磁阻传感器与地磁场实验仪

实验6—8 用磁阻传感器测量地磁场

地磁场的数值比较小，约10T量级，但在直流磁场测量，特别是弱磁场测量中，往往需要知道其数值，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定地磁场磁感应强度及地磁场磁感应强度的水平分量和垂直分量；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，因而在弱磁场测量方面有广泛应用前景。 【实验目的】

1. 掌握磁阻传感器的特性。 2. 掌握地磁场的测量方法。 【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、镍及其合金等磁性金属，当外加磁场平行于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向异性磁阻效应。

HMC1021Z型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，如图6-8-1所示。薄膜的电阻率?(?)依赖于磁化强度M和电流I方向间的夹角?，具有以下关系式

?5?(?)????(?∥???)cos2? (6-8-1)

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磁阻传感器是一种单边封装的磁场传感器，它能测量与管脚平行方向的磁场。传感器由四条铁镍合金磁电阻组成一个非平衡电桥，非平衡电桥输出部分接集成运算放大器，将信号放大输出。传感器内部结构如图6-8-2所示，图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

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下式表示为

Uout????R???Vb (6-8-2) R??Vb偏置磁场电流Ｍ+△RR铝合金带外加磁场R-△RθＩ外加磁场△R-R–+△RRVout玻莫合金薄膜+ 图6-8-1 磁阻传感器的构造示意图 图6-8-2 磁阻传感器内的惠斯通电桥 对于一定的工作电压，如Vb?6.00V，HMC1021Z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，

Uout?U0?KB (6-8-3)

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量。

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

B??0NI8R53/2?44.96?10?4I (6-8-4)

上式中每个线圈匝数N?500匝；亥姆霍兹线圈的平均半径R?10cm；真空磁导率

?0?4??10?7N/A2；I为线圈流过的电流，单位A（安培）；B为磁感应强度，单位T。

【实验仪器】

FD-HMC-2型磁阻传感器与地磁场实验仪。

实验6—8 用磁阻传感器测量地磁场 251341、恒流源图6-8-3 FD-HMC-2型磁阻传感器与地磁场实验仪 4、亥姆霍磁线圈5、刻度盘2、数字电压表3、HMC1021Z磁阻传感器输入输出引线 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。 【实验内容与步骤】 1．测量磁阻传感器的灵敏度K（用亥姆霍兹线圈产生的磁场作为已知量） 1) 将亥姆霍兹线圈与直流电源连接好。

2) 使磁阻传感器的管脚和磁感应强度的方向平行，即转盘刻度调节到角度??0?。调节底板上螺丝使转盘至水平（用水准仪指示）。

3) 按一下复位键，调节电流到零，电压调零。

4) 依次调节电流到10mA，20mA…60mA，分别记录下正向电压读数U正。 5) 调节电流到零，电流换向，按一下复位键，电压调零，重复步骤4），记录下反向电压读数U反。

6) 平均电压U?U正?U反/2，利用逐差法计算出灵敏度K??U/?B。 2．测量地磁场的水平分量B//，地磁场的磁感应强度B总，地磁场的垂直分量B?和磁倾角?

1) 将亥姆霍兹线圈与直流电源的连线拆去。

2) ，旋转转盘，使转盘至水平分别记下传感器输出的最大电压U1和最小电压U2，计算出当地地磁场的水平分量B//?U///K?U1?U2/2K。

3) 把转盘刻度调节到角度??0?，调节底板使磁阻传感器输出最大电压或最小电压，同时调节底板螺丝使上转盘保持水平。

4) 将转盘垂直，此时转盘面为地磁子午面方向，转动转盘角度，分别记下传感器输出最

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?，并计算大电压和最小电压时转盘指示值?1和?2，同时记录此最大读数U1?和最小读数U2??U2?/2K。 出当地地磁场的磁感应强度B总?U总/K?U15) 磁倾角????1??2?/2或由cos??B///B总得出。 6) 地磁场的垂直分量B??B总sin?。 【实验注意事项及常见故障的排除】

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B总和磁倾角?时，须将转盘面处于地磁子午面方向。

3. 测磁倾角?时，应测出输出电压U总变化很小?的范围，然后求其平均值。这是因为测量时，偏差1?

??U总Cos1?0.998U，U总?变化很小，偏差4?，

???U总Cos4??0.998U总，所以在偏差1?至4?范围U总变化极小。 U总【实验数据处理及分析】

据实验要求自拟数据记录表格。 【思考题】

1. 在测磁阻传感器灵敏度时，为什么要测正向输出电压和反向两次？

2． 如果在测量地磁场时，在磁阻传感器周围较近处，放一个铁钉，对测量结果将产生什么影响？

3． 为何坡莫合金磁阻传感器遇到较强磁场时，其灵敏度会降低？用什么方法来恢复其原来的灵敏度？ 【参考文献】

[1] 贾玉润，王公治，凌偑玲. 大学物理实验[M]. 复旦大学出版社，1987 [2] 沈元华，陆申龙. 基础物理实验[M]. 北京：高等教育出版社，2003

[3] 黄一菲，郑 神，吴 亮等. 玻莫合金磁阻传感器的特性研究和应用[J]. 物理实验，

2002，22(4)：45-48

实验6—8 用磁阻传感器测量地磁场

【附 录】

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6-8-4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6-8-5所示)：

1) 磁偏角?，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6-8-5中X、Z构成的平面)之间的夹角。

??2) 磁倾角?，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B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B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。 地理南极磁北极ＺB⊥磁南极地理北极αXＢ∥ＯβyＢ图6-8-4 图5图6图6-8-5

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