大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)講義實(shí)驗(yàn)磁阻效應(yīng)法測(cè)量磁場(chǎng)

1、磁 阻 效 應(yīng) 法 測(cè) 量 磁 場(chǎng)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)，磁阻傳感器利用磁阻效應(yīng)制成磁場(chǎng)的測(cè)量可利用電磁感應(yīng)，霍爾效應(yīng)，磁阻效應(yīng)等各種效應(yīng)。其中磁阻效應(yīng)法發(fā)展最 快，測(cè)量靈敏度最高。磁阻傳感器可用于直接測(cè)量磁場(chǎng)或磁場(chǎng)變化，如弱磁場(chǎng)測(cè)量，地磁場(chǎng) 測(cè)量，各種導(dǎo)航系統(tǒng)中的羅盤，計(jì)算機(jī)中的磁盤驅(qū)動(dòng)器，各種磁卡機(jī)等等。也可通過磁場(chǎng)變 化測(cè)量其它物理量，如利用磁阻效應(yīng)已制成各種位移、角度、轉(zhuǎn)速傳感器，各種接近開關(guān)， 隔離開關(guān)，廣泛用于汽車，家電及各類需要自動(dòng)檢測(cè)與控制的領(lǐng)域。磁阻元件的發(fā)展經(jīng)歷了半導(dǎo)體磁阻 （MR）,各向異性磁阻（AMR）,巨磁阻（GMR）, 龐磁阻（CMR）等階段。

2、本實(shí)驗(yàn)研究 AMR的特性并利用它對(duì)磁場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量?！緦?shí)驗(yàn)?zāi)康摹? . 了解AMR的原理并對(duì)其特性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。2 .測(cè)量赫姆霍茲線圈的磁場(chǎng)分布。3 .測(cè)量地磁場(chǎng)?！緝x器用具】ZKY-CC各向異性磁阻傳感器（AMR）與磁場(chǎng)測(cè)量?jī)x 【實(shí)驗(yàn)原理】各向異性磁阻傳感器AMR （Anisotropic Magneto-Resistive sensorS 由沉積在硅片上 金（Ni80 F620）薄膜形成電阻。沉積時(shí)外加 易磁化軸方向。鐵磁材料的電阻與電流與磁 夾角有關(guān)，電流與磁化方向平行時(shí)電阻 Rmax 與磁化方向垂直時(shí)電阻 Rmin最小，電流與磁 角時(shí)，電阻可表示為：2R = Rmin +（Rmax Rmi

3、n ）cos （1）在磁阻傳感器中，為了消除溫度等外界 出的影響，由4個(gè)相同的磁阻元件構(gòu)成惠斯 構(gòu)如圖1所示。圖1中，易磁化軸方向與電 夾角為45度。理論分析與實(shí)踐表明，采用 磁場(chǎng)，當(dāng)沿與易磁化軸垂直的方向施加外磁 場(chǎng)強(qiáng)度不太大時(shí)，電橋輸出與外加磁場(chǎng)強(qiáng)度 系。無外加磁場(chǎng)或外加磁場(chǎng)方向與易磁化軸 時(shí)，磁化方向即易磁化軸方向，電橋的4個(gè)電橋電壓Vb、卜導(dǎo)體帶易磁化 軸方向輸出卜磁敏感方向接地#電流方向輸出一圖工磁阻電橋的坡莫合 磁場(chǎng)，形成 化方向的 最大，電流 化方向成9因素對(duì)輸 通電橋，結(jié) 流方向的 45度偏置 場(chǎng)，且外磁 成線性關(guān)方向平行 橋臂電阻阻值相同，輸出為零。當(dāng)在磁敏感方向施加如圖 1

4、所示方向的磁場(chǎng)時(shí)，合成磁化方向?qū)⒃谝?磁化方向的基礎(chǔ)上逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。結(jié)果使左上和右下橋臂電流與磁化方向的夾角增大，電阻減 小AR;右上與左下橋臂電流與磁化方向的夾角減小， 電阻增大 火。通過對(duì)電橋的分析可知, 此時(shí)輸出電壓可表示為：(2)U ”b R/R式中Vb為電橋工作電壓，R為橋臂電阻，蟲/R為磁阻阻值的相對(duì)變化率，與外加磁場(chǎng) 強(qiáng)度成正比，故AMR磁阻傳感器輸出電壓與磁場(chǎng)強(qiáng)度成正比， 可利用磁阻傳感器測(cè)量磁場(chǎng)。商品磁阻傳感器已制成集成電路，除 的電源輸入端和信號(hào)輸出端外，還有復(fù) 置位端和補(bǔ)償端兩對(duì)功能性輸入端口， 阻傳感器的正常工作。£a磁干擾使磁疇排列紊亂圖1所示 位/反向 以確

5、保磁復(fù)位/反向置位的機(jī)理可參見圖2超過其線性工作范圍的磁場(chǎng)中時(shí)，磁干 致磁疇排列紊亂，改變傳感器的輸出特 可在復(fù)位端輸入脈沖電流，通過內(nèi)部電 化軸方向產(chǎn)生強(qiáng)磁場(chǎng)，使磁疇重新整齊 復(fù)傳感器的使用特性。若脈沖電流方向 磁疇排列方向反轉(zhuǎn)，傳感器的輸出極性從補(bǔ)償端每輸入5mAW嘗電流，通過 將在磁敏感方向產(chǎn)生1高斯的磁場(chǎng)?？?傳感器的偏離。圖3為AMR勺磁電轉(zhuǎn)換特性曲線。其b復(fù)位脈沖使磁疇沿易磁化軸整齊排列c反向置位脈沖使磁疇排列方向反轉(zhuǎn)圖2置位/反向置位脈沖的作AMFg 于 擾可能導(dǎo) 性。此時(shí) 路沿易磁 排列，恢 相反，貝U 也將相反。 內(nèi)部電路 用來補(bǔ)償離是在傳感器制造過程中，4 阻不嚴(yán)格相等帶來

6、的，外磁場(chǎng) 量某種磁場(chǎng)時(shí)，外界干擾磁場(chǎng) 管要補(bǔ)償哪種偏離，都可調(diào)節(jié) 用人為的磁場(chǎng)偏置使圖3中的 平移，使所測(cè)磁場(chǎng)為零時(shí)輸出【儀器介紹】實(shí)驗(yàn)儀結(jié)構(gòu)如圖4所示， 是磁阻傳感器，輔以磁阻傳感 位置調(diào)節(jié)及讀數(shù)機(jī)構(gòu)，赫姆霍 組成。甑感應(yīng)強(qiáng)度庵斯圖3麗的磁電轉(zhuǎn)換特性中電橋偏 個(gè)橋臂電 偏離是測(cè) 帶來的。不 補(bǔ)償電流， 特性曲線 電壓為零。核心部分 器的角度、 茲線圈等本儀器所用磁阻傳感器的工作范圍為土 6高斯，靈敏度為1mV/V/GuasS靈敏度表示， 當(dāng)磁阻電橋的工作電壓為1V,被測(cè)磁場(chǎng)磁感應(yīng)強(qiáng)度為1高斯時(shí)，輸出信號(hào)為1mV磁阻傳感器的輸出信號(hào)通常須經(jīng)放大電路放大后，再接顯示電路，故由顯示電壓計(jì)算磁 場(chǎng)

7、強(qiáng)度時(shí)還需考慮放大器的放大倍數(shù)。本實(shí)驗(yàn)儀電橋工作電壓5V,放大器放大倍數(shù)50,磁感應(yīng)強(qiáng)度為1高斯時(shí)，對(duì)應(yīng)的輸出電壓為0.25伏。兩線圈內(nèi)的電流方向一致，大小 這種線圈的特點(diǎn)是能在公共軸線中點(diǎn) 可以計(jì)算出赫姆霍茲線圈公共軸線中赫姆霍茲線圈是由一對(duì)彼此平行的共軸圓形線圈組成 相同，線圈之間的距離d正好等于圓形線圈的半徑R。 附近產(chǎn)生較廣泛的均勻磁場(chǎng)，根據(jù)畢奧-薩伐爾定律， 點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度為：(3)8_ AMB° 一 53/2 R式中N為線圈匝數(shù)，I為流經(jīng)線圈的電流強(qiáng)度，R為赫姆霍茲線圈的平均半徑，% =4兀M10）H/m為真空中的磁導(dǎo)率。采用國(guó)際單位制時(shí)，由上式計(jì)算出的磁感應(yīng)強(qiáng)度單位為特

8、斯拉（1特斯拉=10000高斯）。本實(shí)驗(yàn)儀N= 310, R= 0.14m,線圈電流為1mA寸, 赫姆霍茲線圈中部的磁感應(yīng)強(qiáng)度為 0.02高斯。圖4磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)電源如圖5所示。包流源為赫姆霍茲線圈提供電流，電流的大小可以通過旋鈕調(diào)節(jié)，電流值由電流表指示。 電流換向按鈕可以改變電流的方向。補(bǔ)償（OFFSET）電流調(diào)節(jié)旋鈕調(diào)節(jié)補(bǔ)償電流的方向和大小。 電流切換按鈕使電流表顯示赫 姆霍茲線圈電流或補(bǔ)償電流。傳感器采集到的信號(hào)經(jīng)放大后，由電壓表指示電壓值。放大器校正旋鈕在標(biāo)準(zhǔn)磁場(chǎng)中校 準(zhǔn)放大器放大倍數(shù)。復(fù)位（R/S）按鈕每按下一次，向復(fù)位端輸入一次復(fù)位脈沖電流，僅在需要時(shí)使用。圖5電源【實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與要求】測(cè)量

9、準(zhǔn)備：連接實(shí)驗(yàn)儀與電源，開機(jī)預(yù)熱20分鐘。將磁阻傳感器位置調(diào)節(jié)至赫姆霍茲線圈中心，傳感器磁敏感方向與赫姆霍茲線圈軸線一 致。調(diào)節(jié)赫姆霍茲線圈電流為零，按復(fù)位鍵（見圖2,恢復(fù)傳感器特性），調(diào)節(jié)補(bǔ)償電流（見 圖3,補(bǔ)償?shù)卮艌?chǎng)等因素產(chǎn)生的偏離），使傳感器輸出為零。調(diào)節(jié)赫姆霍茲線圈電流至300mA （線圈產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度6高斯），調(diào)節(jié)放大器校準(zhǔn)旋鈕，使輸出電壓為 1 .500伏。1 .磁阻傳感器特性測(cè)量a.測(cè)量磁阻傳感器的磁電轉(zhuǎn)換特性磁電轉(zhuǎn)換特性是磁阻傳感器最基本的特性。磁電轉(zhuǎn)換特性曲線的直線部分對(duì)應(yīng)的磁感應(yīng) 強(qiáng)度，即磁阻傳感器的工作范圍，直線部分的斜率除以電橋電壓與放大器放大倍數(shù)的乘積, 即為磁阻傳

10、感器的靈敏度。按表1數(shù)據(jù)從300mAi!步調(diào)小赫姆霍茲線圈電流，記錄相應(yīng)的輸出電壓值。切換電流換 向開關(guān)（赫姆霍茲線圈電流反向，磁場(chǎng)及輸出電壓也將反向），逐步調(diào)大反向電流，記錄反 向輸出電壓值。注意：電流換向后，必須按復(fù)位鍵消磁。表1 AMR磁電轉(zhuǎn)換特性的測(cè)量線圈電流（mA）300250200150100500-50-100-150-200-250-300磁感應(yīng)強(qiáng)度（高斯）6543210-1-2-3-4-5-6輸出電壓（V）以磁感應(yīng)強(qiáng)度為橫軸，輸出電壓為縱軸，將上表數(shù)據(jù)作圖，并確定所用傳感器的線性工 作范圍及靈敏度。b.測(cè)量磁阻傳感器的各向異性特性AMRR對(duì)磁敏感方向上的磁場(chǎng)敏感，當(dāng)所測(cè)磁場(chǎng)與

11、磁敏感方向有一定夾角 a時(shí)，AMR 量的是所測(cè)磁場(chǎng)在磁敏感方向的投影。由于補(bǔ)償調(diào)節(jié)是在確定的磁敏感方向進(jìn)行的，實(shí)驗(yàn)過 程中應(yīng)注意在改變所測(cè)磁場(chǎng)方向時(shí)，保持 AM時(shí)向不變。將赫姆霍茲線圈電流調(diào)節(jié)至200mA,測(cè)量所測(cè)磁場(chǎng)方向與磁敏感方向一致時(shí)的輸出電壓。松開線圈水平旋轉(zhuǎn)鎖緊螺釘，每次將赫姆霍茲線圈與傳感器盒整體轉(zhuǎn)動(dòng)10度后鎖緊，松開傳感器水平旋轉(zhuǎn)鎖緊螺釘，將傳感器盒向相反方向轉(zhuǎn)動(dòng)10度（保持AMRT向不變）后鎖緊，記錄輸出電壓數(shù)據(jù)于表 2中。表2 AMR方向特性的測(cè)量磁感應(yīng)強(qiáng)度4高斯夾角a （度）0102030405060708090輸出電壓（V）以?shī)A角a為橫軸，輸出電壓為縱軸，將上表數(shù)據(jù)作圖，

12、檢驗(yàn)所做曲線是否符合余弦規(guī)律。2 .赫姆霍茲線圈的磁場(chǎng)分布測(cè)量赫姆霍茲線圈能在公共軸線中點(diǎn)附近產(chǎn)生較廣泛的均勻磁場(chǎng)，在科研及生產(chǎn)中得到廣泛的應(yīng)用。a.赫姆霍茲線圈軸線上的磁場(chǎng)分布測(cè)量根據(jù)畢奧-薩伐爾定律，可以計(jì)算出通電圓線圈在軸線上任意一點(diǎn)產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度矢 量垂直于線圈平面，方向由右手螺旋定則確定，與線圈平面距離為X的點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度為:(4)B(x)="2(R2 x12)3/2赫姆霍茲線圈是由一對(duì)彼此平行的共軸圓形線圈組成。兩線圈內(nèi)的電流方向一致，大小 相同，線圈匝數(shù)為N,線圈之間的距離d正好等于圓形線圈的半徑R,若以兩線圈中點(diǎn)為坐 標(biāo)原點(diǎn)，則軸線上任意一點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度是兩線圈在該

13、點(diǎn)產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度之和：B(x)=J0NR2I2R2 (-R x)23/20NR2I2R2 (-R -x)23/2=Bq3/251611(-2RR)23/21X '2 3/2R(5)式中60是*= 0時(shí)，即赫姆霍茲線圈公共軸線中點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度。表 3列出了 X取不同 值時(shí)B（X）/Bo值的理論計(jì)算結(jié)果。調(diào)節(jié)傳感器磁敏感方向與赫姆霍茲線圈軸線一致， 位置調(diào)節(jié)至赫姆霍茲線圈中心（X = 0）, 測(cè)量輸出電壓值。已知R=140mm,將傳感器盒每次沿軸線平移 0.1R,記錄測(cè)量數(shù)據(jù)表3赫姆霍茲線圈軸向磁場(chǎng)分布測(cè)量Bo= 4高斯位置X-0.5R-0.4R-0.3R-0.2R-0.1R00.1R0

14、.2R0.3R0.4R0.5RB(X)/B 0計(jì)算值0.9460.9750.9920.9981.00011.0000.9980.9920.9750.946B（X）測(cè)量值（V）B（X）測(cè)量值（高斯）將表3數(shù)據(jù)作圖，討論赫姆霍茲線圈的軸向磁場(chǎng)分布特點(diǎn) b.赫姆霍茲線圈空間磁場(chǎng)分布測(cè)量由畢奧一薩伐爾定律，同樣可以計(jì)算赫姆霍茲線圈空間任意一點(diǎn)的磁場(chǎng)分布，由于赫姆 霍茲線圈的軸對(duì)稱性，只要計(jì)算（或測(cè)量）過軸線的平面上兩維磁場(chǎng)分布，就可得到空間任 意一點(diǎn)的磁場(chǎng)分布。理論分析表明，在X ? 0.2R, Y 02R的范圍內(nèi)，（Bx-Bo） /B0小于百分之一，By/Bx 小于萬分之二，周可認(rèn)為在赫姆霍茲線圈中

15、部較大的區(qū)域內(nèi)，磁場(chǎng)方向沿軸線方向，磁場(chǎng)大 小基本不變。按表4數(shù)據(jù)改變磁阻傳感器的空間位置，記錄 X方向的磁場(chǎng)產(chǎn)生的電壓 Vx,測(cè)量赫姆 霍茲線圈空間磁場(chǎng)分布。表4赫姆霍茲線圈空間磁場(chǎng)分布測(cè)量B0= 4高斯00.05R0.1R0.15R0.2R0.25R0.3R00.05R0.1R0.15R0.2R0.25R0.3R由表4數(shù)據(jù)討論赫姆霍茲線圈的空間磁場(chǎng)分布特點(diǎn)3.地磁場(chǎng)測(cè)量地球本身具有磁性，地表及近地空間存在的磁場(chǎng)叫地磁場(chǎng)。地磁的北極，南極分別在地 理南極，北極附近，彼此并不重合，可用地磁場(chǎng)強(qiáng)度，磁傾角，磁偏角三個(gè)參量表示地磁場(chǎng) 的大小和方向。磁傾角是地磁場(chǎng)強(qiáng)度矢量與水平面的夾角，磁偏角是地磁

16、場(chǎng)強(qiáng)度矢量在水平 面的投影與地球經(jīng)線（地理南北方向）的夾角。在現(xiàn)代的數(shù)字導(dǎo)航儀等系統(tǒng)中，通常用互相垂直的三維磁阻傳感器測(cè)量地磁場(chǎng)在各個(gè)方 向的分量，根據(jù)矢量合成原理，計(jì)算出地磁場(chǎng)的大小和方位。本實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)用單個(gè)磁阻傳感器 測(cè)量地磁場(chǎng)的方法。將赫姆霍茲線圈電流調(diào)節(jié)至零，將補(bǔ)償電流調(diào)節(jié)至零，傳感器的磁敏感方向調(diào)節(jié)至與赫 姆霍茲線圈軸線垂直（以便在垂直面內(nèi)調(diào)節(jié)磁敏感方向）。調(diào)節(jié)傳感器盒上平面與儀器底板平行，將水準(zhǔn)氣泡盒放置在傳感器盒正中，調(diào)節(jié)儀器水 平調(diào)節(jié)螺釘使水準(zhǔn)氣泡居中，使磁阻傳感器水平。松開傳感器水平旋轉(zhuǎn)鎖緊螺釘，在水平面 內(nèi)仔細(xì)調(diào)節(jié)傳感器方位，使輸出最大。此時(shí)，傳感器磁敏感方向與地理南北方向的夾角就是 磁偏角0松開傳感器繞軸旋轉(zhuǎn)鎖緊螺釘，在垂直面內(nèi)調(diào)節(jié)磁敏感方向，至輸出最大時(shí)轉(zhuǎn)過的角度 就是磁傾角，記錄此角度。記錄輸出最大時(shí)的輸出電壓值 U后，松開傳感器水平旋轉(zhuǎn)鎖緊螺釘，將傳感器轉(zhuǎn)動(dòng) 180 度，記錄此時(shí)的輸出電壓U2 （負(fù)值），將U=（U1+|U2|）/2 作為地磁場(chǎng)磁感應(yīng)強(qiáng)度的測(cè)量值（此法可消除電橋偏離對(duì)測(cè)量的影響） 表5地磁場(chǎng)的測(cè)量磁傾角（度）磁感