實驗報告磁阻傳感器和地磁場測量

磁阻傳感器和地磁場的丈量一．實驗?zāi)康恼莆沾抛鑲鞲衅鞯奶卣?。掌握地磁場的丈量方法。二．實驗原理物質(zhì)在磁場中電阻率發(fā)生變化的現(xiàn)象稱為磁阻效應(yīng)。關(guān)于鐵、鈷、鎳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(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能夠丈量二維或三維磁場)。它利用往常的半導(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()依靠于磁化強度M和電流I方向間的夾角，擁有以下關(guān)系式()(∥)cos2此中∥、分別是電流I平行于M和垂直于M時的電阻率。當沿著鐵鎳合金帶的長度方向通以必定的直流電流，而垂直于電流方向施加一個外界磁場時，合金帶自己的阻值會生較大的變化，利用合金帶阻值這一變化，能夠丈量磁場大小和方向。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，該傳感器碰到強磁場感覺時，將產(chǎn)生磁疇飽和現(xiàn)象，也能夠用來置位或復(fù)位極性；另一條是偏置磁場帶，用于產(chǎn)生一個偏置磁場，賠償環(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覺強度成平方關(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，它能丈量與管腳平行方向的磁場。傳感器由四條鐵鎳合金磁電阻構(gòu)成一個非均衡電橋，非均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6-8-2所示，圖中因為適合配置的四個磁電阻電流方向Vb偏置磁場電流-△RR+△Ｍ鋁合金帶外加磁場RRθＩR+R外加磁場△-△RR

不–Vout+玻莫合金薄膜同樣，當存在外界磁場時，惹起電阻值變化有增有減。因此輸出電壓Uout能夠用下式表示為UoutRVbR磁阻傳感器的結(jié)構(gòu)表示圖磁阻傳感器內(nèi)的惠斯通電橋關(guān)于必定的工作電壓，如b6.00Uout與外界磁場的磁VV，HMC1021Z磁阻傳感器輸出電壓感覺強度成正比關(guān)系，UoutU0KB上式中，K為傳感器的敏捷度，B為待測磁感覺強度。U0為外加磁場為零時傳感器的輸出量。因為亥姆霍茲線圈的特色是能在其軸線中心點鄰近產(chǎn)生較寬范圍的均勻磁場區(qū)，因此常用作弱磁場的標準磁場。亥姆霍茲線圈公共軸線中心點地點的磁感覺強度為：B0NI844.96104IR53/2上式中N為線圈匝數(shù)（500匝）；亥姆霍茲線圈的均勻半徑R10cm；真空磁導(dǎo)率4107N/A2。三．實驗步驟、將磁阻傳感器擱置在亥姆霍茲線圈公共軸線中點，并使管腳和磁感覺強度方向平行。即傳感器的感覺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，丈量磁阻傳感器的敏捷度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(可用水平器指示)。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覺強度的水平重量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U1U2/2KB∥，求適合地地磁場水平重量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覺強度水平重量B∥方向擱置，不過方向轉(zhuǎn)900。轉(zhuǎn)動調(diào)理轉(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1和2，同時記錄此最大讀數(shù)U1和U2。由磁傾角(12)/2計算的值。4、由U1U2/2KB，計算地磁場磁感覺強度B的值。并計算地磁場的垂直重量BBsin。四．實驗數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)辦理丈量傳感器敏捷度K勵磁電流I/mA磁感覺強度U/mV均勻/mVB/10-4T12正向U/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有關(guān)系數(shù)為r=丈量磁傾角43434444454546464747U總/mV測得磁傾角為45丈量地磁場B電壓12345均勻結(jié)果U平行U1‘/mV/mV=U2‘/mVU總U/mV1/mV=

=×10-4=×10-4U2/mV由，算得磁傾角為=40五．實驗結(jié)果第一測得了磁阻傳感器敏捷度K=T，有關(guān)系數(shù)為r=，因此最小二乘法擬合獲取了比較理想的結(jié)果。直接測磁傾角測得=45。由，間接測得=40。與參照數(shù)據(jù)44對比，相對偏差分別為1%，與11%，后者偏差較大。測得武漢大學(xué)物理學(xué)院5樓處地磁場水平強度為×10-4T，與參照數(shù)據(jù)×10-4T對比，相對偏差為12%。測