手机磁传感器的基本原理
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自选实验报告
孙炫东 2020年4月1日
主要完成的项目
• 通电螺线管的磁场 • 手机磁传感器原理的探究 • iphone磁传感器轴线方位的探究 • 通电螺线管产生的磁场和电流关系的探究
• 音叉频率的测量 • 使用phyphox的FFT频谱功能对音叉频率进行测量 • 关于phyphox的FFT频谱功能的误差分析 • 使用拍频测量方法对音叉频率进行测量 • 拍频测量中的误差 • phyphox中音频功能编程相关的问题
5
通电螺线管的磁场
我购买了一套中学电学实验器材。电路 图如上图所示。实验中，手机如右图所 示放置在通电螺线管左侧，电流从红线 流入，黑线流出。在通电螺线管内部， 磁场从右向左。
6
通电螺线管的磁场——iphone磁传感器轴线方位的探究
实验步骤： 1.选取手机长宽高任意一轴对准螺线 管轴线。开始使用phyphox自带的磁 力计记录磁场变化。
15
音叉频率的测量——拍频法
音叉编 号
A1 A2 A3 A4
标定频 率
(Hz)
512
512
256
256
Phyphox的 频谱测得频
率(Hz)
480.47
490.72
262.21
254.88
拍测得频 率(Hz)
480.30 491.00 261.99 254.83
误差
-0.04% 0.06% -0.08% -0.02%
512
480.47
512
490.72
256
262.21
256
254.88
12
音叉频率的测量——FFT中样本数对误差的影响
设定放出的音频频率
512.00 512.00 512.00 512.00 512.00
样本数
2048 4096 8192 16384 32768
FFT测得频率
515.62 515.62 509.77 512.70 512.70
2.绕螺线管的轴旋转手机360°
3.观察磁力计xyz轴的变化。按照几何， xyz轴中于螺线管相平行的轴对应的数 据应该没有方向变化。另外两轴的数 据应该有正负变化。 例如，左边两图中，y轴数据没有正负 变化，说明左一图中螺线管轴于指向 的是手机y轴。
7
通电螺线管的磁场
8
通电螺线管的磁场
实验步骤： 1.首先断开开关，放置手机，使磁传 感器y轴与螺线管轴平行。使用磁力 计记录地磁。在之后的数据分析中需 要扣除地磁。
13
音叉频率的测量——拍频法
实验原理： 考虑两列传播方向相同，振幅相同的声波：
它们的频率分别是f1和f2，它们合成的声波形式为：
当f1和f2相差不大时，f1-f2这一项相较于f1+f2变化较慢，因此表现为合成声波的振幅随时间变化（如图所 示）。振幅的变化频率称为拍频，其频率为Δf=|f1-f2|。 基于此原理，可以通过测量未知频率的音叉和已知频率声波的合成声波的拍频，来倒推出音叉的频率。
• phyphox不会给每个数据打上时间戳，需 要用设定的录音时间倒推时间点。
• 内存需要按照录音时间进行更改。 • 实测.xls文件处理不了5s的数据，但是改为 19
输出.csv文件就可以解决。
phyphox音频程序的探究
由于phyphox不会给每个数据点打上时间戳，因此需要根据采样频率倒推每个 数据的时间点。一般手机的采样频率使48000Hz，在editor中可在input模块修 改。但是当选取了手机不支持的采样频率时，此项改动不会有作用。在analyze 模块中，使用ramp计算时间轴。假定录音时间为5s，则其output的内存量应该 设为5×48000=240000。audio模块的内存同样应该设置为240000。此外，在 分析选项analysis option中也应该将分析睡眠时间设为5s，这一项决定了录音 多少时间后，才会在屏幕上显示波形。
误差
0.71% 0.71% -0.44% 0.14% 0.14%
在使用FFT对音叉进行频率测量时，误差来自于采样数（即录 音时长）。使用一台手机利用phyphox的Tone generator功能 产生标准的512Hz声音，再使用另一台手机，在不同采样数设 定下进行频谱分析。结果如上表所示，明显观察到，提高采 样数可以减小FFT中的误差。
14
音叉频率的测量——拍频法
实验步骤： 1.使用手机A，利用利用phyphox的Tone generator功能产生标准频率的声音f1，f1应该和 音叉标定的频率相近。 2.打开手机B，利用自己编写的phyphox程序记 录声波。 3.敲击音叉，记录声波。不断重复实验，使得两 列声波尽可能平行，并且有振幅相等的时段。 4.从声波上截取两列声波振幅相等的区域，读取 拍频Δf，倒推出音叉的频率f2。
2.闭合开关，通过调节滑动变阻器， 调节通过螺线管的电流。记录特定电 流下螺线管产生的磁场。
注：滑动变阻器本身也是一个螺线管， 所以为了保证变阻器不影响测量，实 验室将其放置在2m以外。
9
通电螺线管的磁场
10
音叉频率的测量——傅里叶变换法
测量音叉频率的第一种方法是使用 phyphox自带的频谱分析程序。
为了使测量结果以线性的方式变化，AMR材料上 的金属导线呈45º角倾斜排列，电流从这些导线上 流过。由初始的强磁场在AMR材料上建立起来的 主磁域M和电流I的方向有45º的夹角。
【1】https://blog.csdn.net/jj163zhuangzi/article/details/50731352
以phyphox频谱分析得到的频率为标准，可以看到使用拍 频测得的频率非常准确。前提条件是，拍频的测量要取在 振幅相等的区域，否则可能有较大误差。（见后）
16
音叉频率的测量——拍频法
由于音叉的振幅 随时间不断减弱， 因此，应该调整 手机音量，使波 形中有一段振幅 可以降到零
音叉振幅>手机振幅 Δf=22.5Hz 误差-0.25%
3
手机磁传感器的基本原理
wk.baidu.com
当有外界磁场Ha时，AMR上主磁域方向 就会发生变化而不再是初始的方向了， 那么磁场方向和电流的夹角θ也会发生变 化，对于AMR材料来说，θ角的变化会引 起AMR自身阻值R的变化，并且呈线性 关系。
4
手机磁传感器的基本原理
磁传感器利用惠斯通电桥检测AMR阻值的变化。R1/R2/R3/R4是初始状态相同的AMR电阻， 但是R1/R2和R3/R4具有相反的磁化特性。当检测到外界磁场的时候，R1/R2阻值增加∆R而 R3/R4减少∆R。这样在没有外界磁场的情况下，电桥的输出为零；而在有外界磁场时电桥的 输出为一个微小的电压∆V。当R1=R2=R3=R4=R，在外界磁场Ha的作用下电阻变化为∆R时， 电桥输出ΔV正比于ΔR。这就是手机磁力计的工作原理。
音叉振幅=手机振幅 Δf=21.0Hz 误差0 . 0 6 %
音叉振幅<手机振幅
Δf=21.0Hz
误差0 . 0 6 %
17
phyphox音频程序的探究
原版phyphox 程序最大只允 许录音500ms， 长时间录音需 要用editor编 辑。
• phyphox不适合长时间录音，因为数据量 过大，内存和输出的excel处理不了。
20
• 谢谢
21
• phyphox不会给每个数据打上时间戳，需 要用设定的录音时间倒推时间点。
• 内存需要按照录音时间进行更改。 • 实测.xls文件处理不了5s的数据，但是改为 18
输出.csv文件就可以解决。
原版phyphox 程序最大只允 许录音500ms， 长时间录音需 要用editor编 辑。
• phyphox不适合长时间录音，因为数据量 过大，内存和输出的excel处理不了。
2
手机磁传感器的基本原理【1】
手机磁传感器采用各向异性磁致电阻（Anisotropic Magneto-Resistance）材料来检测空间中磁感应强度 的大小。这种具有晶体结构的合金材料对外界的磁场 很敏感，磁场的强弱变化会导致AMR自身电阻值发生 变化。在制造过程中，将一个强磁场加在AMR上使其 在某一方向上磁化，建立起一个主磁域M，与主磁域M 垂直的轴被称为该AMR的敏感轴。
其原理是录取一段时长的声波（时 长由设置中的采样数确定），然后 进行快速傅里叶变换，得到音叉的 频谱。频谱的峰值对应音叉的频率。
在实验中，对四个音叉进行频谱分 析（2个标定为512Hz，2个标定为 256Hz）。
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音叉频率的测量——傅里叶变换法
音叉编 号
A1 A2 A3 A4
标定频 率
(Hz)
phyphox测 得频率(Hz)
孙炫东 2020年4月1日
主要完成的项目
• 通电螺线管的磁场 • 手机磁传感器原理的探究 • iphone磁传感器轴线方位的探究 • 通电螺线管产生的磁场和电流关系的探究
• 音叉频率的测量 • 使用phyphox的FFT频谱功能对音叉频率进行测量 • 关于phyphox的FFT频谱功能的误差分析 • 使用拍频测量方法对音叉频率进行测量 • 拍频测量中的误差 • phyphox中音频功能编程相关的问题
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通电螺线管的磁场
我购买了一套中学电学实验器材。电路 图如上图所示。实验中，手机如右图所 示放置在通电螺线管左侧，电流从红线 流入，黑线流出。在通电螺线管内部， 磁场从右向左。
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通电螺线管的磁场——iphone磁传感器轴线方位的探究
实验步骤： 1.选取手机长宽高任意一轴对准螺线 管轴线。开始使用phyphox自带的磁 力计记录磁场变化。
15
音叉频率的测量——拍频法
音叉编 号
A1 A2 A3 A4
标定频 率
(Hz)
512
512
256
256
Phyphox的 频谱测得频
率(Hz)
480.47
490.72
262.21
254.88
拍测得频 率(Hz)
480.30 491.00 261.99 254.83
误差
-0.04% 0.06% -0.08% -0.02%
512
480.47
512
490.72
256
262.21
256
254.88
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音叉频率的测量——FFT中样本数对误差的影响
设定放出的音频频率
512.00 512.00 512.00 512.00 512.00
样本数
2048 4096 8192 16384 32768
FFT测得频率
515.62 515.62 509.77 512.70 512.70
2.绕螺线管的轴旋转手机360°
3.观察磁力计xyz轴的变化。按照几何， xyz轴中于螺线管相平行的轴对应的数 据应该没有方向变化。另外两轴的数 据应该有正负变化。 例如，左边两图中，y轴数据没有正负 变化，说明左一图中螺线管轴于指向 的是手机y轴。
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通电螺线管的磁场
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通电螺线管的磁场
实验步骤： 1.首先断开开关，放置手机，使磁传 感器y轴与螺线管轴平行。使用磁力 计记录地磁。在之后的数据分析中需 要扣除地磁。
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音叉频率的测量——拍频法
实验原理： 考虑两列传播方向相同，振幅相同的声波：
它们的频率分别是f1和f2，它们合成的声波形式为：
当f1和f2相差不大时，f1-f2这一项相较于f1+f2变化较慢，因此表现为合成声波的振幅随时间变化（如图所 示）。振幅的变化频率称为拍频，其频率为Δf=|f1-f2|。 基于此原理，可以通过测量未知频率的音叉和已知频率声波的合成声波的拍频，来倒推出音叉的频率。
• phyphox不会给每个数据打上时间戳，需 要用设定的录音时间倒推时间点。
• 内存需要按照录音时间进行更改。 • 实测.xls文件处理不了5s的数据，但是改为 19
输出.csv文件就可以解决。
phyphox音频程序的探究
由于phyphox不会给每个数据点打上时间戳，因此需要根据采样频率倒推每个 数据的时间点。一般手机的采样频率使48000Hz，在editor中可在input模块修 改。但是当选取了手机不支持的采样频率时，此项改动不会有作用。在analyze 模块中，使用ramp计算时间轴。假定录音时间为5s，则其output的内存量应该 设为5×48000=240000。audio模块的内存同样应该设置为240000。此外，在 分析选项analysis option中也应该将分析睡眠时间设为5s，这一项决定了录音 多少时间后，才会在屏幕上显示波形。
误差
0.71% 0.71% -0.44% 0.14% 0.14%
在使用FFT对音叉进行频率测量时，误差来自于采样数（即录 音时长）。使用一台手机利用phyphox的Tone generator功能 产生标准的512Hz声音，再使用另一台手机，在不同采样数设 定下进行频谱分析。结果如上表所示，明显观察到，提高采 样数可以减小FFT中的误差。
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音叉频率的测量——拍频法
实验步骤： 1.使用手机A，利用利用phyphox的Tone generator功能产生标准频率的声音f1，f1应该和 音叉标定的频率相近。 2.打开手机B，利用自己编写的phyphox程序记 录声波。 3.敲击音叉，记录声波。不断重复实验，使得两 列声波尽可能平行，并且有振幅相等的时段。 4.从声波上截取两列声波振幅相等的区域，读取 拍频Δf，倒推出音叉的频率f2。
2.闭合开关，通过调节滑动变阻器， 调节通过螺线管的电流。记录特定电 流下螺线管产生的磁场。
注：滑动变阻器本身也是一个螺线管， 所以为了保证变阻器不影响测量，实 验室将其放置在2m以外。
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通电螺线管的磁场
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音叉频率的测量——傅里叶变换法
测量音叉频率的第一种方法是使用 phyphox自带的频谱分析程序。
为了使测量结果以线性的方式变化，AMR材料上 的金属导线呈45º角倾斜排列，电流从这些导线上 流过。由初始的强磁场在AMR材料上建立起来的 主磁域M和电流I的方向有45º的夹角。
【1】https://blog.csdn.net/jj163zhuangzi/article/details/50731352
以phyphox频谱分析得到的频率为标准，可以看到使用拍 频测得的频率非常准确。前提条件是，拍频的测量要取在 振幅相等的区域，否则可能有较大误差。（见后）
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音叉频率的测量——拍频法
由于音叉的振幅 随时间不断减弱， 因此，应该调整 手机音量，使波 形中有一段振幅 可以降到零
音叉振幅>手机振幅 Δf=22.5Hz 误差-0.25%
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手机磁传感器的基本原理
wk.baidu.com
当有外界磁场Ha时，AMR上主磁域方向 就会发生变化而不再是初始的方向了， 那么磁场方向和电流的夹角θ也会发生变 化，对于AMR材料来说，θ角的变化会引 起AMR自身阻值R的变化，并且呈线性 关系。
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手机磁传感器的基本原理
磁传感器利用惠斯通电桥检测AMR阻值的变化。R1/R2/R3/R4是初始状态相同的AMR电阻， 但是R1/R2和R3/R4具有相反的磁化特性。当检测到外界磁场的时候，R1/R2阻值增加∆R而 R3/R4减少∆R。这样在没有外界磁场的情况下，电桥的输出为零；而在有外界磁场时电桥的 输出为一个微小的电压∆V。当R1=R2=R3=R4=R，在外界磁场Ha的作用下电阻变化为∆R时， 电桥输出ΔV正比于ΔR。这就是手机磁力计的工作原理。
音叉振幅=手机振幅 Δf=21.0Hz 误差0 . 0 6 %
音叉振幅<手机振幅
Δf=21.0Hz
误差0 . 0 6 %
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phyphox音频程序的探究
原版phyphox 程序最大只允 许录音500ms， 长时间录音需 要用editor编 辑。
• phyphox不适合长时间录音，因为数据量 过大，内存和输出的excel处理不了。
20
• 谢谢
21
• phyphox不会给每个数据打上时间戳，需 要用设定的录音时间倒推时间点。
• 内存需要按照录音时间进行更改。 • 实测.xls文件处理不了5s的数据，但是改为 18
输出.csv文件就可以解决。
原版phyphox 程序最大只允 许录音500ms， 长时间录音需 要用editor编 辑。
• phyphox不适合长时间录音，因为数据量 过大，内存和输出的excel处理不了。
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手机磁传感器的基本原理【1】
手机磁传感器采用各向异性磁致电阻（Anisotropic Magneto-Resistance）材料来检测空间中磁感应强度 的大小。这种具有晶体结构的合金材料对外界的磁场 很敏感，磁场的强弱变化会导致AMR自身电阻值发生 变化。在制造过程中，将一个强磁场加在AMR上使其 在某一方向上磁化，建立起一个主磁域M，与主磁域M 垂直的轴被称为该AMR的敏感轴。
其原理是录取一段时长的声波（时 长由设置中的采样数确定），然后 进行快速傅里叶变换，得到音叉的 频谱。频谱的峰值对应音叉的频率。
在实验中，对四个音叉进行频谱分 析（2个标定为512Hz，2个标定为 256Hz）。
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音叉频率的测量——傅里叶变换法
音叉编 号
A1 A2 A3 A4
标定频 率
(Hz)
phyphox测 得频率(Hz)