各向異性磁阻傳感器與磁場測量

1、實(shí)驗(yàn)5-10 各向異性磁阻傳感器與磁場測量物質(zhì)在磁場中電阻率發(fā)生變化的現(xiàn)象稱為磁阻效應(yīng)，磁阻傳感器利用磁阻效應(yīng)制成。磁場的測量可利用電磁感應(yīng)，霍耳效應(yīng)，磁阻效應(yīng)等各種效應(yīng)。其中磁阻效應(yīng)法發(fā)展最快，測量靈敏度最高。磁阻傳感器可用于直接測量磁場，如弱磁場測量，地磁場測量，各種導(dǎo)航系統(tǒng)中的羅盤，計(jì)算機(jī)中的磁盤驅(qū)動器，各種磁卡機(jī)等等。磁阻傳感器也可通過磁場變化測量其它物理量，如利用磁阻效應(yīng)已制成各種位移、角度、轉(zhuǎn)速傳感器，各種接近開關(guān)，隔離開關(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(dǎo)體磁阻（MR），各向異性磁阻（AMR），巨磁阻（GMR），龐磁阻（CMR）等階段。本

2、實(shí)驗(yàn)研究AMR的特性并利用它對磁場進(jìn)行測量?！緦?shí)驗(yàn)?zāi)康摹? 了解AMR的原理并對其特性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。2 測量赫姆霍茲線圈的磁場分布。3 測量地磁場。【實(shí)驗(yàn)原理】圖5-10-1磁阻電橋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（Ni80 Fe20）薄膜形成電阻。沉積時(shí)外加磁場，形成易磁化軸方向。易磁化軸是指各向異性的磁體能獲得最佳磁性能的方向，也就是無外界磁干擾時(shí)磁疇整齊排列方向。鐵磁材料的電阻與電流和磁化方向的夾角有關(guān)，電流與磁化方向平行時(shí)電阻Rmax最大，電流與磁化方向垂直時(shí)電阻Rmin最小，電流與磁化方向成

3、角時(shí)，電阻可表示為：R = Rmin(RmaxRmin)cos2 （5-10-1）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(gè)相同的磁阻元件構(gòu)成惠斯通電橋，結(jié)構(gòu)如圖5-10-1所示。圖5-10-1中，易磁化軸方向與電流方向的夾角為45度。理論分析與實(shí)踐表明，采用45度偏置磁場，當(dāng)沿與易磁化軸垂直的方向施加外磁場，且外磁場強(qiáng)度不太大時(shí)，電橋輸出與外加磁場強(qiáng)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(shí)，磁化方向即易磁化軸方向，電橋的4個(gè)橋臂電阻阻值相同，輸出為零。當(dāng)在磁敏感方向施加如圖29-1所示方向的磁場時(shí)，合成磁化方向?qū)⒃谝状呕较虻幕A(chǔ)上逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。結(jié)果使左上和右

4、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向的夾角減小，電阻增大R。通過對電橋的分析可知，此時(shí)輸出電壓可表示為： UVb×R/R （5-10-2） 圖5-10-2 復(fù)位/反向置位脈沖作用式中，Vb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(qiáng)度B成正比，即R/R=KB,故AMR磁阻傳感器輸出電壓與磁場強(qiáng)度的關(guān)系為U=KVbB，因此可利用磁阻傳感器測量磁場。其中K為磁阻傳感器的靈敏度，本儀器所用磁阻傳感器的靈敏度為1mV/V.Gauss。靈敏度表示，當(dāng)磁阻電橋的工作電壓為1V，被測磁場磁感應(yīng)強(qiáng)度為1高斯時(shí)，輸出信號為1mV。商品磁阻

5、傳感器已制成集成電路，除圖29-1所示的電源輸入端和信號輸出端外，還有復(fù)位/反向置位端和補(bǔ)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(fù)位/反向置位的機(jī)理可參見圖5-10-2。AMR置于超過其線性工作范圍的磁場中時(shí)，磁干擾可能導(dǎo)致磁疇排列紊亂，改變傳感器的輸出特性。此時(shí)可在復(fù)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(qiáng)磁場，使磁疇重新整齊排列，恢復(fù)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。本儀器從補(bǔ)償端每輸入5mA補(bǔ)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(bǔ)償傳感器的偏離。5-10-3圖5-10-3為AMR的磁電轉(zhuǎn)換特性

6、曲線。其中電橋偏離是在傳感器制造過程中，4個(gè)橋臂電阻不嚴(yán)格相等帶來的，外磁場偏離是測量某種磁場時(shí)，外界干擾磁場帶來的。不管要補(bǔ)償哪種偏離，都可調(diào)節(jié)補(bǔ)償電流，用人為的磁場偏置使圖29-5中的特性曲線平移，使所測磁場為零時(shí)輸出電壓為零。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，線圈之間的距離正好等于圓形線圈的半徑。這種線圈的特點(diǎn)是能在公共軸線中點(diǎn)附近產(chǎn)生較廣泛的均勻磁場，根據(jù)畢奧薩伐爾定律，可以計(jì)算出赫姆霍茲線圈公共軸線中點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度為： （5-10-3）式中，N為線圈匝數(shù)，I為流經(jīng)線圈的電流強(qiáng)度，R為赫姆霍茲線圈的平均半徑，H/m為真空中的磁導(dǎo)率。采用國

7、際單位制時(shí)，由上式計(jì)算出的磁感應(yīng)強(qiáng)度單位為特斯拉（1特斯拉10000高斯）。本實(shí)驗(yàn)儀N310，R0.14m，線圈電流為1mA時(shí)，赫姆霍茲線圈中部的磁感應(yīng)強(qiáng)度為0.02高斯。赫姆霍茲線圈能在公共軸線中點(diǎn)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(yīng)用。根據(jù)畢奧薩伐爾定律，可以計(jì)算出通電圓線圈在軸線上任意一點(diǎn)產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度矢量垂直于線圈平面，方向由右手螺旋定則確定，與線圈平面距離為的點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度為 (5-10-4)若以兩線圈中點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，則軸線上任意一點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度是兩線圈在該點(diǎn)產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度之和 (5-10-5)是0時(shí)，即赫姆霍茲線圈公共軸線中點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度。表3列出了取不同值時(shí)值

8、的理論計(jì)算結(jié)果。理論分析表明，在，的范圍內(nèi)，小于百分之一，小于萬分之二，固可認(rèn)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。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(qiáng)度，磁傾角，磁偏角三個(gè)參量表示地磁場的大小和方向。磁傾角是地磁場強(qiáng)度矢量與水平面的夾角，磁偏角是地磁場強(qiáng)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(dǎo)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(gè)方向的分量，根據(jù)矢量合成原理，計(jì)算出地磁場的大小和方位。本實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)用單個(gè)磁阻傳感器測量地磁場的方法

9、。在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)測量地磁場時(shí)，建筑物的鋼筋分布，同學(xué)攜帶的鐵磁物質(zhì)，都可能影響測量結(jié)果，因此，此實(shí)驗(yàn)重在掌握測量方法?！緦?shí)驗(yàn)儀器】實(shí)驗(yàn)儀結(jié)構(gòu)如圖5-10-4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(jī)構(gòu)，赫姆霍茲線圈等組成。本儀器所用磁阻傳感器的工作范圍為±6高斯。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(jì)算磁場強(qiáng)圖5-10-4 磁場實(shí)驗(yàn)儀度時(shí)還需考慮放大器的放大倍數(shù)。本實(shí)驗(yàn)儀電橋工作電壓5V，放大器放大倍數(shù)50，磁感應(yīng)強(qiáng)度為1高斯時(shí)，對應(yīng)的輸出電壓為0.25伏。儀器面板如圖5-10-5所示。恒流源為赫姆霍茲線圈提供電流，電流的大小可以

10、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(bǔ)償(OFFSET)電流調(diào)節(jié)旋鈕調(diào)節(jié)補(bǔ)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(bǔ)償電流。圖5-10-5 磁場實(shí)驗(yàn)儀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(biāo)準(zhǔn)磁場中校準(zhǔn)放大器放大倍數(shù)。復(fù)位（R/S）按鈕每按下一次，向復(fù)位端輸入一次復(fù)位脈沖電流，僅在需要時(shí)使用?！緦?shí)驗(yàn)內(nèi)容】1. 測量準(zhǔn)備(1) 連接實(shí)驗(yàn)儀與電源，開機(jī)預(yù)熱20分鐘（此段時(shí)間內(nèi)完成步驟2）。(2) 將磁阻傳感器位置調(diào)節(jié)至赫 姆霍茲線圈中心(五個(gè)標(biāo)尺皆在零刻度線上),使磁敏感方向與赫姆霍茲線圈軸線一致。(3) 調(diào)節(jié)赫姆霍茲線

11、圈電流為零，按復(fù)位鍵（見圖5-10-2，恢復(fù)傳感器特性）。(4) 調(diào)節(jié)補(bǔ)償電流（見圖5-10-3，補(bǔ)償?shù)卮艌龅纫蛩禺a(chǎn)生的偏離），使傳感器輸出電壓為零。(5) 調(diào)節(jié)赫姆霍茲線圈電流至300mA（此時(shí)線圈產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度6高斯）。(6) 調(diào)節(jié)放大器校準(zhǔn)旋鈕，使輸出電壓為1.500伏。2. 磁阻傳感器特性測量(1) 測量磁阻傳感器的磁電轉(zhuǎn)換特性 按表1數(shù)據(jù)將赫姆霍茲線圈電流從300mA逐步調(diào)小至0mA，記錄相應(yīng)的輸出電壓值。切換電流換向開關(guān)（赫姆霍茲線圈電流反向，磁場及輸出電壓也將反向），按復(fù)位按鍵。逐步調(diào)大反向電流，記錄反向輸出電壓值。(2) 測量磁阻傳感器的各向異性特性將赫姆霍茲線圈電流調(diào)節(jié)至2

12、00mA，（如果以上步驟結(jié)束時(shí)的線圈電流為-300 mA，要將線圈電流調(diào)節(jié)至200mA，注意電流換向后按復(fù)位按鍵。）測量所測磁場方向與磁敏感方向一致時(shí)的輸出電壓。松開傳感器繞軸旋轉(zhuǎn)鎖緊螺釘，將傳感器盒的磁敏感方向旋轉(zhuǎn)至與赫姆霍茲線圈軸向呈不同的角度后鎖緊，記錄輸出電壓數(shù)據(jù)于表2中。3. 赫姆霍茲線圈的磁場分布測量(1) 赫姆霍茲線圈軸線上的磁場分布測量（線圈電流200mA）調(diào)節(jié)傳感器磁敏感方向與赫姆霍茲線圈軸線一致，位置調(diào)節(jié)至赫姆霍茲線圈中心（），根據(jù)表3觀測并記錄數(shù)據(jù)（注意測量過程中保證）。(2) 赫姆霍茲線圈空間磁場分布測量（線圈電流200mA）按表4數(shù)據(jù)改變磁阻傳感器的空間位置，記錄方向

13、的磁場產(chǎn)生的電壓，測量赫姆霍茲線圈空間磁場分布。注意變化時(shí)，保持不變，或者變化時(shí)保持不變。4. 地磁場測量(1) 將磁阻傳感器移至（）。(2) 將赫姆霍茲線圈電流調(diào)節(jié)至零，按電流切換按鈕，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并且指北（以便在垂直面內(nèi)調(diào)節(jié)磁敏感方向）。(3) 調(diào)節(jié)傳感器盒上平面與儀器底板平行（即傳感器繞軸旋轉(zhuǎn)為度）。(4) 將水準(zhǔn)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(zhǔn)氣泡居中，使磁阻傳感器水平。(5) 松開線圈水平旋轉(zhuǎn)鎖緊螺釘，在水平面內(nèi)仔細(xì)調(diào)節(jié)傳感器方位，使輸出最大。(6) 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

14、最大時(shí)轉(zhuǎn)過的角度就是磁傾角，記錄此角度。(7) 記錄輸出最大時(shí)的輸出電壓值后，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(shí)的輸出電壓（可能負(fù)值），將 作為地磁場磁感應(yīng)強(qiáng)度的測量值（此法可消除電橋偏離對測量的影響）。【數(shù)據(jù)處理】表1 AMR磁電轉(zhuǎn)換特性的測量 放大倍數(shù)為50，Vb=5V線圈電流(mA)300250200150100500-50-100-150-200-250-300磁感應(yīng)強(qiáng)度(Gs)6543210-1-2-3-4-5-6輸出電壓(V)靈敏度(mV/V.Gs)以磁感應(yīng)強(qiáng)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（輸出電壓/(放大倍

15、數(shù)*Vb.*磁感應(yīng)強(qiáng)度)）平均值。表2 AMR方向特性的測量 線圈電流為200mA B0 4Gs夾角（度）0102030405060708090U理論值(V)10.8260.6580.50.3570.2340.1340.060.0150U測量值(V)將所測輸出電壓與理論值做比較，判斷所測輸出電壓是否符合余弦規(guī)律。表3 赫姆霍茲線圈軸向磁場分布測量 R=140mm 線圈電流為200mA B0 4 Gs位置-0.5R-0.4R-0.3R-0.2R-0.1R00.1R0.2R0.3R0.4R0.5R測 (V)測 = /0.25 (Gs)以位置為橫坐標(biāo)，為縱坐標(biāo)將表3數(shù)據(jù)作圖，討論赫姆霍茲線圈的軸向磁