磁阻传感器与地磁场测量报告

磁阻传感器与地磁场测量报告地磁场，作为一种天然磁源，在军事、航空、工业、医学、探矿等科研中有着重要用途。地磁场的数值比较小，约10-5T量级，但在直流磁场测量，特别是弱磁场测量中，往往要知道其数值，并设法消除其影响，地磁场作为一种天然磁源，在军事，工业，医学，探矿等科研中也有着重要用途。本实验采用新型坡莫合金磁阻传感器测量地磁场磁感应强度及地磁场磁感应强度的水平和垂直分量；测量地磁场的磁倾角，从而掌握磁阻传感器的特性及测量地磁场的一种重要方法。由于磁阻传感器体积小，灵敏度高，易安装，因而在弱磁测量方面有广泛应用前景。【实验目的】1.了解磁阻和磁阻传感器的基本原理。2.学习利用磁阻传感器对地磁场的测量。3.掌握利用磁阻传感器测量地磁场实验仪的灵敏度的方法。【实验仪器及用具】测量地磁场装置如图所示。它主要包括底座、转轴，带角刻度的转盘、磁阻传感器的引线、亥姆霍磁线圈、地磁场测定仪控制主机（包括数字式电压表、5V直流源等）仪器面板示意图FD-HMC-2型磁阻传感器与地磁场实验仪1．恒流源；2．数字电压表；3．磁阻传感器输入输出引线；4．亥姆霍兹线圈；5．带角刻度的转盘。【实验原理】物质在磁场中电阻率发生变化的现象称为磁阻效应。对于铁，钴，镍及合金等磁性金属，当外加磁场平行与磁体内部磁化方向时，电阻几乎不随外加磁场变化；当外加磁场偏离金属的内部磁化方向时，此类金属的电阻减小，这就是强磁金属的各相异性磁阻效应。磁阻传感器由长而薄的坡莫合金(铁镍合金)制成一维磁阻微电路集成芯片(二维和三维磁阻传感器可以测量二维或三维磁场)。它利用通常的半导体工艺，将铁镍合金薄膜附着在硅片上薄膜的电阻率ρ(θ)依赖于磁化强度M和电流I方向间的夹角θ，具有以下关系式其中∥分别是电流I平行于M和垂直于M时的电阻率。当沿着铁镍合金带的长度方向通以一定的直流电流，而垂直于电流方向施加一个外界磁场时，合金带自身的阻值会生较大的变化，利用合金带阻值这一变化，可以测量磁场大小和方向。同时制作时还在硅片上设计了两条铝制电流带，一条是置位与复位带，该传感器遇到强磁场感应时，将产生磁畴饱和现象，也可以用来置位或复位极性；另一条是偏置磁场带，用于产生一个偏置磁场，补偿环境磁场中的弱磁场部分(当外加磁场较弱时，磁阻相对变化值与磁感应强度成平方关系)，使磁阻传感器输出显示线性关系。HMC1021Z磁阻传感器内部结构如图2所示。图2中由于适当配置的四个磁电阻电流方向不相同，当存在外界磁场时，引起电阻值变化有增有减。因而输出电压Uout可以用下式表示为对于一定的工作电压，磁阻传感器输出电压Uout与外界磁场的磁感应强度成正比关系上式中，K为传感器的灵敏度，B为待测磁感应强度。U0为外加磁场为零时传感器的输出电压。由于亥姆霍兹线圈的特点是能在其轴线中心点附近产生较宽范围的均匀磁场区，所以常用作弱磁场的标准磁场。亥姆霍兹线圈公共轴线中心点位置的磁感应强度为式中N为单只线圈匝数；I为线圈流过的电流强度；R为亥姆霍兹线圈的平均半径；μ0为真空磁导率；B为磁感应强度，单位T。【实验内容】1测量磁阻传感器的灵敏度K。将赫姆霍兹线圈电流调节至零，将补偿电流调节至零，传感器的磁敏感方向调节至与赫姆霍兹线圈轴线垂直（以便在垂直面内调节磁敏感方向）。使传感器的感应面与亥姆霍磁线圈轴线垂直。用亥姆霍磁线圈产生磁场作为已知量，测量磁阻传感器的灵敏度K。分别取励磁电流为10.0mA、20.0mA、30.0mA、40.0mA、50.0mA、60.0mA，同时分别记录正向输出电压U1和反向输出的电压U2。根据测量的数据,用最小二乘法拟合，求出该磁阻传感器的灵敏度K。2测量地磁场的水平分量。将亥姆霍兹线圈与直流电源的连接线拆去，将磁阻传感器平行固定在转盘上，调整转盘至水平,把转盘刻度调节到θ=0,水平旋转转盘，找到传感器输出电压最大方向，这个方向就是地磁场磁感应强度的水平分量B∥的方向。记录此时传感器输出电压U1后，再反向旋转转盘180°，记录传感器输出最小电压U2，由|U1-U2|/2=KB∥求得当地地磁场水平分量B∥。3、测量磁倾角和地磁场磁感应强度B的测量。(1).调节传感器盒上平面与仪器底板平行，(2).转底座使地磁场测定仪电压读数达最大或最小值，此时转盘面与地磁子午面方向垂直。将带有磁阻传感器的转盘平面调整为铅直，转动调节转盘角度，分别记下传感器输出最大和最小时转盘指示值和水平面之间的夹角β1和β2，同时记录此最大读数U1、U2。由磁倾角β=（β1+β2）/2计算β的值。(3).由|U1-U2|/2=KB，计算地磁场磁感应强度B的值。并计算地磁场的垂直分量β⊥=Bsinβ。【实验注意事项】1.实验仪器周围的一定范围内不应存在铁磁金属物体。2.测量地磁场水平分量，须将转盘调节至水平；测地磁场总B和磁倾角时，须将转盘面处于地磁子午面方向。3.测磁倾角时，应记录不同时，传感器输出电压U，应取10组值，应测出输出电压总U变化很小的范围，然后求其平均值。这是因为测量时，偏差1，UCosUU998.01总总变化很小，偏差4，总总总UCosUU998.04，所以在偏差1至4范围总U变化极小。实验时应测出U变化很小角的范围，然后求得平均值。数据的处理测量磁阻传感器的灵敏度k数据记录励磁电流I/mAU/mv|U|/mv磁感应强度B/10-6T正向U1mv反向U2mv102.42-2.442.4244.97204.84-4.894.8689.92307.19-7.307.25134.88409.57-9.739.63179.855011.89-12.1712.25224.806014.19-14.6014.40269.76附录1地磁场地球本身具有磁性，所以地球和近地空间之间存在着磁场，叫做地磁场。地磁场的强度和方向随地点(甚至随时间)而异。地磁场的北极、南极分别在地理南极、北极附近，彼此并不重合，如图1所示，而且两者间的偏差随时间不断地在缓慢变化。地磁轴与地球自转轴并不重合，有110交角。在一个不太大的范围内，地磁场基本上是均匀的，可用三个参量来表示地磁场的方向和大小(如图2所示)：1)磁偏角α，地球表面任一点的地磁场矢量所在垂直平面(图6-8-5中B//与Z构成的平面，称地磁子午面)，与地理子午面(图2中X、Z构成的平面)之间的夹角。2)磁倾角β，地磁场矢量B→与水平面(即图6-8-5的矢量B和OX与OY构成平面的夹角)之间的夹角。3)水平分量B//，地磁场矢量在水平面上的投影。测量地磁场的这三个参量，就可确定某一地点地磁场矢量的方向和大小。当然这三个参量的数值随时间不断地在改变，但这一变化极其缓慢，极为微弱。附录2我国一些城市的地磁参量(地磁要素)图1图2