磁阻傳感器與地磁場測量課件

磁阻傳感器與地磁場測量劉金環(huán)磁阻傳感器與地磁場測量劉金環(huán)1實驗介紹地球本身具有磁性，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)、探礦等眾多領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。實驗介紹地球本身具有磁性，所以地球和近地空間之間存在著磁場，2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。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3預(yù)習(xí)要點1.什么是磁阻效應(yīng)？2.磁阻傳感器的結(jié)構(gòu)原理及輸出特性？3.了解地磁場的知識？4.如何用亥姆霍茲線圈其軸線中心點附近產(chǎn)生的均勻磁場作弱磁場的標(biāo)準(zhǔn)磁場，給磁阻傳感器定標(biāo)？預(yù)習(xí)要點1.什么是磁阻效應(yīng)？4一、實驗?zāi)康暮蛯W(xué)習(xí)要求1.了解什么是磁阻效應(yīng)？磁阻效應(yīng)的物理機制？2.了解HMC1021Z型磁阻傳感器的結(jié)構(gòu)原理及特性；3.用磁阻傳感器測地磁場磁感應(yīng)強度及地磁場的水平分量和地磁傾角。一、實驗?zāi)康暮蛯W(xué)習(xí)要求1.了解什么是磁阻效應(yīng)？磁阻效應(yīng)的物5二、實驗原理1.地磁場地磁場是一個向量場。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，α和β分別為磁偏角和磁傾角。xBB∥B⊥yzβα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。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。二、實驗原理1.地磁場xBB∥B⊥yzβα描述空6磁偏角α：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)之間的隔角。水平分量B∥：地磁場矢量B在水平面上的投影。磁傾角β：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。xBB∥B⊥yzβα磁偏角α：地球表面任一點的地磁場矢量所在垂直平面(圖6中B72.磁阻效應(yīng)磁阻效應(yīng)是指某些置于磁場中的金屬或半導(dǎo)體的電阻值隨外加磁場變化而變化的現(xiàn)象。許多金屬、合金及金屬化合物材料處于磁場中時，傳導(dǎo)電子受到強烈磁散射，使電阻顯著增大，這種現(xiàn)象稱磁阻效應(yīng)。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。2.磁阻效應(yīng)磁阻效應(yīng)是指某些置于磁場中的金屬或半導(dǎo)體的電阻值8如圖所示的長方形半導(dǎo)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(dǎo)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A、B兩端產(chǎn)生電荷積聚，因而產(chǎn)生霍爾電場。如果霍爾電場作用和某一速度的載流子的洛侖茲力作用剛好抵消，那么小于或等于該速度的載流子將發(fā)生偏轉(zhuǎn)，因而沿外加電場方向運動的載流子數(shù)目將減少，使CD方向的電阻增大，表現(xiàn)橫向磁阻效應(yīng)。如圖所示的長方形半導(dǎo)體薄片（N型）處于圖示方向的磁場9如果將A、B端短接，霍爾電場將不存在，所有電子將向A端偏轉(zhuǎn)，使電阻變得更大，因而磁阻效應(yīng)加強。所以，可以看出，霍耳效應(yīng)比較明顯的樣品，磁阻效應(yīng)就??；反之，霍耳效應(yīng)比較小的樣品，磁阻效應(yīng)就大。

通常以電阻率的相對改變量來表示磁阻

式中ρ0和ρB分別為無磁場和有磁場時的電阻率。如果將A、B端短接，霍爾電場將不存在，所有電子將10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，因而縱向磁阻效應(yīng)不明顯。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(dǎo)航、儀器儀表、磁存儲(磁卡、硬盤)等領(lǐng)域。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11不同的磁阻裝置有不同的靈敏度，其電阻的相對變化率△R/R與外磁場的關(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(dāng)外加磁場超過特定值時，響應(yīng)趨于飽和。

不同的磁阻裝置有不同的靈敏度，其電阻的相對變化率△R123.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。它利用通常的半導(dǎo)體工藝，將鐵鎳合金薄膜附著在硅片上如圖所示。3.磁阻傳感器HMC1021Z型磁阻傳感器由長而薄的坡莫合金13其中、分別是電流平行于M和垂直于M時的電阻率。當(dāng)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。薄膜的電阻率依賴于磁化強度M和電流I方向間的夾角θ，具有以下關(guān)系式其中、分別是電流平行于M和垂直于M時的電阻率。當(dāng)沿14※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)如圖所示。

※HMC1021Z磁阻傳感器是一種單邊封裝的磁場傳感器，它15

對于一定的工作電壓，如U=5.00V，HMC1021Z磁阻傳感器輸出電壓與外界磁場的磁感應(yīng)強度成正比關(guān)系。式中，K為傳感器的靈敏度，B為外界磁場的磁感應(yīng)強度，U0為外加磁場為零時傳感器的輸出量。用一個標(biāo)準(zhǔn)磁場對傳感器進行定標(biāo)，獲得輸出靈敏度K后，即可通過傳感器的輸出測量磁場強度。對于一定的工作電壓，如U=5.00V，H164.標(biāo)準(zhǔn)磁場

※為了確定磁阻傳感器的靈敏度，需要有一個標(biāo)準(zhǔn)磁場來定標(biāo)。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(biāo)準(zhǔn)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：

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，μ0為真空磁導(dǎo)率。真空磁導(dǎo)率μ0

=4π×10-7N/A24.標(biāo)準(zhǔn)磁場※為了確定磁阻傳感器的靈敏度，需要有一17

三、實驗內(nèi)容1.測量磁阻傳感器的靈敏度K用亥姆霍茲線圈軸線中心點附近產(chǎn)生的均勻磁場作為標(biāo)準(zhǔn)磁場給磁阻傳感器定標(biāo)，獲得磁阻傳感器的靈敏度K。三、實驗內(nèi)容1.測量磁阻傳感器的靈敏度K18將帶有磁阻傳感器的轉(zhuǎn)盤水平放置，調(diào)節(jié)底板上螺絲使轉(zhuǎn)盤水平(可用水準(zhǔn)器指示)，把轉(zhuǎn)盤刻度調(diào)節(jié)到角度θ=0o；儀器主機恒流源逆時針旋至最小，亥姆霍茲線圈串聯(lián)接入勵磁電流，磁阻傳感器輸出復(fù)位、調(diào)零。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。將帶有磁阻傳感器的轉(zhuǎn)盤水平放置，調(diào)節(jié)底板上螺絲使轉(zhuǎn)盤水19

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/mV平均正向U1/mv反向U2/mv10.00

20.00

30.00

40.00

50.00

60.00

測量磁阻傳感器的靈敏度K平均

202.測量地磁場的水平分量B∥①保持磁阻傳感器的轉(zhuǎn)盤水平放置，拆去電流輸入線；②水平轉(zhuǎn)動帶有磁阻傳感器的轉(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)強度水平分量的方向；記錄此時傳感器輸出最大電壓U1后，再旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)盤，記錄傳感器輸出最小電壓U2，求得當(dāng)?shù)氐卮艌鏊椒至俊?.測量地磁場的水平分量B∥213.測量地磁場的磁感應(yīng)強度B，地磁場的垂直分量B⊥及磁傾角β調(diào)節(jié)角游標(biāo)對準(zhǔn)零刻度線，水平轉(zhuǎn)動實驗裝置的底盤，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)強度的水平分量的方向；將轉(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(biāo)對準(zhǔn)零刻度線；轉(zhuǎn)動調(diào)節(jié)內(nèi)轉(zhuǎn)盤，分別記錄傳感器輸出最大值U1’和最小值U2’，同時記下傳感器輸出最大和最小時轉(zhuǎn)盤角度指示值β1和β2。3.測量地磁場的磁感應(yīng)強度B，地磁場的垂直分量B⊥及磁傾角β22

※

測量磁傾角記錄β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，傳感器輸出電壓變化很??；

U總’=U總Cos1o=0.9998U總?cè)羝?o，則U總“=U總Cos4o=0.998U總所以在偏差1o至4o范圍內(nèi)，U總變化極小。實驗時應(yīng)測出U總變化很小時β角的范圍，然后求得平均值。

※測量磁傾角記錄β時，應(yīng)取多組不同數(shù)據(jù)，求其平均值。這是23由β=(β1+β2)/2計算磁傾角的值。由計算地磁場磁感應(yīng)強度B的值。由計算地磁場的垂直分量。由β=(β1+β2)/2計算磁傾角的值。24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