實(shí)驗(yàn)用磁阻傳感器測(cè)量地磁場(chǎng)講義

1、實(shí)驗(yàn)三十七用磁阻傳感器測(cè)雖地磁場(chǎng)地磁場(chǎng)的數(shù)值比較小，約10圭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)、探礦等科研中也有著重要用途。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)磁感應(yīng)強(qiáng)度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)的一種重要方法?！緦?shí)驗(yàn)?zāi)康摹?. 掌握磁阻傳感器的特性和定標(biāo)方法。2. 掌握地磁場(chǎng)的測(cè)量方法。【實(shí)驗(yàn)原理】物質(zhì)在磁場(chǎng)中電阻率發(fā)生變化的現(xiàn)象稱為磁阻效應(yīng)。對(duì)于鐵、鉆、鐐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

2、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(zhǎng)而薄的坡莫合金（鐵鐐合金）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(cè)量二維或三維磁場(chǎng)）。它利用通常的半導(dǎo)體工藝，將鐵鐐合金薄膜附著在硅片上，如圖1所示。薄膜的電阻率P（e）依賴于磁化強(qiáng)度M和電流I方向間的夾角0,具有以下關(guān)系式p（e）=p+（p一pjcos（1）其中P/、P_l分別是電流I平行于M和垂直于M時(shí)的電阻率。當(dāng)沿著鐵鐐合金帶的長(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，利用合金帶阻值這一變

3、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，也可以用來置位或復(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)部分（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。Uout可以用下式HMC1021Z磁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)。傳感器由四條鐵鐐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(hào)放大輸出。傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖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

4、磁場(chǎng)時(shí)，引起電阻值變化有增有減。因而輸出電壓表小為圖1磁阻傳感器的構(gòu)造示意圖圖2磁阻傳感器內(nèi)的惠斯通電橋?qū)τ谝欢ǖ墓ぷ麟妷?，如Vb=6.00V,HMC1021Z磁阻傳感器輸出電壓Uout與外界磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度成正比關(guān)系,Uout=U0KB上式中，K為傳感器的靈敏度，B為待測(cè)磁感應(yīng)強(qiáng)度。U0為外加磁場(chǎng)為零時(shí)傳感器的輸出量。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)度為0NI8wB=工場(chǎng)=44.9610I（4）R5上式中每個(gè)線圈匝數(shù)N=500匝；亥姆霍茲線圈的平均半徑R=10cm；真空磁導(dǎo)率*=4兀K1

5、0N/A2；I為線圈流過的電流，單位A（安培）；B為磁感應(yīng)強(qiáng)度，單位T?！緦?shí)驗(yàn)儀器】測(cè)量地磁場(chǎng)裝置如圖3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、亥姆霍磁線圈、地磁場(chǎng)測(cè)定儀控制主機(jī)（包括數(shù)字式電壓表、5V直流電源等）。圖3FDHMC威型磁阻傳感、器地磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)儀1.恒流源；2.數(shù)字電壓表；3.磁阻傳感器輸入輸出引線;4.亥姆霍茲線圈；5.帶角刻度的轉(zhuǎn)盤?！緦?shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟】1.用亥姆霍磁線圈產(chǎn)生磁場(chǎng)作為已知量，測(cè)量磁阻傳感器的靈敏度K。1）將亥姆霍茲線圈與直流電源連接好。2）使磁阻傳感器的管腳和磁感應(yīng)強(qiáng)度的方向平行，即轉(zhuǎn)盤刻度調(diào)節(jié)到角度8=0'。調(diào)節(jié)底板上螺絲使轉(zhuǎn)盤至水

6、平（用水準(zhǔn)儀指示）。3）按一下復(fù)位鍵，調(diào)節(jié)電流到零，電壓調(diào)零。4）依次調(diào)節(jié)電流到10mA,20mA,30mA,40mA,50mA,60mA,分別記錄下正向電壓讀數(shù)U正。4）,記錄下反向電5）調(diào)節(jié)電流到零，電流換向，按一下復(fù)位鍵，電壓調(diào)零，重復(fù)步驟壓讀數(shù)U反。測(cè)正向和反向兩次，目的是消除地磁沿亥姆霍茲線圈方向（水平）分量的影響。6）平均電壓U=U正一U反/2,利用逐差法計(jì)算出靈敏度k=aU/ab。7）采用最小二乘法擬合，計(jì)算磁阻傳感器的靈敏度（選做）。2.測(cè)量地磁場(chǎng)的水平分量B/，地磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度B總，地磁場(chǎng)的垂直分量8工和磁傾角'1）將亥姆霍茲線圈與直流電源的連線拆去。2）將磁阻傳感

7、器平行固定在轉(zhuǎn)盤上，調(diào)節(jié)底板上螺絲使轉(zhuǎn)盤水平（用水準(zhǔn)儀調(diào)節(jié)水平）。將傳感器管腳指向地理正北，把轉(zhuǎn)盤刻度調(diào)節(jié)到角度e=0°。3）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(chǎng)磁感應(yīng)強(qiáng)度的水平分量B/的方向。記錄此時(shí)傳感器輸出的最大電壓5,再旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)盤，記錄傳感器輸出的最小電壓U2。測(cè)量6組數(shù)據(jù)。由B三U/K=U1U2/2K。計(jì)算出當(dāng)?shù)氐卮艌?chǎng)水平分量B/。4）使裝置沿著地磁磁感應(yīng)強(qiáng)度水平分量b/方向放置（把轉(zhuǎn)盤刻度調(diào)節(jié)到角度e=0o,調(diào)節(jié)底板使磁阻傳感器輸出最大電壓），同時(shí)調(diào)節(jié)底板上螺絲使轉(zhuǎn)盤水平（用水準(zhǔn)儀調(diào)節(jié)水平）。將帶有磁阻傳感器的轉(zhuǎn)盤平面調(diào)整為鉛直，此時(shí)轉(zhuǎn)盤面為地磁子午

8、面方向。轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)盤角度，分別記下傳感器輸出最大電壓和最小電壓時(shí)轉(zhuǎn)盤指示值&和e2,同時(shí)記錄此最大讀數(shù)U1和最小讀數(shù)U；。測(cè)量6組數(shù)據(jù)值，求其平均值。5）將磁阻傳感器平行固定在轉(zhuǎn)盤上，調(diào)節(jié)底板上螺絲使轉(zhuǎn)盤水平（用水準(zhǔn)儀調(diào)節(jié)水平）。將傳感器管腳指向地理正南，把轉(zhuǎn)盤刻度調(diào)節(jié)到角度。=00。6）重復(fù)步驟3）、4），比較傳感器管腳指向地理正北、正南兩組測(cè)量結(jié)果。7）由磁傾角'=（'1*02“2計(jì)算0值。8）計(jì)算出當(dāng)?shù)氐卮艌?chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度B總?cè)齍總/K=U；U2/2K。9）計(jì)算地磁場(chǎng)的垂直分量B=B總sinP?！緦?shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)】1. 實(shí)驗(yàn)儀器周圍的一定范圍內(nèi)不應(yīng)存在鐵磁金屬物體。測(cè)量地磁

9、場(chǎng)水平分量，須將轉(zhuǎn)盤調(diào)節(jié)至水平；測(cè)地磁場(chǎng)B總和磁傾角P時(shí)，須將轉(zhuǎn)盤面處于地磁子午面方向。2. 測(cè)磁傾角E時(shí)，應(yīng)記錄不同E時(shí)，傳感器輸出電壓U,應(yīng)取10組E值，應(yīng)測(cè)出輸出電壓U總變化很小F的范圍，然后求其平均值。這是因?yàn)闇y(cè)量時(shí)，偏差1',U4=?？?。os1°=0.998U變化很小，偏差4=,U，=U總Cos4”=0.998U總，所以在偏差1'至4圍U總變化極小。實(shí)驗(yàn)時(shí)應(yīng)測(cè)出U變化很小P角的范圍，然后求得平均值B。【實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理】1. 根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求自擬實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1、2各項(xiàng)數(shù)據(jù)記錄表格。2. 利用逐差法計(jì)算出靈敏度K=AU/AB。3. 采用最小二乘法擬合，計(jì)算磁阻傳感器的靈敏

10、度（選做）。4. 由B/三U/K=|UU2/2K。計(jì)算出當(dāng)?shù)氐卮艌?chǎng)水平分量B/。5. 由磁傾角'=（fV，2）/2計(jì)算P值。6.計(jì)算出當(dāng)?shù)氐卮艌?chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度B總?cè)齁；/K=U：-U2/2K。7.計(jì)算地磁場(chǎng)的垂直分量B=B總sinE?！舅伎碱}】1.在測(cè)磁阻傳感器靈敏度時(shí)，為什么要測(cè)正向輸出電壓和反向兩次？2.如果在測(cè)量地磁場(chǎng)時(shí)，在磁阻傳感器周圍較近處，放一個(gè)鐵釘，對(duì)測(cè)量結(jié)果將產(chǎn)生什么影響？3.為何坡莫合金磁阻傳感器遇到較強(qiáng)磁場(chǎng)時(shí)，其靈敏度會(huì)降低？用什么方法來恢復(fù)其原來的靈敏度？附錄1地磁場(chǎng)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)的強(qiáng)度和方向隨地點(diǎn)（甚至隨時(shí)間

11、）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6-8-4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)基本上是均勻的，可用三個(gè)參量來表示地磁場(chǎng)的方向和大小（如圖6-8-5所示）：1）磁偏角«,地球表面任一點(diǎn)的地磁場(chǎng)矢量所在垂直平面（圖6-8-5中B/與Z構(gòu)成的平面，稱地磁子午面），與地理子午面（圖6-8-5中X、Z構(gòu)成的平面）之間的夾角。2）磁傾角P，地磁場(chǎng)矢量B與水平面（即圖6-8-5的矢量B和OX與OY構(gòu)成平面的夾角）之間的夾角。3）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

12、這三個(gè)參量，就可確定某一地點(diǎn)地磁場(chǎng)B矢量的方向和大小。當(dāng)然這三個(gè)圖6-8-5參量的數(shù)值隨時(shí)間不斷地在改變，但這一變化極其緩慢，極為微弱。圖6-8-4圖5附錄2我國(guó)一些城市的地磁參量（地磁要素）地名地理位置磁傾角D（偏西）磁傾角I水平強(qiáng)度B/(10")測(cè)定年份北緯東經(jīng)齊齊哈爾47o22'123o59'7o34'64o27'0.2421916長(zhǎng)春43o51'126o36'7o30'60o20'0.2661916沈陽41o50'123o28'6o49'58o43'0.277北京39o56'

13、;116o20'4o48'57o23'0.2891936天津39o05.9117o11'4o04'56o21'0.2931916太原37o51.9112o33'3o18'55o11'0.3011932濟(jì)南36o39.5117o01'3o36'53o06'0.3081915蘭州36o03.4103o48'1o15'53o24'0.312鄭州34o45'113o43'0o18'50o43'0.3201932西安34o16'108o57

14、9;3o02'50o29'0.3231932南京32o03.8118o48'1o42'46o43'0.3311922上海31o11.5121o26'3o13'45o25'0.333成都30o38'104o03'0o58'45o06'0.346武漢30o37'114o20'2o23'44o34'0.343安慶30o32'117o02'44o27'0.3411911杭州30o16'120008'2059'44005'0.3371917南昌28o42.4115051'1051'41049'0.3491917長(zhǎng)沙28012.8112