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(xué)、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(biāo)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：.實驗轉(zhuǎn)盤經(jīng)過精心設(shè)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(biāo)，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10-710一8T,穩(wěn)定性好。用本 儀器做實驗，便于學(xué)生掌握新型傳感器定標(biāo)

2、，及用磁阻傳感器測量弱磁場的方法，測量 地磁場參量準(zhǔn)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、中專的基礎(chǔ)物理實驗、綜合性設(shè)計性物理實驗及演示實驗。儀器技術(shù)要求1.磁阻傳感器工作電壓6V，靈敏度50V/T2.亥姆霍茲線圈單只線圈匝數(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 0.01mV不確定度小于3%AC 22010V5 .測量地磁場水平分量 不確定度小于3%測量磁傾角儀器的工作電壓儀器外型1、恒流源2、數(shù)字電壓表3、HMC1

3、021Z磁阻傳感器輸入輸出引線4、亥姆霍磁線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(fù)且大學(xué)物理實驗教學(xué)中心提供)簡介地磁場的數(shù)值比較小，約10 -5T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(shè)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(xué)、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(yīng)強度及地磁場磁感應(yīng)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(yīng)用前景。實驗

4、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、鉆、鐐及其合金等磁 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(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(0)依賴于磁化強度M和電 流I方向間的夾角0，具有以下關(guān)系式p(0) = p + (p -p )cos2 0( 1 )其中p、p分別是電流I平

5、行于M和垂直于M時的電阻率。當(dāng)沿著鐵鐐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，補償環(huán)境磁場中的弱磁場部分（當(dāng)外加磁場較弱時，磁阻相對變化值與 磁感應(yīng)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

6、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，將信號放大輸出。傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。圖2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 壓七可以用下式表示為U廣俘卜U 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U b= 5.00V，HMC1021Z磁阻傳感器輸出電壓U，與外(3)界磁場的磁感應(yīng)強度成正比關(guān)系，U = U 0 + KB（3）式中，K為傳感器的靈敏度，B為待測磁感應(yīng)強度。U0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)，所

7、以常用作弱磁場的標(biāo)準(zhǔn)磁場。亥姆霍磁線圈公共軸線中心點位置的磁感應(yīng)強度為（4）b q里R 53/2（4）式中N為線圈匝數(shù)，/為線圈流過的電流強度，R為亥姆霍磁線圈的平均半徑，R 0為真空磁導(dǎo)率。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訖感器站杜肉量心1用雄It楮感罟河星婭場安巍落蚩實驗內(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(yīng)強度方向平行。即傳感器的感應(yīng)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

8、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，這個方向就是地磁場磁感應(yīng)強度的水平分量B的 方向。記錄此時傳感器輸出電壓匕后，再旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)盤，記錄傳感器輸出最小電壓U2，由 U 1 -UJ/2 = KB，求得當(dāng)?shù)氐卮艌鏊椒至緽。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)強度水平 分量B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 一 一 時轉(zhuǎn)盤指示值和水平面之間的夾角七和P 2，同時記錄此最大讀數(shù)U 1和U2。由磁傾角 p= （P1 + p2）/2計算p 的值。 一 4 .由U

9、 1 -U2 /2 = KB，計算地磁場磁感應(yīng)強度B的值。并計算地磁場的垂直分量 B = B sin p。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)胸性。實驗數(shù)據(jù)例亥姆霍茲線圈每個線圈匝數(shù)N = 500匝，線圈的半徑r = 10cm ；真空磁導(dǎo)率日=4兀 X10-7 N / A2。 0亥姆霍茲線圈軸線上中心位置的磁感應(yīng)強度為（二個線圈串聯(lián)）B =虹=8 *10-7 X迎 x I = 44.96 x 10-41R53/20.100 X 53/2式中，B為磁感應(yīng)強度單位T （特斯拉）；I為通過線圈的電流，單位A （安培）。上海復(fù)旦大學(xué)校園內(nèi)，樓外空曠地，測量地

10、磁場參量。a.測量傳感器的靈敏度k表1中，正向輸出電壓U 1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 = （U廣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室外空曠地上測量傳感器靈敏度勵磁電流I / mA磁感應(yīng)強度B/10 -4 TU / mV平均|U /mV正向U 1/mV反向U 2/mV10.00.44961 . 87-1.881.87520.00.89223.75-3.773.76030.01.34885.61-5.655.63040.01.79847.44-7.497.4655

11、0.02.24809.29-9.379.33060.02.697611.12-11.2311.175用Casio - 3600計算器進行最小二乘法擬合，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,靈敏度約50V/T）b.測量地磁場的水平分量b ；地磁場的磁感應(yīng)強度B總；地磁場的垂直分量b，磁 傾角P。方法：將亥姆霍茲線圈與直流電源的連接線拆去。把轉(zhuǎn)盤刻度調(diào)節(jié)到角度9 =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 套的水準(zhǔn)儀調(diào)節(jié)水平)。 . . _

12、一 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/，然一、， . _ _ 后計算地磁場水平分量B = U/K = (U-U )/2K。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(yīng) 強度B總和磁傾角p。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P值的測量p43.043.544.044.545.046.0U 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

13、感應(yīng)強度B/ = 0.341 x 10-4T，地磁場U =20.3mV，計算得地磁場磁感應(yīng)強度B =0.491 x 10-4T，磁傾角p = 46。； 總總地磁場垂直分量磁感應(yīng)強度，B = B總Sinp = 0.491 x 10-4 x Sin460 = 0.345 x 10-4T ,最新上海地區(qū)地磁場水平分量為B =0.331 x 10-4T，磁傾角為T = 46。誤差小于3% o復(fù)旦大學(xué)物理樓三樓311室，測量地磁場參量。表3磁阻傳感器的定標(biāo)勵磁電流I / mA磁感應(yīng)強度B /10 -4 TU / mV平均U / mV正向U J mV反向U 2/mV10.00.44962.25-2.382

14、.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U1 mV0.950.950.950.950.950.95U總=B=0.441 x 10 -4 TU 2/mV-3.41-3.41-3.42-3.41-3.41-3.412.18

15、mVUr .UJ mV0.080.080.080.080.080.08U /=B=0.294 x 10-4 T，.U 2 / mV-2.82-2.82-2.82-2.82-2.82-2.821.45mV測得復(fù)旦大學(xué)物理樓三樓物理實驗室，磁傾角p =47。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(fù)旦大學(xué)物理樓三樓地 磁場水平分量的結(jié)果B廣0.291 x 10-4T T相當(dāng)一致，這間接證明本儀器測量結(jié)果是準(zhǔn)確 的。關(guān)于正切電流計測量地磁場水平分量的實驗方法和測量結(jié)果，請見賈玉潤等主編，大學(xué)物理實驗，復(fù)旦大學(xué)出版社，1987 : 256-258，結(jié)果在258頁例中列出。表5不同位置及不

16、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(fù)旦科技園區(qū)2號樓五樓試制組金屬屏蔽情況水泥地面尢金屬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/0.341x10 -4 T0.294x10 -4 T0.268x10 -4 T磁傾角B46.0。46.0。46.0六.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；測量地磁場和磁傾角P時，須將 總轉(zhuǎn)盤面處于地磁子午面方向。測量磁傾角應(yīng)記錄不同P時，傳感器輸出電壓總，應(yīng)取10組P值，求其平均值。、一 一 7,一 ，一，一 這是因為測量時，偏差1。，U總=U總Cosl。= 0.998

17、U總變化很小，偏差4。，j 一 .一， ， U總=U總Cos4。= 0.998U總,所以在偏差1。至4。范圍U總變化極小，實驗時應(yīng)測出U總變化很小。角的范圍，然后求得平均值（。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？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(fù)其 原來的靈敏度？參考資料.賈玉潤、王公治、凌佩玲主編。大學(xué)物理實驗，上海復(fù)旦大學(xué)，1987 : 492-493.魯紹曾、現(xiàn)代計量學(xué)概論。北京，中國計量出版社，1987 : 492-493

18、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(yīng)用、物理實驗。 第 22 卷第 4 期，2002 , 4 : 45-48. Honeywell公司，固態(tài)傳感器（磁阻傳感器部分）說明書，2001.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(yīng)用M。北京：科學(xué)出版社，1987.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、南極分別在地理南極、北極附近， 彼此并不

19、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a，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，稱地磁子午面），與地理子午面（圖6中X、Z構(gòu)成的平面）之間的夾角。（2）磁傾角p，磁場強度矢量B與水平面（即圖6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。當(dāng)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I水平強B|(10 4 T)測定年份北緯東經(jīng)齊齊哈爾47 22123 59,7 34,64