實驗五地磁場測定

1、實驗五地磁場測定?概述地磁場作為一種天然磁源，在軍事、航空、航海、工業(yè)、醫(yī)學、探礦等科研中有著重要用途。本儀器采用新型坡莫合金磁阻傳感器測量地磁場的重要參量，通過實驗可以掌握磁阻傳感器定標以及測量地磁場水平分量和磁傾角的方法，了解測量弱磁場的一種重要手段和實驗方法，本儀器與其他地磁場實驗儀（如正切電流計測地磁場實驗儀）相比具有以下優(yōu)點：1 .實驗轉(zhuǎn)盤經(jīng)過精心設計，可自由轉(zhuǎn)動，方便地調(diào)節(jié)水平和鉛直。內(nèi)轉(zhuǎn)盤相隔180?,具有兩組游標，這樣既提高了測量精度，又消除了偏心差。.新型磁阻傳感器的靈敏度高達50V/T，分辨率可達10?10JT,穩(wěn)定性好。用本儀器做實驗，便于學生掌握新型傳感器定標，及用磁阻

2、傳感器測量弱磁場的方法，測量地磁場參量準確度高；3.本儀器不僅可測地磁場水平分量，而且能測出地磁場的大小與方向，這是正切電流計等地磁場實驗儀所不能達到的。本儀器可用于高校、.儀器技術(shù)要求1. 磁阻傳感器2. 亥姆霍茲線圈中專的基礎(chǔ)物理實驗、綜合性設計性物理實驗及漁示實驗。工作電壓6V,靈敏度50V/T單只線圈匝數(shù)N=500匝，半徑10cm.3.直流恒流源輸出電流0200.0mA連續(xù)可調(diào)4.直流電壓表量程019.99mV,分辨率0.01mV5.測量地磁場水平分量6?測量磁傾角7,儀器的工作電壓三.儀器外型不確定度小于3%不確定度小于3%AC220±IQV41、恒流源2、數(shù)字電壓表3、H

3、MC102磁阻傳感器輸入輸出引線4、亥姆霍磁線圈5、刻度盤FD-HMC-2型磁阻傳感器與地磁場實驗儀（以下實驗講義和實驗結(jié)果由復旦大學物理實驗教學中心提供）一?簡介地磁場的數(shù)值比較小，約10出T量級，但在直流磁場測量，特別是弱磁場測量中，往往需要知道其數(shù)值，并設法消除其影響，地磁場作為一種天然磁源，在軍事、工業(yè)、醫(yī)學、探礦等科研中也有著重要用途。本實驗采用新型坡莫合金磁阻傳感器測量地磁場磁感應強度及地磁場磁感應強度的水平分量和垂直分量；測量地磁場的磁傾角，從而掌握磁阻傳感器的特性及測量地磁場的一種重要方法。由于磁阻傳感器體積小，靈敏度高、易安裝，因而在弱磁場測量方面有廣泛應用前景。二？實驗原理

4、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。對于鐵、鉆、鐐及其合金等磁性金屬，當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，這就是強磁金屬的各向異性磁阻效應。HMC1021Z型磁阻傳感器由長而薄的坡莫合金（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量二維或三維磁場）。它利用通常的半導體工藝，將鐵鐐合金薄膜附著在硅片上，如圖1所示。薄膜的電阻率（日勺依賴于磁化強度M和電流I方向間的夾角具有以下關(guān)系式:十）-）cos（1）其中5、分別是電流I平行于M和垂直于M時的電阻率。當沿著鐵鐐合金帶的長度方向通以一

5、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計了兩條鋁制電流帶，一條是置位與復位帶，該傳感器遇到強磁場感應時，將產(chǎn)生磁疇飽和現(xiàn)象，也可以用來置位或復位極性；另一條是偏置磁場帶，用于產(chǎn)生一個偏置磁場，補償環(huán)境磁場中的弱磁場部分（當外加磁場較弱時，磁阻相對變化值與磁感應強度成平方關(guān)系），使磁阻傳感器輸出顯示線性關(guān)系。HMC1021Z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。傳感器由四條鐵鐐合金磁電阻組成一個非平衡電橋，非平衡電橋輸出部分接集成運算放大器，將信號放大輸

6、出。傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。圖2中由于適當配置的四個磁電阻電流方向不相同，當存在外界磁場時，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Uout=Ub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Ub=5.00V,HMC1021Z磁阻傳感器輸出電壓U與外界磁場的磁感應強度成正比關(guān)系,Uout二U0KB(3)(3) 式中，K為傳感器的靈敏度，B為待測磁感應強度。Uo為外加磁場為零時傳感器的輸出量。由于亥姆霍磁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)，(4) 所以常用作弱磁場的標準磁場。亥姆霍磁線圈公共軸線中心點位置的磁感應強度為3/

7、2(45式中N為線圈匝數(shù)，I為線圈流過的電流強度，R為亥姆霍磁線圈的平均半徑機真空磁導率。四？實驗裝置測量地磁場裝置如圖3所示。它主要包括底座、轉(zhuǎn)軸，帶角刻度的轉(zhuǎn)盤、磁阻傳感炳基測量如實英雯器的引線、亥姆霍磁線圈、地磁場測定儀控制主機(包括數(shù)字式電壓表、5V直流電源等)5韓筆理特性測董科五?實驗內(nèi)容基本實驗內(nèi)容1 ?將磁阻傳感器放置在亥姆霍茲線圈公共軸線中點，并使管腳和磁感應強度方向平行。即傳感器的感應面與亥姆霍磁線圈軸線垂直。用亥姆霍磁線圈產(chǎn)生磁場作為已知量，測量磁阻傳感器的靈敏度Ko?將磁阻傳感器平行固定在轉(zhuǎn)盤上，調(diào)整轉(zhuǎn)盤至水平（可用水準器指示）。水平旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)盤，找到傳感器輸出電壓最大方向，

8、這個方向就是地磁場磁感應強度的水平分量B，的方向。記錄此時傳感器輸出電壓U1后，再旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)盤，記錄傳感器輸出最小電壓U2,由Ui-U2/2=KB/,求得當?shù)氐卮艌鏊椒至緽/。?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強度水平分量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轉(zhuǎn)盤指示值和水平面之間的夾角S和同時記錄此最大讀數(shù)Ui和U2。由磁傾角匕-（:2）/2計算1的值。?由U/-U/AKB，計算地磁場磁感應強度B的值。并計算地磁場的垂直分量B二Bsin:本實驗須注意：實驗儀器周圍的一定范圍內(nèi)不應存在鐵磁金屬物體，以保證測量結(jié)果的準確性。亥姆霍茲線

9、圈每個線圈匝數(shù)N=500匝，線圈的半徑r=10cm；真空磁導率J=4二10aN/A2o亥姆霍茲線圈軸線上中心位置的磁感應強度為（二個線圈串聯(lián)）3/2R5=44.9610*18%NI84一10J5003/20.1005式中，B為磁感應強度單位T（特斯拉）；I為通過線圈的電流，單位A（安培）1. 上海復旦大學校園內(nèi)，樓外空曠地，測量地磁場參量。a.測量傳感器的靈敏度K表1中，正向輸出電壓Ui是指勵磁電流為正方向時測得的磁阻傳感器產(chǎn)生的輸出電壓，而反向U2是指勵磁電流為反向時，傳感器輸出電壓，U=（Ui-U2）/2。測正向和反向兩次，目的是消除地磁沿亥姆霍茲線圈方向（水平）分量的影響。表1室外空曠地

10、上測量傳感器靈敏度勵磁電流I/mA磁感應強度B/10ATU/mV平均|U/mV正向U1/mV反向U2/mV10.00.44961.87-1.881.87520.00.89223.75-3.773.76030.01.34885.61-5.655.63040.01.79847.44-7.497.46550.02.24809.29-9.379.33060.02.697611.12-11.2311.175用Casio-3600計算器進行最小二乘法擬企，得到該磁阻傳感器的靈敏度K-41.28V/T，相關(guān)系數(shù)為0.99998。（傳感器工作電壓取5V,靈敏度K=41V/T,現(xiàn)產(chǎn)品傳感器采用工作電壓為6V,靈

11、敏度約50V/T）b.測量地磁場的水平分量B/;地磁場的磁感應強度B總；地磁場的垂直分量B_,磁傾角1。方法：(1) 將亥姆霍茲線圈與直流電源的連接線拆去。(2) 把轉(zhuǎn)盤刻度調(diào)節(jié)到角度二-0:0調(diào)節(jié)底板使磁阻傳感器輸出最大電壓，同時調(diào)節(jié)底板上螺絲使轉(zhuǎn)盤水平(用儀器配(3) 套的水準儀調(diào)節(jié)水平)0測地磁場水平分量：測量輸出電壓U和反向轉(zhuǎn)180,，測地磁場水平分量U，然后計算地磁場水平分量B二U/K=(U-U)/2Ko(4) 將轉(zhuǎn)盤垂直，此時轉(zhuǎn)盤面為地磁子午面方向，轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)盤角度，測量地磁場的磁感應強度Bs和磁傾角1°測量磁傾角時須改變角度，求多次測量的平均值。表2磁傾角1值的測量P43.

12、043.544.044.545.046.0U總/mV2.022.032.032.032.032.03P47.047.548.048.549.0U總/mV2.032.032.032.032.02直接測量地磁場水平分量，U/-14.1mV,計算得地磁場水平分量磁感應強度B=0.34110"T,地磁場廳總=20.3mV，計算得地磁場磁感應強度B=0.49110-4T,磁傾角-46地磁場垂直分量磁感應強度，三二B總Sin-=0.49110ASin46=0.34510,T,最新上海地區(qū)地磁場水平分量為B=0.33110'丁磁傾角為=46'誤差小于3%°2. 復旦大學物

13、理樓三樓311室，測量地磁場參量。表3磁阻傳感器的定標勵磁電流I/mA磁感應強度_4B/10TU/mV平均U/mV正向Ui/mV反向U2/mV10.00.44962.25-2.382.31520.00.89224.52-4.484.50030.01.34886.83-6.776.80040.01.79849.06-8.989.02050.02.248011.30-11.1311.21560.02.697613.52-13.2813.400用Casio-3600計算器對V-B直線擬合得：K=49.37V/T，相關(guān)系數(shù)為0.99998表4地磁場測量結(jié)果、電壓序號、12345平均結(jié)果U總U,/mV0

14、.950.950.950.950.950.95U總卜2.18mVB=0.441"0*TU2/mV-3.41-3.41-3.42-3.41-3.41-3.41UU:/mV0.080.080.080.080.080.08U/卜B=0.294"0,TFU2/mV-2.82-2.82-2.82-2.82-2.82-2.821.45mV測得復旦大學物理樓三樓物理實驗室，磁傾角1二47匚用本儀器測量地磁場水平分量與1985年用正切電流計測量復旦大學物理樓三樓地磁場水平分量的結(jié)果B=0.29110-TT相當一致，這間接證明本儀器測量結(jié)果是準確關(guān)于正切電流計測量地磁場水平分量的實驗方法和測

15、量結(jié)果，請見賈玉潤等主編大學物理實驗，復旦大學出版社，1987:256-258,結(jié)果在258頁例沖列出。表5不同位置及不同結(jié)構(gòu)大樓地磁場水平分量測量結(jié)果測量位置校園內(nèi)操場空地物理樓三樓復旦科技園區(qū)2號樓五樓試制組金屬屏蔽情況水泥地面無金屬1959年建造地頂為鋼筋水泥，墻為泥磚2000年建造全鋼筋水泥結(jié)構(gòu)測得地磁場水平分量B/0.341X10AT0.294X10AT0.268X0>T磁傾角B46.0“46.0°o46.0六.實驗注意事項1?測量地磁場水平分量，須將轉(zhuǎn)盤調(diào)節(jié)至水平；測量地磁場U總和磁傾角1時，須將轉(zhuǎn)盤面處于地磁子午面方向。2.測量磁傾角應記錄不同1時，傳感器輸出電壓

16、U總，應取10組值，求其平均值。這是因為測量時，偏差V,U總二U總Cos1?=0.998U總變化很小，偏差4-,U總=U總Cos4*0.998U總，所以在偏差1汪4范圍U總變化極小，實驗時應測出U總變化很小角的范圍，然后求得平均值。七.思考題1. 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和區(qū)別？2. 如果在測量地磁場時，在磁阻傳感器周圍較近處，放一個鐵釘，對測量結(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磁場時，其靈敏度會降低？用什么方法來恢復其原來的靈敏度？2. 八.參考資料1.賈玉潤、王公治、凌佩玲主編。大學物理實驗，上海復旦大學，1987:492-493魯紹曾

17、、現(xiàn)代計量學概論。北京，中國計量出版社，1987:492-493黃一菲、鄭神、吳亮、陸申龍，玻莫合金磁阻傳感器的特性研究和應用、物理實驗。6. 第22卷第4期，2002,4:45-48Honeywell公司，固態(tài)傳感器（磁阻傳感器部分）說明書，20015.沈元華、陸申龍主編，基礎(chǔ)物理實驗，北京：高等教育出版社，2003黃德星。磁敏感器件及其應用M。北京：科學出版社，19877. 里夫、王秀琴等編著，常用物理常數(shù)手冊、云南人民出版社、1983、10:157-158附錄1:地磁場地球本身具有磁性，所以地球和近地空間之間存在著磁場，叫做地磁場。地磁場的強度和方向隨地點（甚至隨時間）而異。地磁場的北極

18、、南極分別在地理南極、北極附近，彼此并不重合，如圖5所示，而且兩者間的偏差隨時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。在一個不太大的范圍內(nèi)，地磁場基本上是均勻的，可用三個參量來表示地磁場的方向和大?。ㄈ鐖D6所示）：（1）磁偏角：？，地球表面任一點的地磁場矢量所在垂直平面（圖6中B與Z構(gòu)成的平面，稱地磁子牛面），與地理子午面（圖6中X、Z構(gòu)成的平面）之間的夾角。磁南極地理北極圖5磁傾角1，磁場強度矢量B與水平面（即圖6的矢量B和OX與0Y構(gòu)成平面的夾角。角）之間的夾（3）水平分量B，地磁場矢量B在水平面上的投影測量地磁場的這三個參量，就可確定某一地點地磁場B矢量的方向和大小

19、。當然這三個參量的數(shù)值隨時間不斷地在改變，但這一變化極其緩慢，極為微弱附錄2:我國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1水平強B/(10AT)測定年份北緯東經(jīng)齊齊哈爾47022'123o59'7o34'64o27'0.2421916長春43051'126o36'7o30'60o20'0.2661916沈陽41o50z123o28'6o49'58o43'0.277北京39o56'116o20'4o48'57o23'0.2891936天津39005.9

20、117o11'4o04'56o21'0.2931916太原37o51.9112o33'3o18'55o11'0.3011932濟南36o39.5117o01'3o36'53o06'0.3081915蘭州36003.4103o48'1o15'53o24'0.312鄭州34o45'113o43'0o18'50o43'0.3201932西安34o16'108o57'3o02'50o29'0.3231932南京32o03.8118o48'1o42'46o43'0.3311922上海31o11.5121o26'3o13'4