1/1[實(shí)驗(yàn)報(bào)告]磁阻傳感器和地磁場(chǎng)的測(cè)量磁阻傳感器和地磁場(chǎng)的測(cè)量

一．試驗(yàn)?zāi)康?/p>

把握磁阻傳感器的特性。

把握地磁場(chǎng)的測(cè)量方法。

二．試驗(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、鈷、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6-8-1所示。薄膜的電阻率依靠于磁化強(qiáng)度和電流方向間的夾角，具有以下關(guān)系式

其中、分別是電流平行于和垂直于時(shí)的電阻率。當(dāng)沿著鐵鎳合金帶的長(zhǎng)度方向通以肯定的直流電流，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6-8-2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(chǎng)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

磁阻傳感器的構(gòu)造示意圖磁阻傳感器內(nèi)的惠斯通電橋

對(duì)于肯定的工作電壓，如，HMC1021Z磁阻傳感器輸出電壓與外界磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度成正比關(guān)系，

上式中，為傳感器的靈敏度，為待測(cè)磁感應(yīng)強(qiáng)度。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)四周產(chǎn)生較寬范圍的勻稱磁場(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：

上式中N為線圈匝數(shù)（500匝）；亥姆霍茲線圈的平均半徑；真空磁導(dǎo)率。

三．試驗(yàn)步驟

1、將磁阻傳感器放置在亥姆霍茲線圈公共軸線中點(diǎn)，并使管腳和磁感應(yīng)強(qiáng)度方向平行。即傳感器的感應(yīng)面與亥姆霍茲線圈軸線垂直。用亥姆霍茲線圈產(chǎn)生磁場(chǎng)作為已知量，測(cè)量磁阻傳感器的靈敏度。

2、將磁阻傳感器平行固定在轉(zhuǎn)盤上，調(diào)整轉(zhuǎn)盤至水平(可用水準(zhǔn)器指示)。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)度的水平重量的方向。記錄此時(shí)傳感器輸出電壓后，再旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)盤，記錄傳感器輸出最小電壓，由，求得當(dāng)?shù)氐卮艌?chǎng)水平重量。

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(chǎng)磁感應(yīng)強(qiáng)度水平重量方向放置，只是方向轉(zhuǎn)900。轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)整轉(zhuǎn)盤，分別登記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(chǎng)磁感應(yīng)強(qiáng)度的值。并計(jì)算地磁場(chǎng)的垂直重量。

四．試驗(yàn)數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)處理

測(cè)量傳感器靈敏度K

用最小二乘法擬合，得K=49.1V/T相關(guān)系數(shù)為r=0.998

測(cè)量磁傾角

測(cè)得磁傾角為45

測(cè)量地磁場(chǎng)B

由，算得磁傾角為=40

五．試驗(yàn)結(jié)果

首先測(cè)得了磁阻傳感器靈敏度K=49.1V/T，相關(guān)系數(shù)為r=0.998，所以最小二乘法擬合獲得了比較抱負(fù)的結(jié)果。直接測(cè)磁傾角測(cè)得=45。由，間接測(cè)得=40。與參考數(shù)據(jù)44相比，相對(duì)誤差分別為1%，與11%，后者誤差較大。測(cè)得武漢高校物理學(xué)院5樓處地磁場(chǎng)水平強(qiáng)度為0.30510-4T，與參考數(shù)據(jù)0.34310-4T相比，相對(duì)誤差為12%。測(cè)得地磁場(chǎng)總強(qiáng)度為0.40910-4。