地磁场测定实验

地磁场的测量

一、实验目的

1．掌握坡莫合金磁阻传感器的定标

2．测量地磁场水平分量和磁倾角的方法

二、实验仪器

FD-HMC-2型磁阻传感器与地磁场实验仪

三、实验原理

地磁场作为一种天然磁源，在军事、航空、工业、医学、探矿等科研中有着重要用途。地磁场的数值比较小，约5

10 T量级，但在直流磁场测量，特别是弱磁场测量中，往往要知道其数值，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，因而在弱磁测量方面有广泛应用前景。

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，镍及合金等磁性金属，当外加磁场平行与磁体部磁化方向时，电阻几乎不随外加磁场变化；当外加磁场偏离金属的部磁化方向时，此类金属的电阻减小，这就是强磁金属的各相异性磁阻效应。

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和三维磁场）。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)(θρ依赖于磁化强度M 和电流I 方向间的夹角θ，具有以下关系公式

θρρρθρ2//cos )()(⊥⊥-+=

其中//ρ、⊥ρ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发生较大的变化，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 型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out U 可以用下式表示为

铝合金带玻莫合金薄膜外加磁场电流

θＩ

Ｍ外加磁场–+

Vout

偏置磁场

R +△R

R

+△R R -△

R R -△R Vb 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

b out U R R

U ⨯=)(∆

对于一定的工作电压，如b U =5.00V ，HMC1021Z 型磁阻传感器输出电压out U 与外界磁场的磁感应强度成正比关系

KB U U out +=0

式中，K 为传感器的灵敏度，B 为待测磁感应强度。0U 为外加磁场为零时传感器的输出量。

本实验先利用亥姆霍兹线圈产生的磁场对传感器进行定标，求出传感器的灵敏度K ，然后，根据传感器的电压输出，求地磁场。

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

23058

R NI B μ=

式中N 为线圈匝数，I 为线圈流过的电流强度，R 为亥姆霍兹线圈的平均半径，0μ为真空磁导率。本实验亥姆霍兹线圈每个线圈匝数N =500匝，线圈的半径R =10cm ；真空磁导率270/104A N -⨯=πμ

亥姆霍兹线圈轴线上中心位置的磁感应强度为（二个线圈串联）

I I R NI B 42372301096.445

100.0500104858--⨯=⨯⨯⨯⨯⨯==πμ 式中，B 为磁感应强度，单位T （特斯拉）；I 为通过线圈的电流，单位A （安培）。

四、仪器简介

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，亥姆霍兹线圈，地磁场测定以控制主机（包括数字式电压表，5V 直流电源等）。刻度盘可取水平和竖直方位。

五、实验容

1．测量传感器的灵敏度K

（1） 将磁阻传感器放置在亥姆霍兹线圈公共轴线中点，并使管脚和亥姆霍兹线圈的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，用水准

仪调整转盘水平。

（2）当励磁电流为零时，对数字电压表调零。

（3）分别测量=I 10.0mA,20.0mA,30.0mA,40.0mA,50.0mA,60.0mA 时磁阻传感器输出的正向电压值1U 和反向电压值2U ，传感器输出电压为2/21U U U -=。注意：先正向测量，后反向测量。正向测量完成后，一定先把电流减小到零，再把电流反向，以免电流突然换向，亥姆霍兹线圈中心产生很大的感应磁场。测正向 和反向两次，目的是消除地磁沿亥姆霍兹线圈方向（水平）分量的影响。 1．恒流源 2．数字电压表 3．HMC1021Z 磁阻传感器输入

输出引线 4．亥姆霍兹线圈 5．刻度盘 图4 地磁场测量装置 图3 传感器局部图 管脚

（4）用亥姆霍兹磁线圈产生磁场作为已知量，根据KB U U out +=0，用最小二乘法求出磁阻传感器的灵敏度K 。

2．测量地磁场的水平分量//B ；地磁场的磁感应强度总B ；地磁场的垂直分量⊥B ，磁倾角β。

（1）将亥姆霍兹线圈与直流电源的连线拆去。

（2）把转盘刻度调节到角度 0=θ。

（3）水平转动亥姆霍兹线圈整体，同时用水准仪调节转盘使其水平，找到传感器输出电压最大方向（即管脚所指方向），这个方向就是地磁场磁感应强度的水平分量//B 的方向。

（4）记录传感器输出电压最大时的//U 后，再旋转转盘，记录传感器输出最小电

压//

U '，由K U U B 2///////'-=,求得当地地磁场水平分量//B 。 （5）亥姆霍兹线圈整体不动，将转盘平面调整为铅直，此时转盘面为地磁场子午面方向。转动转盘，分别记下传感器输出电压最大和最小时转盘的指示值和水

平面之间的夹角1β和2β，同时记录此最大读数1U '和2

U '（应为游标零线与度盘竖直0度线所夹的小角）。由磁倾角2/)(21βββ+=计算β的值。由

总总KB U U U ='-'=2/21

，计算地磁场磁感应强度总B 的值。并计算地磁场的垂直分量βSin B B 总=⊥。因为磁倾角偏差 1至 4围，总U 变化极小，所以要求测量4

次。

六、数据处理

要求自己设计表格，并处理数据。