實(shí)驗(yàn)報(bào)告磁阻傳感器和地磁場的測量

1、磁阻傳感器和地磁場的測量一. 實(shí)驗(yàn)?zāi)康恼莆沾抛鑲鞲衅鞯奶匦?。掌握地磁場的測量方法。二. 實(shí)驗(yàn)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(shí)， 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(shí)，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)。HMC1021Z型磁阻傳感器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6-8-1所示。薄膜的電阻率 （）依賴于磁化強(qiáng)度 M和電流I方向間的夾角，具有

2、以下關(guān)系式 （）（）cos2其中/、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)外界磁場時(shí)，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(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)磁場感應(yīng)時(shí)，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(gè)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(shí)，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。HMC1021Z1阻傳感器是一種單邊封裝的磁場傳感器，它能測量與

3、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(gè)非平衡電橋，非平衡電橋輸出部分接集成運(yùn)算放大器， 將信號放大輸出。傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖 6-8-2所示，圖中由于適當(dāng)配置的四個(gè)磁電阻電流方向不相同，當(dāng)存在外界磁場時(shí)，引起電阻值變化有增有減。因而輸出電壓U°ut可以用下式表示為U out電流玻莫合金薄膜鋁合金帶Vb偏置磁場構(gòu)造示意圖磁阻傳感器內(nèi)的惠斯通電橋?qū)τ谝欢ǖ墓ぷ麟妷海?Vb6.00V , HMC1021Z!阻傳感器輸出電壓 Uout與外界磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度成正比關(guān)系，Uout U0 KB上式中，K為傳感器的靈敏度，B為待測磁感應(yīng)強(qiáng)度。Uo為外加磁場為零時(shí)傳感器的輸出量。由于

4、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(diǎn)位置的磁感應(yīng)強(qiáng)度為：罟你6 1041上式中 N為線圈匝數(shù)（500匝）；亥姆霍茲線圈的平均半徑R 10cm ；真空磁導(dǎo)率10 7N/A2。三. 實(shí)驗(yàn)步驟1、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 K。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(gè)方向就是地磁場磁感應(yīng)強(qiáng)度的水平

5、分量B/的方向。記錄此時(shí)傳感器輸出電壓U1后，再旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)盤，記錄傳感器輸出最小電壓U 2 ,由U1 U2 /2 KB/，求得當(dāng)?shù)氐卮艌鏊椒至?B/。3、 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B/方向放置，只是方向轉(zhuǎn)90°。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(shí)轉(zhuǎn)盤指示值和水平面之間的夾角1和2,同時(shí)記錄此最大讀數(shù) U1和U2。由磁傾角 （12）/2計(jì)算的值。4、 由U1 U2 /2 KB，計(jì)算地磁場磁感應(yīng)強(qiáng)度B的值。并計(jì)算地磁場的垂直分量B B sin 。四. 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)處理測量傳感器靈敏度K勵(lì)磁電流I/mA磁感應(yīng)強(qiáng)度-4B/10 TU

6、/mV平均| U|/mV正向Ui/mV反向U/mV0. 45021. 022. 022. 00. 89942. 044. 043. 01 . 3562. 065. 064. 01 . 8084. 090. 087. 02. 251071121102. 68129132131用最小二乘法擬合，得K=T相關(guān)系數(shù)為r=測量磁傾角B343° 0'43° 30'44° 0'44° 30'45° 0'45° 30'46° 0'46° 30'47° 0&#

7、39;47° 3CU總/mV測得磁傾角為45 ° 0'測量地磁場B電壓12345平均結(jié)果U平行U /mV|U平?|/mV=B 平行 /T=X 10-412 /mVU總Ui/mV1 U?|/mV=B 總 /T=X 10-4U/mV由B平行，B總算得磁傾角為B = arccosB平行/ B總=40 ° 6'五. 實(shí)驗(yàn)結(jié)果首先測得了磁阻傳感器靈敏度K=T,相關(guān)系數(shù)為r=，所以最小二乘法擬合獲得了比較理想的結(jié)果。直接測磁傾角測得B =45° 0'。由B平行，B總間接測得B =40° 6'。與參考數(shù)據(jù)44° 34'相比，相對誤差分別為 1%與11%，后者誤差較大。測得武漢大學(xué)物理學(xué)院5樓處地磁場水平強(qiáng)度為X 10-4T,與參考數(shù)據(jù)X 10-4T相比