地磁場水平分量的測量

1、地磁場水平分量的測量 地磁場的數(shù)值比較小，約數(shù)量級，但在直流磁場測量，特別是弱磁場測量中，往往需要知道其數(shù)值，并設(shè)法消除其影響，地磁場作為一種天然磁源，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定地磁場磁感應(yīng)強(qiáng)度及地磁場磁感應(yīng)強(qiáng)度的水平分量和垂直分量；測量地磁場的磁傾角，從而掌握磁阻傳感器的特性及測量地磁場的一種重要方法。由于磁阻傳感器體積小，靈敏度高、易安裝，因而在弱磁場測量方面有廣泛應(yīng)用前景?！緦?shí)驗(yàn)?zāi)康摹?1.掌握各向異性磁阻傳感器的原理和特性 2.了解各向異性磁阻傳感器測量磁場的基本原理 3.學(xué)會用磁阻傳感器測定地磁場【實(shí)驗(yàn)儀器】地磁場實(shí)驗(yàn)儀、底座

2、、轉(zhuǎn)軸，帶角度刻度的轉(zhuǎn)盤、磁阻傳感器的引線、亥姆霍磁線圈【實(shí)驗(yàn)原理】 物質(zhì)在磁場中電阻率發(fā)生變化的現(xiàn)象稱為磁阻效應(yīng)。對于鐵、鈷、鎳及其合金等磁性金屬，當(dāng)外加磁場平行于磁體內(nèi)部磁化方向時(shí)，電阻幾乎不隨外加磁場變化；當(dāng)外加磁場偏離金屬的內(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)。 磁阻傳感器由長而薄的玻莫合金(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量二維或三維磁場)。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

3、著鐵鎳合金帶的長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)外界磁場時(shí)，合金帶自身的阻值會生較大的變化，利用合金帶阻值這一變化，可以測量磁場大小和方向。同時(shí)制作時(shí)還在硅片上設(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)磁場感應(yīng)時(shí)，將產(chǎn)生磁疇飽和現(xiàn)象，也可以用來置位或復(fù)位極性；另一條是偏置磁場帶，用于產(chǎn)生一個(gè)偏置磁場，補(bǔ)償環(huán)境磁場中的弱磁場部分(當(dāng)外加磁場較弱時(shí)，磁阻相對變化值與磁感應(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。磁阻傳感器是一種單邊封裝的磁場傳感器，它能測量與管腳平行方向的磁場。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，

4、將信號放大輸出。傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。圖中由于適當(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示為 ： (2)對于一定的工作電壓，如，型磁阻傳感器輸出電壓與外界磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度成正比關(guān)系： （3） （3）式中，為傳感器的靈敏度，為待測磁感應(yīng)強(qiáng)度。為外加磁場為零時(shí)傳感器的輸出電壓 。 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區(qū)，所以常用作弱磁場的標(biāo)準(zhǔn)磁場。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）式中為單只線圈匝數(shù)，為線圈流過的電流強(qiáng)度，為亥姆霍磁線圈的平均半徑，為真空磁導(dǎo)率。如下圖1所示為磁阻傳感器

5、與地磁場實(shí)驗(yàn)儀外形及功能分布圖。 圖1磁阻傳感器與地磁場實(shí)驗(yàn)儀外形及功能分布圖【實(shí)驗(yàn)內(nèi)容】 1先將亥姆霍茲線圈按串聯(lián)方式連接，磁阻傳感器放置在亥姆霍茲線圈公共軸線中點(diǎn)，使傳感器的管腳和磁感應(yīng)強(qiáng)度方向平行。即使傳感器的感應(yīng)面與亥姆霍磁線圈軸線垂直。用亥姆霍磁線圈產(chǎn)生的磁場作為已知的標(biāo)準(zhǔn)磁感應(yīng)強(qiáng)度，測定并計(jì)算出（磁阻傳感器）地磁場實(shí)驗(yàn)儀的靈敏度。以上步驟完成后，拆除亥姆霍磁線圈的勵磁電流連接線。 2磁阻傳感器已經(jīng)平行固定在轉(zhuǎn)盤上，先利用水準(zhǔn)器指示，調(diào)節(jié)地磁場實(shí)驗(yàn)儀的底腳螺絲，把轉(zhuǎn)盤調(diào)節(jié)到水平狀態(tài)。然后左右水平旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)盤，尋找到傳感器輸出電壓最大的方向，這個(gè)方向就是地磁場磁感應(yīng)強(qiáng)度的水平分量的方向。記

6、錄此時(shí)傳感器輸出電壓后，再旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)盤左右，尋找到傳感器輸出最大負(fù)電壓的方向，記錄傳感器輸出電壓(負(fù)值)，由，求得當(dāng)?shù)氐卮艌鏊椒至俊?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磁感應(yīng)強(qiáng)度水平分量方向放置，只是方向轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)動調(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)算地磁場磁感應(yīng)強(qiáng)度的值。并計(jì)算地磁場的垂直分量。 【注意事項(xiàng)】 1.為了保證測量結(jié)果的準(zhǔn)確性，實(shí)驗(yàn)儀器周圍一定范圍內(nèi)不應(yīng)存在鐵磁性金屬物體。 2測量地磁場水平分量，須將轉(zhuǎn)盤調(diào)節(jié)至水平；測量地磁場和磁傾角時(shí)，須將轉(zhuǎn)盤面處于地磁子午面方向。 3. 測量磁傾角應(yīng)記錄不同時(shí)，傳感器輸出電壓，應(yīng)取不少于6組值，求其平均值。這是因?yàn)闇y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)測出變化很小角的范圍，然后求得平均值。 【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