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用磁阻传感器测量地磁场
地磁场的数值比较小,约10T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定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性及测量地磁场的一种重要方法。
【实验目的】
1. 掌握磁阻传感器的特性和定标方法。
2. 掌握地磁场的测量方法。
【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。 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?(?)依赖于磁化强度M和电流I方向间的夹角?,具有以下关系式?5
?(?)????(?∥???)cos2? (1)
其中?∥、??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关系。
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?Uout????Vb (2)
?R?
对于一定的工作电压,如Vb?,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?U0?KB (3)
上式中,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
B?
?0NI8
R
5
3/2
??10?4I (4)
上式中每个线圈匝数N?500匝;亥姆霍兹线圈的平均半径R?10cm;真空磁导率;B为磁感应强度,单位T。?0?4??10?7N/A2;I为线圈流过的电流,单位A(安培)
【实验仪器】
测量地磁场装置如图3所示。它主要包括底座、转轴,带角刻度的转盘、磁阻传感器的引线、亥姆霍磁线圈、地磁场测定仪控制主机(包括数字式电压表、5V直流