定地磁場的方法。3.了解地磁場的方向與強(qiáng)度?！緝x器和用具】測量地磁場裝置如圖一所示。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、亥姆霍茲線圈、地磁場測定儀控制主機(jī)(包括數(shù)字式電壓表、5V直流電源等)圖一【實驗原理】 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)。磁阻傳感器是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

2、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，如圖二所示。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，

3、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。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，而非平衡電橋輸出后接到一集成運算放大器上，將信號放大輸出。傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖三所示。圖中由于適當(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 （2）圖二 磁阻傳感器的構(gòu)造示意圖 圖三 磁阻傳感器內(nèi)的惠斯通電橋?qū)τ谝欢ǖ墓ぷ麟妷?，如，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

4、外加磁場為零時傳感器的輸出量。由于亥姆霍茲線圈的特點是能在其軸線中心點附近產(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。亥姆霍茲線圈公共軸線中心點位置的磁感應(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，為亥姆霍茲線圈的平均半徑，為真空磁導(dǎo)率?！緦嶒瀮?nèi)容】1、將磁阻傳感器放置在亥姆霍茲線圈公共軸線中點，并使管腳和磁感應(yīng)強(qiáng)度方向平行。即傳感器的感應(yīng)面與亥姆霍茲線圈軸線垂直。用亥姆霍茲線圈產(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

5、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。由磁傾角計算的值。4、由，計算地磁場磁感應(yīng)強(qiáng)度的值。并計算地磁場的垂直分量。本實驗須注意：實驗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?！舅伎碱}】1、磁阻傳感器的基本工作原理是怎樣的？2、實驗的線圈裝置中心區(qū)域，即與磁阻傳感器相連的轉(zhuǎn)動盤，其方位如何調(diào)整？3、該實驗中附帶的水平儀起什么作用？如何調(diào)整？4、該實驗所用的電源面板上分別有一調(diào)零旋鈕和輸出旋鈕各起什么作用？如何調(diào)節(jié)？5、在測量地磁場時，如有一枚鐵釘處于磁阻