西安交通大学综合与近代物理实验9.5-用磁阻效应测量地磁场.pdf
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实验 9.5 用磁阻效应测量地磁场
地磁场的数值比较小,约10?5 T 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量地磁场磁感应强度及
地磁场磁感应强度的水平分量和垂直分量;测量地磁场的磁倾角,从而掌握磁阻传感器的特
征及测量地磁场的一种重要方法。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。
一、 实验目的
1. 了解地磁场的分布;
2. 了解磁阻传感器的原理;
3. 掌握用磁阻传感器测量地磁场的方法。
二、 实验仪器
FD-HMC-2 地磁场测量仪。亥姆霍兹线圈,磁阻传感器及角度盘,导线等。
三、 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。
本实验所用得 HMC1021Z 型磁阻传感器由长而薄的坡莫合金(铁镍合金)制成一维磁
阻微电路集成芯片(二维和三维磁阻传感器可以测量二维或三维磁场)。它利用通常的半导
体工艺,将铁镍合金薄膜附着在硅片上,如图 1 所示。薄膜的电阻率 ρθ( ) 依赖于磁化强度
M 和电流 I 方向间的夹角θ ,具有以下关系式
2
ρθ( ) =+? ρ⊥⊥( ρ? ρ)cos ( θ) (1)
式中: ρ? 、 ρ⊥ 分别是电流 I 平行于 M 和垂直于 M 时的电阻率。当沿着铁镍合金带的长
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,合金带自身的阻值会
生较大的变化,利用合金带阻值这一变化,可以测量磁场大小和方向。同时制作时还在硅片
上设计了两条铝制电流带,一条是置位与复位带,该传感器遇到强磁场感应时,将产生磁畴
饱和现象,也可以用来置位或复位极性;另一条是偏置磁场带,用于产生一个偏置磁场,补
偿环境磁场中的弱磁场部分(当外加磁场较弱时,磁阻相对变化值与磁感应强度成平方关
系),使磁阻传感器输出显示线性增长。
图 1-磁阻传感器的构造示意图
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组成一个非平衡电桥,非平衡电桥输出部分接集成运算放
大器,将信号放大输出。传感器内部结构如图 2 所 示 。图 2 中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
式表示为
???R
UUout =?? × b (2)
??R
对于一定的工作电压,如Ub = 5.00V ,HMC1021Z 磁阻传感器输出电压Uout 与外界磁
场的磁感应强度成正比关系
Uout= U 0 ? KB (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量。
由于亥姆霍兹线圈的特点是能在其轴线中心点附近产生较宽范围的均匀磁场区,所以常
用作弱磁场的标准磁场。亥姆霍兹线圈公共轴线中心点位置的磁感应强度为
μ NI 8
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