用磁阻傳感器測(cè)量地磁場(chǎng)解讀

1、實(shí)驗(yàn)三十七 用磁阻傳感器測(cè)量地磁場(chǎng)地磁場(chǎng)的數(shù)值比較小，約10-5T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)定地磁場(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?！緦?shí)驗(yàn)?zāi)康摹空莆沾抛鑲鞲衅鞯奶匦院投?biāo)方法。掌握地磁場(chǎng)的測(cè)量方法。【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、鉆、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)，電阻幾乎不隨

2、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P(0)依賴于磁化強(qiáng)度M和電流I方向間的 夾角0，具有以下關(guān)系式p (0) = P + (P P )cos2 0(1)其中P、P分別是電流I平行于M和垂直于M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

3、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，圖中由于適當(dāng)配置的四個(gè)磁電阻電流

4、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s/out可以用下式表示為Uout(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?，如?6.00V ,HMC1021Z磁阻傳感器輸出電壓U他與外界磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度成正比關(guān)系，U = U 0 + KB上式中，K為傳感器的靈敏度，B為待測(cè)磁感應(yīng)強(qiáng)度。U0為外加磁場(chǎng)為零時(shí)傳感器的輸出 量。由于亥姆霍茲線圈的特點(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)。亥姆霍茲線圈公共軸線中心點(diǎn)位置的磁感應(yīng)強(qiáng)度為B = * 0N 8 = 44.96 x 10-41（4）R 53/2i 7

5、上式中每個(gè)線圈匝數(shù) N = 500匝；亥姆霍茲線圈的平均半徑 R = 10cm ；真空磁導(dǎo)率* = 4兀x 10-7 N/ A2 ； I為線圈流過的電流，單位A （安培）；B為磁感應(yīng)強(qiáng)度，單位T。0【實(shí)驗(yàn)儀器】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、地磁場(chǎng)測(cè)定儀控制主枇包括數(shù)字式電壓表、5V直流電源等）。41、恒流源圖3 2成翻知型癖必傳感度與地感締娜儀1.恒流源；2.數(shù)字電壓表；3.磁阻傳感器輸入輸出引線;4.亥姆霍茲線圈；5.帶角刻度的轉(zhuǎn)盤?！緦?shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟】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俅。1）將亥姆霍茲線

6、圈與直流電源連接好。2）使磁阻傳感器的管腳和磁感應(yīng)強(qiáng)度的方向平行，即轉(zhuǎn)盤刻度調(diào)節(jié)到角虔=0。 調(diào)節(jié)底板上螺絲使轉(zhuǎn)盤至水平（用水準(zhǔn)儀指示。3）按一下復(fù)位鍵，調(diào)節(jié)電流到零，電壓調(diào)零。4）依次調(diào)節(jié)電流到10 mA，20 mA，30 mA，40 mA，50 mA，60 mA，分別記錄下正向電壓讀數(shù)U正5）調(diào)節(jié)電流到零，電流換向，按一下復(fù)位鍵，電壓調(diào)零，重復(fù)步驟4），記錄下反向電 壓讀數(shù)U反。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。6）平均電壓U = |U正一U反|/2,利用逐差法計(jì)算出靈敏度K = U/B。7）采用最小二乘法擬合，計(jì)算磁阻傳感器的靈敏度（選做）測(cè)量地磁場(chǎng)的水

7、平分量B，地磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度B總，地磁場(chǎng)的垂直分量B上和 磁傾角P1）將亥姆霍茲線圈與直流電源的連線拆去。2）將磁阻傳感器平行固定在轉(zhuǎn)盤上，調(diào)節(jié)底板上螺絲使轉(zhuǎn)盤水平用水準(zhǔn)儀調(diào)節(jié)水平）。將傳感器管腳指向地理正北，把轉(zhuǎn)盤刻度調(diào)節(jié)到角闋=0。3）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B/的方向。記錄此時(shí)傳感器輸出的最大電壓U，再旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)盤，記錄傳感器輸出的最 小電壓U2。測(cè)量6組數(shù)據(jù)。由B三U/K = U1 -U2|/2K。計(jì)算出當(dāng)?shù)氐卮艌?chǎng)水平分量B/。4）使裝置沿著地磁磁感應(yīng)強(qiáng)度水平分量8/方向放置（把轉(zhuǎn)盤刻度調(diào)節(jié)到角度0 = 0。， 調(diào)節(jié)底板使磁阻傳感器

8、輸出最大電壓），同時(shí)調(diào)節(jié)底板上螺絲使轉(zhuǎn)盤水平（用水準(zhǔn)儀調(diào)節(jié)水 平）。將帶有磁阻傳感器的轉(zhuǎn)盤平面調(diào)整為鉛直，此時(shí)轉(zhuǎn)盤面為地磁子午面方向。轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)盤角 度，分別記下傳感器輸出最大電壓和最小電壓時(shí)轉(zhuǎn)盤指示值P 1和P 2，同時(shí)記錄此最大讀數(shù) U；和最小讀數(shù)U2 o測(cè)量6組數(shù)據(jù)值，求其平均值。5）將磁阻傳感器平行固定在轉(zhuǎn)盤上，調(diào)節(jié)底板上螺絲使轉(zhuǎn)盤水平用水準(zhǔn)儀調(diào)節(jié)水平）。 將傳感器管腳指向地理正南，把轉(zhuǎn)盤刻度調(diào)節(jié)到角網(wǎng)=0o。6）重復(fù)步驟3）、4），比較傳感器管腳指向地理正北、正南兩組測(cè)量結(jié)果。7）由磁傾角。=（P1 + P2）/2計(jì)算P值。8）計(jì)算出當(dāng)?shù)氐卮艌?chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度氣-U總/ K = |U： U2

9、1 / 2K。9）計(jì)算地磁場(chǎng)的垂直分量氣=B總sin &。【實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)】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。測(cè)量地磁場(chǎng)水平分量，須將轉(zhuǎn)盤調(diào)節(jié)至水平；測(cè)地磁場(chǎng)B總和磁傾角&時(shí)，須將轉(zhuǎn)盤 面處于地磁子午面方向。測(cè)磁傾角&時(shí)，應(yīng)記錄不同&時(shí)，傳感器輸出電壓U，應(yīng)取10組&值，應(yīng)測(cè)出輸出 電壓U總變化很小&的范圍，然后求其平均值。這是因?yàn)闇y(cè)量時(shí)，偏差1。， U： = U總Cos1。= 0.998U變化很小，偏差4。，U總=U總Cos4。= 0.998U總，所以在偏 差1。至4。范圍U總變化極小。實(shí)驗(yàn)時(shí)應(yīng)測(cè)出U變化很小&角的范圍，然后求得平均值&?！緦?shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理】根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求自擬實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1、

10、2各項(xiàng)數(shù)據(jù)記錄表格。利用逐差法計(jì)算出靈敏度K = AU / AB。采用最小二乘法擬合，計(jì)算磁阻傳感器的靈敏度（選做。由B三U/K = U 1 - U 2|/2K。計(jì)算出當(dāng)?shù)氐卮艌?chǎng)水平分量B/。由磁傾角& = （&1 + &2）/2計(jì)算&值。計(jì)算出當(dāng)?shù)氐卮艌?chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度B：三U總/ K = lU： - U21/2K。7.計(jì)算地磁場(chǎng)的垂直分量氣=B總sin R【思考題】在測(cè)磁阻傳感器靈敏度時(shí)，為什么要測(cè)正向輸出電壓和反向兩次？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？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？附

11、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、南極分別在地理南極、北極附近，彼此并 不重合，如圖6-8-4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11。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?。ㄈ鐖D6-8-5所示）：1）磁偏角a，地球表面任一點(diǎn)的地磁場(chǎng)矢量所在垂直平面圖6-8-5中B與Z構(gòu)成的平面，稱地磁子午面），與地理子午面（圖6-8-5中X、Z構(gòu)成的平面）之間的夾角。2）磁傾角P，地磁場(chǎng)矢量B與水平面（即圖6-8-5的

12、矢量B和OX與OY構(gòu)成平面的夾 角）之間的夾角。_3）水平分量B，地磁場(chǎng)矢量B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)B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，但這一變化極其緩慢，極為微弱。圖5圖6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)度B|(10 4 T)測(cè)定年份北緯東經(jīng)齊齊哈爾47 22123 597 3464 270.2421916長(zhǎng)春43 51126 367 3060 200.2661916沈陽(yáng)4150123 286 4958 430.277北京39 56116 204 4857 230.2891

13、936天津3905.9117114 0456210.2931916太原3751.9112 333 1855 110.3011932濟(jì)南3639.5117013 3653 060.3081915蘭州3603.4103 4811553 240.312鄭州34 45113 4301850 430.3201932西安34 16108 573 0250 290.3231932南京3203.8118 4814246 430.3311922上海3111.5121263 1345 250.333成都30 38104 0305845 060.346武漢30 37114 202 2344 340.343安慶30 32117 0244 270.3411911杭州30 161200825944