武漢理工-巨磁阻實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟預(yù)習(xí)材料

巨磁阻實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟預(yù)習(xí)材料[實(shí)驗(yàn)儀器]（1）巨磁電阻效應(yīng)及應(yīng)用實(shí)驗(yàn)儀電流表部分：做為一個(gè)獨(dú)立的電流表使用。具有2mA檔和200mA兩種檔位；電壓表部分：做為一個(gè)獨(dú)立的電壓表使用。具有2V檔和200mV兩種檔位；恒流源部分：可變恒流源。實(shí)驗(yàn)儀還提供巨磁阻傳感器工作所需的4V電源和各組件電路供電所需的±8V電源。（2）基本特性組件由巨磁阻傳感器、螺線管線圈和比較電路組成。用以對(duì)巨磁阻的磁電轉(zhuǎn)換特性和磁阻特性進(jìn)行測(cè)量。（3）電流測(cè)量組件將導(dǎo)線置于巨磁阻傳感器近旁，用巨磁阻傳感器測(cè)量導(dǎo)線通過(guò)不同大小電流時(shí)導(dǎo)線周圍的磁場(chǎng)變化，就可確定電流大小。（4）角位移測(cè)量組件用巨磁阻梯度傳感器作傳感元件，鐵磁性齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，齒牙干擾了梯度傳感器上偏置磁場(chǎng)的分布，每轉(zhuǎn)過(guò)一齒，就輸出類似正弦波一個(gè)周期的波形。（5）磁讀寫組件用于演示磁記錄與讀出的原理。磁卡做記錄介質(zhì)，磁卡通過(guò)寫磁頭時(shí)可寫入數(shù)據(jù)，通過(guò)巨磁阻傳感器將寫入的數(shù)據(jù)讀出來(lái)。[實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟]（結(jié)合實(shí)驗(yàn)報(bào)告冊(cè)相關(guān)數(shù)據(jù)表格）（1）測(cè)巨磁電阻的磁電轉(zhuǎn)換特性（曲線）及其開關(guān)特性A.巨磁電阻的磁電轉(zhuǎn)換特性圖1巨磁阻傳感器磁電轉(zhuǎn)換特性實(shí)驗(yàn)原理圖如圖1所示，巨磁阻傳感器位于螺線管磁場(chǎng)中。實(shí)驗(yàn)步驟：①.功能切換按鈕切換為“傳感器測(cè)量”。實(shí)驗(yàn)儀“電路供電”接口接至基本特性組件對(duì)應(yīng)的“電路供電”插孔，實(shí)驗(yàn)儀的巨磁阻供電4V電壓接至基本特性組件“巨磁電阻供電”，實(shí)驗(yàn)儀的恒流源輸出接至“螺線管電流輸入”，基本特性組件“模擬信號(hào)輸出”接至實(shí)驗(yàn)儀的電壓表；②.按數(shù)據(jù)記錄表的“勵(lì)磁電流”數(shù)據(jù)調(diào)節(jié)恒流源旋鈕，記錄相應(yīng)的電壓表數(shù)據(jù)于表格“磁場(chǎng)矢量減小”列中。先從100mA的數(shù)值開始，逆時(shí)針調(diào)節(jié)恒流源旋鈕，逐漸減小電流（螺線圈磁場(chǎng)），由于恒流源本身不能提供負(fù)向電流，當(dāng)電流減至0后，交換實(shí)驗(yàn)儀恒流源輸出接線的極性，使電流反向，然后順時(shí)針調(diào)節(jié)恒流源旋鈕以增大電流（螺線圈磁場(chǎng)），此時(shí)流經(jīng)螺線管的電流與磁感應(yīng)強(qiáng)度的方向?yàn)樨?fù)；③.按步驟②記錄完數(shù)據(jù)后，接著從100mA（實(shí)際為-100mA）調(diào)節(jié)恒流源，同理步驟②記錄相應(yīng)的電壓表數(shù)據(jù)于表格“磁場(chǎng)矢量增大”列中。注意電流到0時(shí)同樣需要交換恒流輸出接線的極性；④.由表格上方參數(shù)按公式計(jì)算出螺線管內(nèi)的磁感應(yīng)強(qiáng)度B；⑤.以磁感應(yīng)強(qiáng)度B作橫座標(biāo)，所記錄的輸出電壓U為縱座標(biāo)作出磁電轉(zhuǎn)換特性曲線。B.巨磁阻磁電轉(zhuǎn)換開關(guān)特性GMR電橋GMR電橋比較電路輸出圖2巨磁阻開關(guān)傳感器結(jié)構(gòu)圖將巨磁阻傳感器與比較電路、晶體管放大電路集成在一起，即可構(gòu)成巨磁阻開關(guān)（數(shù)字）傳感器，結(jié)構(gòu)如圖2所示。實(shí)驗(yàn)步驟：①.功能切換按鈕為“傳感器測(cè)量”。實(shí)驗(yàn)儀“電路供電”接口接至基本特性組件對(duì)應(yīng)的“電路供電”插孔，實(shí)驗(yàn)儀的巨磁阻供電4V電壓接至基本特性組件“巨磁電阻供電”，實(shí)驗(yàn)儀的恒流源輸出接至“螺線管電流輸入”，基本特性組件“開關(guān)信號(hào)輸出”接至實(shí)驗(yàn)儀的電壓表；②.先記錄“磁場(chǎng)矢量減小”列數(shù)據(jù)。從30mA開始調(diào)節(jié)恒流源電流，逆時(shí)針調(diào)節(jié)恒流源旋鈕，逐漸減小電流（螺線圈磁場(chǎng)），當(dāng)電壓表示數(shù)從1（高電平）轉(zhuǎn)變?yōu)?1（低電平）時(shí)記錄相應(yīng)的臨界電流值，當(dāng)電流減至0后，交換實(shí)驗(yàn)儀恒流源輸出接線的極性，使電流反向，然后順時(shí)針調(diào)節(jié)恒流源旋鈕以增大電流（螺線圈磁場(chǎng)），當(dāng)電壓表示數(shù)從-1（低電平）轉(zhuǎn)變?yōu)?（高電平）時(shí)記錄相應(yīng)的臨界電流值；③.按步驟②記錄完數(shù)據(jù)后，接著從30mA（實(shí)際為-30mA）調(diào)節(jié)恒流源，同理步驟②記錄相應(yīng)的臨界電流值于表格“磁場(chǎng)矢量增大”列中。注意電流到0時(shí)同樣需要交換恒流輸出接線的極性；④.以勵(lì)磁電流I作橫座標(biāo)，電平變化（高或低）為縱座標(biāo)作出磁電轉(zhuǎn)換開關(guān)特性曲線。（2）測(cè)巨磁電阻磁阻特性（曲線）圖3巨磁阻傳感器磁阻特性實(shí)驗(yàn)原理圖如圖3所示，將被磁屏蔽的兩個(gè)電橋電阻R3,R4短路，而R1,R2并聯(lián)。將電流表串連進(jìn)電路中，測(cè)量不同磁場(chǎng)時(shí)回路中電流的大小，就可計(jì)算磁阻。實(shí)驗(yàn)步驟：①.功能切換按鈕切換為“巨磁阻測(cè)量”。將實(shí)驗(yàn)儀電流表串聯(lián)進(jìn)巨磁阻供電電路（實(shí)驗(yàn)儀的巨磁阻供電4V電壓的正極接至基本特性組件“巨磁電阻供電”的正極，“巨磁電阻供電”的負(fù)極接至實(shí)驗(yàn)儀電流表正極，電流表負(fù)極接至實(shí)驗(yàn)儀巨磁阻供電4V電壓的負(fù)極）。實(shí)驗(yàn)儀“電路供電”接口接至基本特性組件對(duì)應(yīng)的“電路供電”插孔，實(shí)驗(yàn)儀的恒流源輸出接至“螺線管電流輸入”；②.按數(shù)據(jù)記錄表的“勵(lì)磁電流”數(shù)據(jù)調(diào)節(jié)恒流源旋鈕，記錄相應(yīng)的電流表數(shù)據(jù)（磁阻電流）于表格“磁場(chǎng)矢量減小”列中。先從100mA的數(shù)值開始，逆時(shí)針調(diào)節(jié)恒流源旋鈕，逐漸減小電流（螺線圈磁場(chǎng)），由于恒流源本身不能提供負(fù)向電流，當(dāng)電流減至0后，交換實(shí)驗(yàn)儀恒流源輸出接線的極性，使電流反向，然后順時(shí)針調(diào)節(jié)恒流源旋鈕以增大電流（螺線圈磁場(chǎng)），此時(shí)流經(jīng)螺線管的電流與磁感應(yīng)強(qiáng)度的方向?yàn)樨?fù)；③.按步驟②記錄完數(shù)據(jù)后，接著從100mA（實(shí)際為-100mA）調(diào)節(jié)恒流源，同理步驟②記錄相應(yīng)的電流表數(shù)據(jù)于表格“磁場(chǎng)矢量增大”列中。注意電流到0時(shí)同樣需要交換恒流輸出接線的極性；④.參照實(shí)驗(yàn)（1）得出磁感應(yīng)強(qiáng)度B，由歐姆定律R=U/I計(jì)算磁阻；⑤.以磁感應(yīng)強(qiáng)度B作橫座標(biāo)，磁阻R為縱座標(biāo)作出磁阻特性曲線。（3）利用巨磁阻傳感器測(cè)量電流（曲線）圖4巨磁阻傳感器測(cè)量電流實(shí)驗(yàn)原理圖通有電流的直導(dǎo)線，與導(dǎo)線距離不變的一點(diǎn)磁感應(yīng)強(qiáng)度與電流成正比，如圖4所示，將巨磁阻傳感器（GMR）靠近導(dǎo)線一側(cè)來(lái)測(cè)量導(dǎo)線電流與傳感器輸出電壓的關(guān)系。在實(shí)際應(yīng)用中，為了使巨磁阻傳感器工作在線性區(qū)，提高測(cè)量精度，還常常預(yù)先給傳感器施加一固定已知磁場(chǎng)，稱為磁偏置，其原理類似于電子電路中的直流偏置。實(shí)驗(yàn)步驟：①.實(shí)驗(yàn)儀巨磁阻供電4V電壓接至電流測(cè)量組件“巨磁電阻供電”，實(shí)驗(yàn)儀恒流源接至電流測(cè)量組件“待測(cè)電流輸入”，電流測(cè)量組件“信號(hào)輸出”接至實(shí)驗(yàn)儀電壓表；②.將恒流源電流調(diào)節(jié)至0。觀察電壓表示數(shù)，調(diào)節(jié)傳感器背后的偏置磁鐵與傳感器的距離，使電壓表示數(shù)為約25mV，然后固定偏置磁鐵；③.將恒流源電流調(diào)到300mA，按數(shù)據(jù)記錄表中“導(dǎo)線電流”數(shù)據(jù)調(diào)節(jié)恒流源旋鈕，記錄相應(yīng)的電壓表數(shù)據(jù)于表格“磁場(chǎng)矢量減小”列中。先從300mA的數(shù)值開始，逆時(shí)針調(diào)節(jié)恒流源旋鈕，逐漸減小導(dǎo)線電流，由于恒流源本身不能提供負(fù)向電流，當(dāng)電流減至0后，交換實(shí)驗(yàn)儀恒流源輸出接線的極性，使電流反向，然后順時(shí)針調(diào)節(jié)恒流源旋鈕以增大導(dǎo)線電流；④.按步驟③記錄完數(shù)據(jù)后，接著從300mA（實(shí)際為-300mA）調(diào)節(jié)恒流源，同理步驟③記錄相應(yīng)的電壓表數(shù)據(jù)于表格“磁場(chǎng)矢量增大”列中。注意電流到0時(shí)同樣需要交換恒流輸出接線的極性；⑤.將恒流源電流再次調(diào)節(jié)至0。觀察電壓表示數(shù)，調(diào)節(jié)傳感器背后的偏置磁鐵與傳感器的距離，使電壓表示數(shù)為約125mV，然后固定偏置磁鐵；⑥.按照步驟③、④測(cè)得相應(yīng)數(shù)據(jù)于表格中；⑦.以導(dǎo)線電流I作橫座標(biāo)，輸出電壓U為縱座標(biāo)作出測(cè)量電流的曲線。（4）測(cè)量巨磁阻梯度傳感器的特性（曲線）將巨磁阻傳感器的電橋的4個(gè)電阻都不加磁屏蔽，即構(gòu)成梯度傳感器。這種傳感器若置于均勻磁場(chǎng)中，由于4個(gè)橋臂電阻阻值變化相同，電橋輸出為零。如果磁場(chǎng)存在一定的梯度，各GMR電阻感受到的磁場(chǎng)不同，磁阻變化不一樣，就會(huì)有信號(hào)輸出。實(shí)驗(yàn)步驟：①.將實(shí)驗(yàn)儀巨磁阻供電4V電壓接至角位移測(cè)量組件“巨磁電阻供電”，角位移測(cè)量組件“信號(hào)輸出”接實(shí)驗(yàn)儀電壓表；②.將齒輪標(biāo)線對(duì)準(zhǔn)刻度盤0刻度線后開始測(cè)量，按照數(shù)據(jù)記錄表“轉(zhuǎn)動(dòng)角度”數(shù)據(jù)逆時(shí)針慢慢轉(zhuǎn)動(dòng)齒輪并記錄相應(yīng)電壓表數(shù)據(jù)于表格中；③.以轉(zhuǎn)動(dòng)角度θ為橫座標(biāo)，輸出電壓U為縱座標(biāo)作出梯度傳感器特性曲線。（5）通過(guò)巨磁阻傳感器了解磁記錄與讀取在當(dāng)今的磁記錄領(lǐng)域，為了提高記錄密度，讀寫磁頭是分離的。寫磁頭是繞線的磁芯，線圈中通過(guò)電流時(shí)產(chǎn)生磁場(chǎng)，在磁性記錄材料上記錄信息。巨磁阻讀磁頭利用磁記錄材料上不同磁場(chǎng)時(shí)電阻的變化讀出信息。實(shí)驗(yàn)步驟：①.實(shí)驗(yàn)儀“電路供電”接口接至基本特性組件對(duì)應(yīng)的“電路供電”插孔，實(shí)驗(yàn)儀巨磁阻供電4V電壓接至磁讀寫組件“巨磁電阻供電”，磁讀寫組件“讀出數(shù)據(jù)”接實(shí)驗(yàn)儀電壓表；②.同時(shí)按下“0/1轉(zhuǎn)換”和“寫確認(rèn)”按鍵約2秒將讀寫組件初始化；③.將自己進(jìn)實(shí)驗(yàn)室后簽到時(shí)姓名前的序號(hào)填入數(shù)據(jù)記錄表第一行，并將其轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制數(shù)后填入第二行；④.將磁卡有區(qū)域編號(hào)的一面朝向自己，沿著箭頭標(biāo)識(shí)的方向插入劃槽，按照表格中“序號(hào)轉(zhuǎn)二進(jìn)制數(shù)”的數(shù)據(jù)，對(duì)