磁阻傳感器與地磁場測量

實驗15磁阻傳感器與地磁場測量地球本身具有磁性，所以地球和近地空間之間存在著磁場，叫做地磁場。地磁場的數(shù)值比較小，約105T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、探礦等眾多領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。本實驗采用新型坡莫合金磁阻傳感器測定地磁場磁感應(yīng)強度及地磁場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的應(yīng)用前景。實驗?zāi)康暮蛯W習要求了解什么是磁阻效應(yīng)？磁阻效應(yīng)的物理機制？了解HMC1021Z型磁阻傳感器的結(jié)構(gòu)原理及特性；用磁阻傳感器測定地磁場磁感應(yīng)強度及地磁場的水平分量和地磁傾角。實驗原理地磁場地球磁場跟地球引力場一樣，是一個地球物理場，它是由基本磁場與變化磁場兩部分組成的?；敬艌鍪堑卮艌龅闹饕糠郑鹪从诘厍騼?nèi)部，比較穩(wěn)定，變化非常緩慢。變化磁場包括地磁場的各種短期變化，與電離層的變化和太陽活動等有關(guān)，并且很微弱。地磁場也是一個向量場。描述空間某一點地磁場的強度和方向，需要3個獨立的地磁要素。常用的地磁要素有7個，即地磁場總強度B，水平強度B〃，垂直強度B±，X和Y分別為B〃的北向和東向分量，a和8分別為磁偏角和磁傾角。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，彼此并不重合，如圖15-1.5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11o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空間某一點地磁場的方向和大小（如圖15-1.6所示）:曲曜北艘典南海圖15-1地磁場要素磁偏角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），與地網(wǎng)午面（圖6中X、Z構(gòu)成的平面）之間的隔角。

磁傾角0：地磁場強度矢量B與水平面（即圖6中的O-XY平面）之間的夾角。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微弱。地球磁場不是孤立的，它受到外界擾動的影響，地球磁層是一個頗為復雜的問題，其中的物理機制有待于深入研究。隨著科學技術(shù)的發(fā)展，人類渴望全面認識地球的強烈愿望將逐步成為現(xiàn)實。磁阻效應(yīng)磁阻效應(yīng)是指置于磁場中的某些金屬或半導體的電阻值隨外加磁場變化而變化的現(xiàn)象。同霍爾效應(yīng)一樣，磁阻效應(yīng)也是由于載流子在磁場中受到洛倫茲力而產(chǎn)生的。如圖所示的長方形半導體薄片（N型）處于圖示方向的磁場中，設(shè)CD方向通有直流電流，半導體內(nèi)的載流子將受到洛侖茲力的作用而發(fā)生偏轉(zhuǎn)。在達到穩(wěn)態(tài)時，某一速度的載流子所受到的電場力與洛倫茲力相等，載流子在A、B兩端聚集產(chǎn)生霍爾電場，比該速度慢的載流子將向電場力方向偏轉(zhuǎn)，比該速度快的載流子則向洛倫茲力方向偏轉(zhuǎn)。這種偏轉(zhuǎn)導致載流子的漂移路徑增加?；蛘哒f，沿外加電場方向運動的載流子數(shù)減少，從而使電阻增加，這種現(xiàn)象稱為磁阻效應(yīng)。若外加磁場與外加電場垂直，稱為橫向磁阻效應(yīng)；若外加磁場與外加電場平行，稱為縱向磁阻效應(yīng)。一般情況下，載流子的有效質(zhì)量的馳豫時間與方向無關(guān)，則縱向磁感強度不引起載流子偏移，因而無縱向磁阻效應(yīng)。目前，磁阻效應(yīng)廣泛用于磁傳感、磁力計、電子羅盤、位置和角度傳感器、車輛探測、GPS導航、儀器儀表、磁存儲（磁卡、硬盤）等領(lǐng)域。盡管不同的磁阻裝置有不同的靈敏度，但其電阻的相對變化率△R/R與外磁場的關(guān)系都是相似的，其關(guān)系如圖所示?？梢姶抛栊?yīng)對外磁場的極性不靈敏，即正負磁場的響應(yīng)相同；在外加磁場較小時△R/R與磁場強度的平方成正比，之后有一段線性區(qū)域，但當外加磁場超過特定值時，響應(yīng)趨于飽和。另外△R/R對總磁場的方向很靈敏，總磁場為外磁場與內(nèi)磁場之和，而內(nèi)磁場與磁阻薄膜的性質(zhì)及幾何形狀有關(guān)。對于鐵、鉆、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)。磁阻傳感器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可同時測量二維或三維磁場）。它利用通常的半導體工藝，將鐵鎳合金薄膜附著在硅片上如圖15-1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。，具有以下關(guān)系式P(0P(0)=P+(P〃-p)cos20(15-1)其中P〃、P±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，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(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。傳感器由四條鐵鎳合金磁電阻組成一個非平衡直流電橋，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15-2所示。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U(15-2)外電壓U。相可以用下式表示為竺U(15-2)外電壓U。相可以用下式表示為竺|xUR)b圖15-4磁電阻的構(gòu)造示意圖對于一定的工作電壓，如Ub=5.00V磁場的磁感應(yīng)強度成正比關(guān)系，，圖15-5磁阻傳感器內(nèi)的惠斯通電橋HMC1021Z磁阻傳感器輸出電壓U。成與外界+KB(15-3)u『u+KB(15-3)15-3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。標準磁場為了確定磁阻傳感器的靈敏度，需要有一個標準磁場來定標。由于亥姆霍茲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)，所以常用作弱磁場的標準磁場。亥姆霍茲線圈公共軸線中心點位置的磁感應(yīng)強度由下式給出：(15-4)B1里(15-4)R53/2(15-4)式中N為線圈匝數(shù)，I為線圈流過的電流強度，R為亥姆霍茲線圈的平均半徑，*為真空磁導率。真空磁導率*=4nX10-7N/A2。實驗裝置 °測量地磁場裝置主要包括底座、轉(zhuǎn)軸，帶有角度刻度的轉(zhuǎn)盤、磁阻傳感器及引線、

亥姆霍茲線圈、地磁場測定儀的控制主機（包括數(shù)字式電壓表、5V直流電源等）實驗內(nèi)容測量磁阻傳感器的靈敏度K調(diào)整轉(zhuǎn)盤至水平，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，即把轉(zhuǎn)盤刻度調(diào)節(jié)到角度。=00,使傳感器的感應(yīng)面與亥姆霍茲線圈軸線垂直。接通儀器主機電源，主機恒流源逆時針旋至最小，磁阻傳感器輸出復位、調(diào)零。將亥姆霍茲線圈串聯(lián)連接通入勵磁電圖15-6磁阻傳感器測量地磁場裝置流，用亥姆霍茲線圈產(chǎn)生磁場作為已知量，測量磁阻傳感器的靈敏度K。表15-1中正向輸出電壓u1是指勵磁電流正向輸入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。測正向和反向兩次的目的是消除地磁沿亥姆霍茲線圈軸線方向（水平）分量的影響。改變電流方向時，應(yīng)先調(diào)解電流輸出為零，再改變電流輸入方向 _U=（U-U）/2。做圖進行擬合，根據(jù)U「U；+KB得出該磁阻傳感器的靈敏度K?；蛴糜嬎闫鬟M行最小二乘法擬合，根據(jù)U[=U°+KB得出該磁阻傳感器的靈敏度K。表15-1測量磁阻傳感器的靈敏度K勵磁電流I/mA磁感應(yīng)強度B/10-4TU/mVM"平均正向U/mv反向U/mv10.00 1 220.0030.0040.0050.0060.0070.0080.002.測量地磁場的水平分量B〃將亥姆霍茲線圈與直流電源的連接線拆去；，調(diào)節(jié)底板上螺絲使轉(zhuǎn)盤水平（可用水準器指示）。調(diào)節(jié)角游標對準零刻度線（。=00）），水平轉(zhuǎn)動實驗裝置底盤，找到傳感器輸出電壓最大方向，此時傳感器管腳與地磁場磁感應(yīng)強度水平分量B〃的方向一致。記錄此時傳感器輸出最大電壓U]后，再旋轉(zhuǎn)帶有磁阻傳感器的內(nèi)轉(zhuǎn)盤約1800，找到傳感器輸出電壓最小方向，記錄傳感器輸出最小電壓U2。④由\U-U\/2=KB，求得當?shù)氐卮艌鏊椒至緽。3.測量地磁房的磁感應(yīng)強度B總；地磁場的垂直分量BZ磁傾角B。保持傳感器管腳與地磁場磁感應(yīng)強度的水平分量的方向一致；將帶有磁阻傳感器的轉(zhuǎn)盤平面調(diào)整為鉛直，此時轉(zhuǎn)盤面處于地磁子午面方向，角游標對準零刻度線；轉(zhuǎn)動調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)盤，分力別記下傳感器輸出最大讀數(shù)U1和最小時讀數(shù)U2，同時記錄傳感器輸出最大和最小時轉(zhuǎn)盤角度指示值P1和&2。 1 2C C C、 .一 一'一'.一 一_由磁傾角P=（P1+P2）/2計算P的值。由U1-U2/2=KB，計算地磁場磁感應(yīng)強度B總的值。并計算地磁場的垂直分量B,=B總sinP。*測量磁傾角記錄8時，應(yīng)取多組不同數(shù)據(jù)「求其平均&值。這是因為測量時，若偏差1o，傳感器輸出電壓U總二?？侰os1o=0.9998U總，變化很??；若偏差4o，則U〃總=U總Cos4o=0.998U總。所以在偏差上至4。范圍U總變化極小，實驗時應(yīng)測出U總變化很小時8角的范圍，然后求得平均值武。（請自行設(shè)計數(shù)據(jù)記錄的表格） 總實驗參數(shù)數(shù)據(jù)亥姆霍茲線圈每個線圈匝數(shù)N=500匝，線圈的半徑r=10.00cm，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=出.旦=4脂10-7乂500乂8.I=44.96x10-41r 532 0.100x532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）思考題什么是磁阻效應(yīng)？簡述磁阻效應(yīng)的物理機制？說明HMC1021Z磁阻傳感器的結(jié)構(gòu)特點和輸出特性？磁阻傳感器和霍耳傳感器在工作原理和使用方