大学物理实验讲义实验04 磁阻效应法测量磁场 - 图文

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实验15 磁阻效应法测量磁场

物质在磁场中电阻率发生变化的现象称为磁阻效应，磁阻传感器利用磁阻效应制成。 磁场的测量可利用电磁感应，霍尔效应，磁阻效应等各种效应。其中磁阻效应法发展最快，测量灵敏度最高。磁阻传感器可用于直接测量磁场或磁场变化，如弱磁场测量，地磁场测量，各种导航系统中的罗盘，计算机中的磁盘驱动器，各种磁卡机等等。也可通过磁场变化测量其它物理量，如利用磁阻效应已制成各种位移、角度、转速传感器，各种接近开关，隔离开关，广泛用于汽车，家电及各类需要自动检测与控制的领域。

磁阻元件的发展经历了半导体磁阻（MR），各向异性磁阻（AMR），巨磁阻（GMR），庞磁阻（CMR）等阶段。本实验研究AMR的特性并利用它对磁场进行测量。

【实验目的】

1． 了解AMR的原理并对其特性进行实验研究。 2． 测量赫姆霍兹线圈的磁场分布。 3． 测量地磁场。

【仪器用具】

ZKY-CC各向异性磁阻传感器（AMR）与磁场测量仪

【实验原理】

各向异性磁阻传感器AMR（Anisotropic Magneto-Resistive sensors）由沉积在硅片上的坡莫合金（Ni80 Fe20）薄膜形成电阻。沉积时外加磁场，形成易磁化轴方向。铁磁材料的电阻与电流与磁化方向的夹角有关，电流与磁化方向平行时电阻Rmax最大，电流与磁化方向垂直时电阻Rmin最小，电流与磁化方向成θ角时，电阻可表示为：R?Rmin?(Rmax?Rmin)cos? （1） 在磁阻传感器中，为了消除温度等外界因素对输出的影响，由4个相同的磁阻元件构成惠斯通电桥，结构如图1所示。图1中，易磁化轴方向与电流方向的夹角为45度。理论分析与实践表明，采用45度偏置磁场，当沿与易磁化轴垂直的方向施加外磁场，且外磁场强度不太大时，电桥输出与外加磁场强度成线性关系。

无外加磁场或外加磁场方向与易磁化轴方向平行时，磁化方向即易磁化轴方向，电桥的4个

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桥臂电阻阻值相同，输出为零。当在磁敏感方向施加如图1所示方向的磁场时，合成磁化方向将在易磁化方向的基础上逆时针旋转。结果使左上和右下桥臂电流与磁化方向的夹角增大，电阻减小ΔR；右上与左下桥臂电流与磁化方向的夹角减小，电阻增大ΔR。通过对电桥的分析可知，此时输出电压可表示为：

U?Vb??R/R （2）

式中Vb为电桥工作电压，R为桥臂电阻，ΔR/R为磁阻阻值的相对变化率，与外加磁场

强度成正比，故AMR磁阻传感器输出电压与磁场强度成正比，可利用磁阻传感器测量磁场。

商品磁阻传感器已制成集成电路，除图1所示的电源输入端和信号输出端外，还有复位

图1 磁阻电桥 /反向置位端和补偿端两对功能性输入端口，

以确保磁阻传感器的正常工作。

a 磁干扰使磁畴排列紊乱

复位/反向置位的机理可参见图2。AMR置于超过其线性工作范围的磁场中时，磁干扰可能导致磁畴排列紊乱，改变传感器的输出特性。此时可在复位端输入脉冲电流，通过内部b 复位脉冲使磁畴沿易磁化轴整齐排列 电路沿易磁化轴方向产生强磁场，使磁畴重新整齐排列，恢复传感器的使用特性。若脉冲电流方向相反，则磁畴排列方向反转，传感器的输出极性也将相反。

c 反向置位脉冲使磁畴排列方向反转

从补偿端每输入5mA补偿电流，通过内部

图2 置位/反向置位脉冲的作用 电路将在磁敏感方向产生1高斯的磁场。可用

来补偿传感器的偏离。

图3为AMR的磁电转换特性曲线。其中电桥偏离是在传感器制造过程中，4个桥臂电阻不严格相等带来的，外磁场偏离是测量某种磁场时，外界干扰磁场带来的。不管要补偿哪种偏离，都可调节补偿电流，用人为的磁场偏置使图3中的特性曲线平移，使所测磁场为零时输出电压为零。

【仪器介绍】

实验仪结构如图4所示，核心部分是磁阻传感器，辅以磁阻传感

器的角度、位置调节及读数机构，赫姆霍兹线圈等组成。

本仪器所用磁阻传感器的工作范围为±6高斯，灵敏度为1mV/V/Guass。灵敏度表示，当磁阻电桥的工作电压为1V，被测磁场磁感应强度为1高斯时，输出信号为1mV。

磁阻传感器的输出信号通常须经放大电路放大后，再接显示电路，故由显示电压计算磁场强度时还需考虑放大器的放大倍数。本实验仪电桥工作电压5V，放大器放大倍数50，磁感应强度为1高斯时，对应的输出电压为0.25伏。

赫姆霍兹线圈是由一对彼此平行的共轴圆形线圈组成。两线圈内的电流方向一致，大小相同，线圈之间的距离d正好等于圆形线圈的半径R。这种线圈的特点是能在公共轴线中点附近产生较广泛的均匀磁场，根据毕奥－萨伐尔定律，可以计算出赫姆霍兹线圈公共轴线中

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点的磁感应强度为：

B0?8?0NI? （3） 3/25R式中N为线圈匝数，I为流经线圈的电流强度，R为赫姆霍兹线圈的平均半径，

?0?4??10?7H/m为真空中的磁导率。采用国际单位制时，由上式计算出的磁感应强度

单位为特斯拉（1特斯拉＝10000高斯）。本实验仪N＝310，R＝0.14m，线圈电流为1mA时，

赫姆霍兹线圈中部的磁感应强度为0.02高斯。

磁阻传感器盒 传感器轴向移动锁紧螺钉 赫姆霍兹线圈 传感器横向移动锁紧螺钉 传感器绕轴旋转锁紧螺钉 传感器水平旋转锁紧螺钉 线圈水平旋转锁紧螺钉 信号接口盒 仪器水平调节螺钉 图4 磁场实验仪

电源如图5所示。

恒流源为赫姆霍兹线圈提供电流，电流的大小可以通过旋钮调节，电流值由电流表指示。电流换向按钮可以改变电流的方向。

补偿(OFFSET)电流调节旋钮调节补偿电流的方向和大小。电流切换按钮使电流表显示赫姆霍兹线圈电流或补偿电流。

传感器采集到的信号经放大后，由电压表指示电压值。放大器校正旋钮在标准磁场中校准放大器放大倍数。

复位（R/S）按钮每按下一次，向复位端输入一次复位脉冲电流，仅在需要时使用。

图 5 电源

【实验内容与要求】

测量准备：

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