實(shí)驗(yàn)五 地磁場(chǎng)測(cè)定

1、實(shí)驗(yàn)五 地磁場(chǎng)測(cè)定一概述地磁場(chǎng)作為一種天然磁源，在軍事、航空、航海、工業(yè)、醫(yī)學(xué)、探礦等科研中有著重要用途。本儀器采用新型坡莫合金磁阻傳感器測(cè)量地磁場(chǎng)的重要參量，通過(guò)實(shí)驗(yàn)可以掌握磁阻傳感器定標(biāo)以及測(cè)量地磁場(chǎng)水平分量和磁傾角的方法，了解測(cè)量弱磁場(chǎng)的一種重要手段和實(shí)驗(yàn)方法，本儀器與其他地磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)儀(如正切電流計(jì)測(cè)地磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)儀)相比具有以下優(yōu)點(diǎn)：1實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)盤經(jīng)過(guò)精心設(shè)計(jì)，可自由轉(zhuǎn)動(dòng)，方便地調(diào)節(jié)水平和鉛直。內(nèi)轉(zhuǎn)盤相隔，具有兩組游標(biāo)，這樣既提高了測(cè)量精度，又消除了偏心差。 2新型磁阻傳感器的靈敏度高達(dá)50V/T，分辨率可達(dá)T，穩(wěn)定性好。用本儀器做實(shí)驗(yàn)，便于學(xué)生掌握新型傳感器定標(biāo)，及用磁阻傳感器測(cè)量弱磁場(chǎng)的方

2、法，測(cè)量地磁場(chǎng)參量準(zhǔn)確度高；3本儀器不僅可測(cè)地磁場(chǎng)水平分量，而且能測(cè)出地磁場(chǎng)的大小與方向，這是正切電流計(jì)等地磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)儀所不能達(dá)到的。本儀器可用于高校、中專的基礎(chǔ)物理實(shí)驗(yàn)、綜合性設(shè)計(jì)性物理實(shí)驗(yàn)及演示實(shí)驗(yàn)。二儀器技術(shù)要求1磁阻傳感器 工作電壓 6V，靈敏度50V/T2亥姆霍茲線圈 單只線圈匝數(shù)N=500匝，半徑10cm.3直流恒流源 輸出電流0200.0mA 連續(xù)可調(diào)4直流電壓表 量程019.99mV，分辨率0.01mV5測(cè)量地磁場(chǎng)水平分量 不確定度小于3%6測(cè)量磁傾角 不確定度小于3%7儀器的工作電壓 AC 220±10V三儀器外型FD-HMC-2型 磁阻傳感器與地磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)儀(以下實(shí)驗(yàn)

3、講義和實(shí)驗(yàn)結(jié)果由復(fù)旦大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心提供)一簡(jiǎn)介地磁場(chǎng)的數(shù)值比較小，約T量級(jí)，但在直流磁場(chǎng)測(cè)量，特別是弱磁場(chǎng)測(cè)量中，往往需要知道其數(shù)值，并設(shè)法消除其影響，地磁場(chǎng)作為一種天然磁源，在軍事、工業(yè)、醫(yī)學(xué)、探礦等科研中也有著重要用途。本實(shí)驗(yàn)采用新型坡莫合金磁阻傳感器測(cè)量地磁場(chǎng)磁感應(yīng)強(qiáng)度及地磁場(chǎng)磁感應(yīng)強(qiáng)度的水平分量和垂直分量；測(cè)量地磁場(chǎng)的磁傾角，從而掌握磁阻傳感器的特性及測(cè)量地磁場(chǎng)的一種重要方法。由于磁阻傳感器體積小，靈敏度高、易安裝，因而在弱磁場(chǎng)測(cè)量方面有廣泛應(yīng)用前景。二實(shí)驗(yàn)原理 物質(zhì)在磁場(chǎng)中電阻率發(fā)生變化的現(xiàn)象稱為磁阻效應(yīng)。對(duì)于鐵、鈷、鎳及其合金等磁性金屬，當(dāng)外加磁場(chǎng)平行于磁體內(nèi)部磁化方向時(shí)，電

4、阻幾乎不隨外加磁場(chǎng)變化；當(dāng)外加磁場(chǎng)偏離金屬的內(nèi)部磁化方向時(shí)，此類金屬的電阻減小，這就是強(qiáng)磁金屬的各向異性磁阻效應(yīng)。 HMC1021Z型磁阻傳感器由長(zhǎng)而薄的坡莫合金(鐵鎳合金)制成一維磁阻微電路集成芯片(二維和三維磁阻傳感器可以測(cè)量二維或三維磁場(chǎng))。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1所示。薄膜的電阻率依賴于磁化強(qiáng)度和電流方向間的夾角，具有以下關(guān)系式 （1） 其中、分別是電流平行于和垂直于時(shí)的電阻率。當(dāng)沿著鐵鎳合金帶的長(zhǎng)度方向通以一定的直流電流，而垂直于電流方向施加一個(gè)外界磁場(chǎng)時(shí)，合金帶自身的阻值會(huì)生較大的變化，利用合金帶阻值這一變化，可以測(cè)量磁場(chǎng)大小和方向。同時(shí)制作時(shí)還在

5、硅片上設(shè)計(jì)了兩條鋁制電流帶，一條是置位與復(fù)位帶，該傳感器遇到強(qiáng)磁場(chǎng)感應(yīng)時(shí)，將產(chǎn)生磁疇飽和現(xiàn)象，也可以用來(lái)置位或復(fù)位極性；另一條是偏置磁場(chǎng)帶，用于產(chǎn)生一個(gè)偏置磁場(chǎng)，補(bǔ)償環(huán)境磁場(chǎng)中的弱磁場(chǎng)部分(當(dāng)外加磁場(chǎng)較弱時(shí)，磁阻相對(duì)變化值與磁感應(yīng)強(qiáng)度成平方關(guān)系)，使磁阻傳感器輸出顯示線性關(guān)系。 HMC1021Z磁阻傳感器是一種單邊封裝的磁場(chǎng)傳感器，它能測(cè)量與管腳平行方向的磁場(chǎng)。傳感器由四條鐵鎳合金磁電阻組成一個(gè)非平衡電橋，非平衡電橋輸出部分接集成運(yùn)算放大器，將信號(hào)放大輸出。傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。圖2中由于適當(dāng)配置的四個(gè)磁電阻電流方向不相同，當(dāng)存在外界磁場(chǎng)時(shí)，引起電阻值變化有增有減。因而輸出電壓可以用下式表

6、示為 (2) 圖1磁阻傳感器的構(gòu)造示意圖 圖2磁阻傳感器內(nèi)的惠斯通電橋?qū)τ谝欢ǖ墓ぷ麟妷海?，HMC1021Z磁阻傳感器輸出電壓與外界磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度成正比關(guān)系， （3） （3）式中，為傳感器的靈敏度，為待測(cè)磁感應(yīng)強(qiáng)度。為外加磁場(chǎng)為零時(shí)傳感器的輸出量。 由于亥姆霍磁線圈的特點(diǎn)是能在其軸線中心點(diǎn)附近產(chǎn)生較寬范圍的均勻磁場(chǎng)區(qū)，所以常用作弱磁場(chǎng)的標(biāo)準(zhǔn)磁場(chǎng)。亥姆霍磁線圈公共軸線中心點(diǎn)位置的磁感應(yīng)強(qiáng)度為 （4）（4）式中為線圈匝數(shù)，為線圈流過(guò)的電流強(qiáng)度，為亥姆霍磁線圈的平均半徑，為真空磁導(dǎo)率。四實(shí)驗(yàn)裝置 測(cè)量地磁場(chǎng)裝置如圖3所示。它主要包括底座、轉(zhuǎn)軸，帶角刻度的轉(zhuǎn)盤、磁阻傳感器的引線、亥姆霍磁線圈、地磁

7、場(chǎng)測(cè)定儀控制主機(jī)(包括數(shù)字式電壓表、5V直流電源等)五實(shí)驗(yàn)內(nèi)容基本實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1將磁阻傳感器放置在亥姆霍茲線圈公共軸線中點(diǎn)，并使管腳和磁感應(yīng)強(qiáng)度方向平行。即傳感器的感應(yīng)面與亥姆霍磁線圈軸線垂直。用亥姆霍磁線圈產(chǎn)生磁場(chǎng)作為已知量，測(cè)量磁阻傳感器的靈敏度。2將磁阻傳感器平行固定在轉(zhuǎn)盤上，調(diào)整轉(zhuǎn)盤至水平(可用水準(zhǔn)器指示)。水平旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)盤，找到傳感器輸出電壓最大方向，這個(gè)方向就是地磁場(chǎng)磁感應(yīng)強(qiáng)度的水平分量的方向。記錄此時(shí)傳感器輸出電壓后，再旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)盤，記錄傳感器輸出最小電壓，由，求得當(dāng)?shù)氐卮艌?chǎng)水平分量。3將帶有磁阻傳感器的轉(zhuǎn)盤平面調(diào)整為鉛直，并使裝置沿著地磁場(chǎng)磁感應(yīng)強(qiáng)度水平分量方向放置，只是方向轉(zhuǎn)900。轉(zhuǎn)動(dòng)

8、調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)盤，分別記下傳感器輸出最大和最小時(shí)轉(zhuǎn)盤指示值和水平面之間的夾角和，同時(shí)記錄此最大讀數(shù)和。由磁傾角計(jì)算的值。4由，計(jì)算地磁場(chǎng)磁感應(yīng)強(qiáng)度的值。并計(jì)算地磁場(chǎng)的垂直分量。本實(shí)驗(yàn)須注意：實(shí)驗(yàn)儀器周圍的一定范圍內(nèi)不應(yīng)存在鐵磁金屬物體，以保證測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性。六實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)例 亥姆霍茲線圈每個(gè)線圈匝數(shù)匝，線圈的半徑;真空磁導(dǎo)率。 亥姆霍茲線圈軸線上中心位置的磁感應(yīng)強(qiáng)度為(二個(gè)線圈串聯(lián)) 式中，為磁感應(yīng)強(qiáng)度單位(特斯拉)；為通過(guò)線圈的電流，單位(安培)。1. 上海復(fù)旦大學(xué)校園內(nèi)，樓外空曠地，測(cè)量地磁場(chǎng)參量。a. 測(cè)量傳感器的靈敏度表1中，正向輸出電壓是指勵(lì)磁電流為正方向時(shí)測(cè)得的磁阻傳感器產(chǎn)生的輸出電壓，而反

9、向是指勵(lì)磁電流為反向時(shí)，傳感器輸出電壓，。測(cè)正向和反向兩次,目的是消除地磁沿亥姆霍茲線圈方向(水平)分量的影響。表1 室外空曠地上測(cè)量傳感器靈敏度勵(lì)磁電流磁感應(yīng)強(qiáng)度平均 正向反向10.00.4496187-1.881.87520.0 0.89223.75-3.773.760 30.0 1.34885.61-5.655.630 40.0 1.79847.44-7.497.46550.02.2480 9.29-9.379.330 60.0 2.697611.12-11.2311.175用計(jì)算器進(jìn)行最小二乘法擬合，得到該磁阻傳感器的靈敏度，相關(guān)系數(shù)為0.99998。(傳感器工作電壓取5V，靈敏度K=

10、41V/T,現(xiàn)產(chǎn)品傳感器采用工作電壓為6V,靈敏度約50V/T)b. 測(cè)量地磁場(chǎng)的水平分量；地磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度；地磁場(chǎng)的垂直分量,磁傾角。方法：(1) 將亥姆霍茲線圈與直流電源的連接線拆去。(2) 把轉(zhuǎn)盤刻度調(diào)節(jié)到角度。(3) 調(diào)節(jié)底板使磁阻傳感器輸出最大電壓，同時(shí)調(diào)節(jié)底板上螺絲使轉(zhuǎn)盤水平(用儀器配套的水準(zhǔn)儀調(diào)節(jié)水平)。 (4) 測(cè)地磁場(chǎng)水平分量:測(cè)量輸出電壓和反向轉(zhuǎn)，測(cè)地磁場(chǎng)水平分量，然后計(jì)算地磁場(chǎng)水平分量。(5) 將轉(zhuǎn)盤垂直，此時(shí)轉(zhuǎn)盤面為地磁子午面方向，轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)盤角度，測(cè)量地磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度和磁傾角。測(cè)量磁傾角時(shí)須改變角度，求多次測(cè)量的平均值。43.043.544.044.545.046.0

11、2.022.032.032.032.032.0347.047.548.048.549.02.032.032.032.032.02表2 磁傾角值的測(cè)量直接測(cè)量地磁場(chǎng)水平分量，計(jì)算得地磁場(chǎng)水平分量磁感應(yīng)強(qiáng)度，地磁場(chǎng),計(jì)算得地磁場(chǎng)磁感應(yīng)強(qiáng)度,磁傾角；地磁場(chǎng)垂直分量磁感應(yīng)強(qiáng)度,最新上海地區(qū)地磁場(chǎng)水平分量為，磁傾角為。誤差小于。2. 復(fù)旦大學(xué)物理樓三樓311室，測(cè)量地磁場(chǎng)參量。 表3 磁阻傳感器的定標(biāo)勵(lì)磁電流磁感應(yīng)強(qiáng)度平均 正向反向10.0 0.44962.25-2.382.31520.00.89224.52-4.484.500 30.01.34886.83-6.776.800 40.0 1.79849

12、.06-8.989.020 50.0 2.2480 11.30 -11.1311.215 60.0 2.697613.52-13.2813.400 用計(jì)算器對(duì)直線擬合得：，相關(guān)系數(shù)為0.99998。電壓 序號(hào)12345平均結(jié)果0.950.950.950.950.950.95B=-3.41-3.41-3.42-3.41-3.41-3.410.080.080.080.080.080.08B=-2.82-2.82-2.82-2.82-2.82-2.82表4地磁場(chǎng)測(cè)量結(jié)果測(cè)得復(fù)旦大學(xué)物理樓三樓物理實(shí)驗(yàn)室，磁傾角。用本儀器測(cè)量地磁場(chǎng)水平分量與1985年用正切電流計(jì)測(cè)量復(fù)旦大學(xué)物理樓三樓地磁場(chǎng)水平分量的結(jié)

13、果T相當(dāng)一致，這間接證明本儀器測(cè)量結(jié)果是準(zhǔn)確的。關(guān)于正切電流計(jì)測(cè)量地磁場(chǎng)水平分量的實(shí)驗(yàn)方法和測(cè)量結(jié)果，請(qǐng)見(jiàn)賈玉潤(rùn)等主編，大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)，復(fù)旦大學(xué)出版社，1987：256-258，結(jié)果在258頁(yè)例中列出。表5 不同位置及不同結(jié)構(gòu)大樓地磁場(chǎng)水平分量測(cè)量結(jié)果測(cè)量位置校園內(nèi)操場(chǎng)空地物理樓三樓復(fù)旦科技園區(qū)2號(hào)樓五樓試制組金屬屏蔽情況水泥地面無(wú)金屬1959年建造地頂為鋼筋水泥，墻為泥磚2000年建造全鋼筋水泥結(jié)構(gòu)測(cè)得地磁場(chǎng)水平分量0.341×10T0.294×10T0.268×10T磁傾角46.046.046.0º六實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)1測(cè)量地磁場(chǎng)水平分量，須將轉(zhuǎn)盤調(diào)節(jié)至水平

14、；測(cè)量地磁場(chǎng)和磁傾角時(shí)，須將轉(zhuǎn)盤面處于地磁子午面方向。2. 測(cè)量磁傾角應(yīng)記錄不同時(shí)，傳感器輸出電壓，應(yīng)取10組值，求其平均值。這是因?yàn)闇y(cè)量時(shí)，偏差，變化很小，偏差，,所以在偏差至范圍變化極小，實(shí)驗(yàn)時(shí)應(yīng)測(cè)出變化很小角的范圍，然后求得平均值。七思考題1磁阻傳感器和霍耳傳感器在工作原理和使用方法方面各有什么特點(diǎn)和區(qū)別？2如果在測(cè)量地磁場(chǎng)時(shí)，在磁阻傳感器周圍較近處，放一個(gè)鐵釘，對(duì)測(cè)量結(jié)果將產(chǎn)生什么影響？3為何坡莫合金磁阻傳感器遇到較強(qiáng)磁場(chǎng)時(shí)，其靈敏度會(huì)降低？用什么方法來(lái)恢復(fù)其原來(lái)的靈敏度？八參考資料1賈玉潤(rùn)、王公治、凌偑玲主編。大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)，上海復(fù)旦大學(xué)，1987：492-4932魯紹曾、現(xiàn)代計(jì)量學(xué)概

15、論。北京，中國(guó)計(jì)量出版社，1987：492-4933黃一菲、鄭神、吳亮、陸申龍，玻莫合金磁阻傳感器的特性研究和應(yīng)用、物理實(shí)驗(yàn)。第22卷第4期，2002 ，4：45-484Honeywell公司，固態(tài)傳感器(磁阻傳感器部分)說(shuō)明書，20015沈元華、陸申龍主編，基礎(chǔ)物理實(shí)驗(yàn)，北京：高等教育出版社，20036黃德星。磁敏感器件及其應(yīng)用M。北京： 科學(xué)出版社，19877 里夫、王秀琴等編著，常用物理常數(shù)手冊(cè)、云南人民出版社、1983、10：157158附錄1:地磁場(chǎng) 地球本身具有磁性，所以地球和近地空間之間存在著磁場(chǎng)，叫做地磁場(chǎng)。地磁場(chǎng)的強(qiáng)度和方向隨地點(diǎn)(甚至隨時(shí)間)而異。地磁場(chǎng)的北極、南極分別在地

16、理南極、北極附近，彼此并不重合，如圖5所示，而且兩者間的偏差隨時(shí)間不斷地在緩慢變化。地磁軸與地球自轉(zhuǎn)軸并不重合，有交角。 在一個(gè)不太大的范圍內(nèi)，地磁場(chǎng)基本上是均勻的，可用三個(gè)參量來(lái)表示地磁場(chǎng)的方向和大小(如圖6所示)：(1) 磁偏角，地球表面任一點(diǎn)的地磁場(chǎng)矢量所在垂直平面(圖6中與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)之間的夾角。(2) 磁傾角，磁場(chǎng)強(qiáng)度矢量與水平面(即圖6的矢量和OX與OY構(gòu)成平面的夾角)之間的夾角。(3) 水平分量，地磁場(chǎng)矢量在水平面上的投影。測(cè)量地磁場(chǎng)的這三個(gè)參量，就可確定某一地點(diǎn)地磁場(chǎng)矢量的方向和大小。當(dāng)然這三個(gè)參量的數(shù)值隨時(shí)間不斷地在改變

17、，但這一變化極其緩慢，極為微弱。附錄2:我國(guó)一些城市的地磁參量(地磁要素)地名地理位置磁傾角D(偏西)磁傾角I水平強(qiáng)B(10T)測(cè)定年份北緯東經(jīng)齊齊哈爾47º22123º597º3464º270.2421916長(zhǎng)春43º51126º367º3060º200.2661916沈陽(yáng)41º50123º286º4958º430.277北京39º56116º204º4857º230.2891936天津39º05.9117º114

18、º0456º210.2931916太原37º51.9112º333º1855º110.3011932濟(jì)南36º39.5117º013º3653º060.3081915蘭州36º03.4103º481º1553º240.312鄭州34º45113º430º1850º430.320 1932西安34º16108º573º0250º290.3231932南京32º03.8118º481º4246º430.3311922上海31º11.5121º263º1345º250.333成都30º38104º030º5845º060.346武漢30º37114º202&#