实验32 用磁阻传感器测量地磁场.doc

实验32用磁阻传感器测量地磁场
地磁场的数值较小约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磁感应强度的水平分量和垂直分量；测量地磁场的磁倾角。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．了解磁阻传感器的特性；
2．掌握测量地磁场的一种重要方法。
[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型磁阻传感器是由长而薄的坡莫合金(铁镍合金)制成的一维磁阻微电路集成芯片，其坡莫合金膜，如图1所示，该薄膜的电阻率()依赖于磁化强度M和电流I方向的夹角，具有以下关系式

图1磁阻传感器的构造示意图

(1)
其中分别是电流I平行于M和垂直于M时的电阻率。当沿着坡莫合金膜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，坡莫合金膜的电阻值会发生较大的变化，利用这一变化，可以测量磁场的大小和方向。
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构成一个非平衡直流电桥(关于直流电桥，请阅实验)，非平衡电桥输出部分接集成运算放大器，将信号放大输出，如图5-50所示。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：
(2)
式中Ub是电桥的工作电压，R/R是外磁场引起的磁电阻阻值的相对变化。

图2磁阻传感器内的惠斯通电桥

对于一定的工作电压如Ub=5.00V，HMC1021Z磁阻传感器输出电压U与外界磁场的磁感应强度成线性关系，即
(3)
(3)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。
为了确定磁阻传感器的灵敏度，需要有一个标准磁场来定标。为此，可采用亥姆霍兹线圈(详见实验)。亥姆霍兹线圈公共轴线中心点位置的磁感应强度B由下式给出：
(4)
(4)式中N为线圈匝数，I为线圈流过的电流强度，R为亥姆霍兹线圈的平均半径，0为真空磁导率。
[实验装置]

图3传感器特性测量装置图4用磁阻传感器测量地磁场实验装置
测量地磁场装置如图3和图4所示。它主要包括底座、转轴，带量角器的转盘、磁阻传感器及引线、亥姆霍兹线圈及电源、地磁场测量仪(包括数字电压表、5V直流电源及用于复位的电脉源)等。
[实验内容]
一、必做部分
1．将磁阻传感器放置在亥姆霍兹线圈公共轴线中点，并使管脚和轴线平行。用亥姆霍兹线圈产生的磁场作为已知量，确定磁阻传感器的灵敏度K。
2．将磁阻传感器平行固定在如图4所示的转盘上，调整转盘至水平(可用水准器指示)。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，再旋转转盘，记录传感器输出最小的电压U2。由|U1-U2|/2=KB//，求得当地地磁场水平分量B//。
3．将带有磁阻传感器的转盘平面调整为铅直，并使装置边缘L沿着地磁磁感应强度水平分量B//方向放置，只是方向转90(怎样调节可以达到此要求？)。夹角1和2，同时记录此最大读数和。由磁倾角计算值。
4．由，计算地磁场磁感应强度B的值。并计算地磁场的垂直分量。
本实验须注意：
(1)实验仪器周围的一定范围内不应存在铁磁金属物体，以保证测量结果的准确性。
(2)本磁阻传感器遇强磁场时，会产生磁畴饱和现象，使灵敏度降低。这时应按“复位”按钮，可使它恢复到原灵敏度。
二、选做内容：
用HMC1021Z型磁阻传感器测量通电单线圈产生的磁场分布，并与理论值进行比较。
[思考题]
1．磁阻传感器和霍耳传感器在工作原理和使用方法方面各有什么特点和区别？
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？用什么方法可恢复其原来的灵敏度？