地磁场测定实验.docx

地磁场测定实验 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性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 了解磁阻传感器的各向异性磁阻效应 掌握测量地磁场的定标及测量原理和方法 熟练使用最小二乘法拟合二、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 ? (? ) ? ? ? ( ? ? ? ) cos ? ∥ ? 2 ? （1） ∥ ?其中? 、? 分别是电流 I 平行于 M 和垂直于 M ∥ ? 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 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U  out 可以用下式表示为 U ? ? ? R ? ? U  (2) ? ? out ? R ? b Vb Vb 偏置磁场 电流 Ｍ θ Ｉ 铝合金带 外加磁场 R- R △ R+△ R 外加磁场 R +△ – + Vout R R-△ 玻莫合金薄膜 R 图 1 磁阻传感器的构造示意图 图 2 磁阻传感器内的惠斯通电桥 对于一定的工作电压，如U b ? 5 .00 V ，HMC1021Z 磁阻传感器输出电压U 1  out 与外界磁场的磁感应 强度成正比关系，  U out  ? U ? KB （3） 0 式中，K 为传感器的灵敏度，B 为待测磁感应强度。U 为外加磁场为零时传感器的输出量。 0 由于亥姆霍磁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。亥姆霍磁线圈公共轴线中心点位置的磁感应强度为 ? NI 8 B ? 0  （4） R 5 3 / 2 式中 N 为线圈匝数， I 为线圈流过的电流强度， R 为亥姆霍磁线圈的平均半径， ? 0 磁导率。 三．实验仪器 为真空 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 直流电源等)。 四．实验内容 测量磁阻传感器的灵敏度 K 调整转盘至水平，将磁阻传感器放置在亥姆霍兹线圈公共轴线中点，并使管脚和磁感应强度方 向平行。即把转盘刻度调节到角度? ? 0 ? ，使传感器的感应面与亥姆霍磁线圈轴线垂直。 接通仪器主机电源，主机恒流源逆时针旋至最小，磁阻传感器输出复位、调零。 将亥姆霍兹线圈串联连接通入励磁电流，用亥姆霍兹线圈产生磁场作为已知量，测量磁阻传感器 的灵敏度 K 。表 1 中，正向输出电压U 1 是指励磁电流为正方向时测得的磁阻传感器产生的输出电压， 而反向U 是指励磁电流为反向时，传感器输出电压，U ? (U 2 1 U ) / 2 。测正向和反向,目的是消除 2 地磁沿亥姆霍兹线圈方向(水平)分量的影响。改变电流方向时，应先调节电流输出为零，再改变电流输出方向。 测量地磁场水平分量 B 水平 将亥姆霍兹线圈与直流电源的连接线拆去，调整底板螺丝使转盘至水平(可用水准器指示)。 调节角游标对准零刻度线? ? 0 ? ，