磁阻传感器和地磁场的测量

电流 外加磁场
Ｍ
θＩ
铝合金带
玻莫合金薄膜
Vb 偏置磁场
外加磁场
R-△R
R+△ R
R+△ R
R-△R
– Vout +
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 out
R R
Vb
磁阻传感器的构造示意图 磁阻传感器内的惠斯通电桥
对于一定的工作电压，如Vb 6.00V ，HMC1021Z 磁阻传感器输出电压 U out 与外界磁场的磁感应强度成正比关系，U out U 0 KB
R 53/ 2
上式中 N 为线圈匝数（500 匝）；亥姆霍兹线圈的平均半径 R 10cm； 真空磁导率 0 4 10 7 N / A2 。
三． 实验步骤
1、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。即传感器的感应面与亥姆霍兹线圈轴线垂直。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 。
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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 6-8-2 所示，图中由于适当配置的四个磁电阻电流方
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 6-8-1 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 ( ) (∥ ) cos2 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
磁感应强度水平分量 B∥ 方向放置，只是方向转 900。转动调节转盘， 分别记下传感器输出最大和最小时转盘指示值和水平面之间的夹角
1 和
2 ，同时记录此最大读数U1
和U
2
。由磁倾角
(1
2)/
2
计算
的值。
4、由
U1
U
2
/
2
KB ，计算地磁场磁感应强度
B
的值。并计算地磁
场的垂直分量 B Bsin 。
84．0
90．0
87．0
50.0
2．25
107
112
110
60.0
2．68
129
132
131
用最小二乘法拟合，得 K=49.1V/T 相关系数为 r=0.998
测量磁倾角
43 43 44 44 45 45 46 46 47 47
U 总 -1.14 -1.13 -1.13 -1.13 -1.13 -1.13 -1.13 -1.13 -1.14 -1.14 /mV
2、将磁阻传感器平行固定在转盘上，调整转盘至水平(可用水准器
指示)。水平旋转转盘，找到传感器输出电压最大方向，这个方向就
是地磁场磁感应强度的水平分量 B∥ 的方向。记录此时传感器输出电压 U1 后，再旋转转盘，记录传感器输出最小电压U 2 ，由 U1 U2 / 2 KB∥， 求得当地地磁场水平分量 B∥ 。 3、将带有磁阻传感器的转盘平面调整为铅直，并使装置沿着地磁场
磁阻传感器和地磁场的测量
一． 实验目的 掌握磁阻传感器的特性。 掌握地磁场的测量方法。
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。
测得磁倾角为 45
测量地磁场 B
电压 1
2
3
4
5 平均
结果
U1 17.8 17.8 17.8 17.8 17.9 17.8 U ‘/mV
/mV=15.0
=0.305
×10-4
平 U2 -12.2 -12.3 -12.2 -12.2 -12.2 -12.2 行 ‘/mV
U U1/mV 23.7 23.7 23.8 23.8 23.8 23.8 总 U2/mV -16.3 -16.3 -16.3 -16.3 -16.3 -16.3
四． 实验数据与数据处理
测量传感器灵敏度 K
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励磁电流 磁感应强度
U/mV
平均 /mV
I/mA
B/10-4T
正向 U1/mV 反向 U2/mV
10.0
0．450
21．0
22．0
22．0
20.0
0．899
42．0
44．0
43．0
30.0
1．35
62．0
65．0
64．0
40.0
1．80
/mV=20.1
=0.409
×10-4
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由 ， 算得磁倾角为
=40
五． 实验结果
首先测得了磁阻传感器灵敏度 K=49.1V/T，相关系数为 r=0.998，
Байду номын сангаас
所以最小二乘法拟合获得了比较理想的结果。 直接测磁倾角测得
=45 。由 ， 间接测得 =40 。与参考数据 44 相比，相对
上式中，K 为传感器的灵敏度，B 为待测磁感应强度。U 0 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
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轴线中心点位置的磁感应强度为： B 0 NI 8 44.96104 I
误差分别为 1%，与 11% ，后者误差较大。 测得武汉大学物理学院
5 楼处地磁场水平强度为 0.305×10-4T， 与参考数据 0.343×10-4T 相
比，相对误差为 12% 。测得地磁场总强度为 0.409×10-4。
六． 误差分析
由于在室内进行处理，周围的铁磁性物质及建筑物都会对地磁场造
成影响。此外还有仪器误差，操作者所用的磁阻传感器接触不良，有