用磁阻效应测量地磁场

( 1 2 ) / 2 计算β的值。
4.计算地磁场强度和地磁场的垂直分量
由
U2 | / 2 KB | U1
，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⊥=Bs inβ。
2
四、原始数据记录：
1、测量磁阻传感器的灵敏度 K
励磁电流 正向 U1/mV 2.85 5.67 8.49 11.32 14.11 16.87 反向 U2/mV -2.87 -5.69 -8.52 -11.35 -14.18 -16.99
0.45 0.90 1.35 1.80 2.25 2.70
U
/mV
2.86 5.68 8.505 11.335 14.145 16.93
3
Equation Adj. R-Square B
y = a + b*x 0.99999 Value Intercept Slope 0.05167 6.25873 Standard Error 0.01433 0.00818
R U out Ub R
（2）
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，磁阻传感器输出电压 Uout 与外界磁场的磁感应强度成正比关系：
Uout U0 KB
亥姆霍磁线圈公共轴线中心点位置的磁感应强度为
（3）
B
0 NI 8
2.测量地磁场的水平分量
将亥姆霍兹线圈与直流电源的连接线拆去，将磁阻传感器平行固定在转盘上，调整转盘至水平, 把转盘刻度调节到θ=0, 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 U∥1 后，再反向旋转转盘 180°，记录传感器 输出最小电压 U∥2，求得当地地磁场水平分量 B∥。
误差为：
垂直分量：
4
六、注意事项
1. 测量地磁场水平分量，须将转盘调节至水平；测量地磁场 地磁子午面方向。 2. 实验仪器周围的一定范围内不应存在铁磁金属物体，以保证测量结果的准确性。
U 总 和磁倾角 时，须将转盘面处于
七、思考题
1. 磁阻传感器和霍耳传感器在工作原理和使用方法方面各有什么特点和区别？ 答：磁阻元件类似霍尔元件，但它的工作原理是利用半导体材料的磁阻效应(或称高斯效应)。与 霍尔效应的区别如下；即霍尔电势是指垂直于电流方向的横向电压，而磁阻效应则是沿电流方向的电 阻变化。 霍耳传感器的工作原理是基于霍耳效应，一般用它可以直接测量霍耳电势差的大小，测出磁场强 度，也可用以判别磁感应强度方向。 磁阻传感器是利用置于磁场中的合金带自身的阻值发生变化来测量磁场的大小和方向。与大多数 固态传感器一样，磁阻传感器的工作电路是以非平衡电桥形式输出，它直接将磁阻变化转换成电压输 出。 2. 如果在测量地磁场时，在磁阻传感器周围较近处，放一个铁钉，对测量结果将产生什么影响？ 答： 铁磁性物质放在磁阻传感器周围较近处， 将干扰地磁场的大小， 甚至干扰局部地磁场的方向， 使测量结果发生异常。利用这一点可以探测铁矿。
(1 2 ) / 2 (51028' 52024') / 2 51056'
51056'-500 29' -标准 E 100%= 100%=2.9% 标准 500 29'
B B sin B sin 51056' 0.450 104 0.79 0.354 104 T
传感器特性测量装置
图 4 用磁阻传感器测量地磁场实验装置
三、实验内容
测量校园内教学主楼 5 层地磁场参量 1、测量磁阻传感器的灵敏度 K
使传感器的感应面与亥姆霍磁线圈轴线垂直。用亥姆霍磁线圈产生磁场作为已知量，测量磁阻传 感器的灵敏度 K。 分别取励磁电流为 10.0mA、20.0mA、30.0mA、40.0mA、50.0mA、60.0mA，同时分别记录正向 输出电压 U1 和反向输出的电压 U2。 根据测量的数据, 用最小二乘法拟合，求出该磁阻传感器的灵敏度 K。
U/mV
16
B
12
8
4
B/10^-4T
0 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5
图一 U-B 线性拟合曲线 由实验数据处理图像得：y=6.26x+0.05 即：
Baidu Nhomakorabea
Uout =6.26B+0.05
K 6.26mV/104 T
2.测量地磁场的水平分量
由
2.81 （ 1.12） U//1 U//2 / 2 KB// B/ / U / /1 U / /2 / 2 K 0.314 104 T 2 6.26
3.测量磁倾角
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感应强度水平分量 B∥方向放 置，只是方向转 90°（使转盘面处于地磁子午面方向） 。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β 1 和β 2 ， 同时记录 此最大读 数
U1
和
U2
。由磁倾角
5
( ) ( )cos2
其中
（1）

、
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 Uout 可以用下式表示为：
I / mA
10.0 20.0 30.0 40.0 50.0 60.0
2.测量地磁场的水平分量
最大电压角度：179°40′ 最小电压角度：178°30′ 传感器输出电压：2.81mv 传感器输出电压：-1.12mv
3.测量磁倾角
最大电压角度：51°28′ 最小电压角度：52°24′ 传感器输出电压：4.67mv 传感器输出电压：-0.97mv
用磁阻效应测量地磁场
课程：综合物理实验 专业班号：****** 姓名：** 学号：****** 实验日期：2011 年**月**日 交报告日期：2011 年**月**日 同组者： 第1页共5页
一、实验原理
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。将铁镍合金薄膜附着在硅片上，如图 1 所示。薄膜的电阻率ρ（θ）依赖于磁化强度 M 和电流 I 方向间的夹角θ，具有以下关系式：
误差为： E
B/ / -B/ / 标准 B/ / 标准
100%=
0.323 0.314 0.323
100%=2.8%
3.测量磁倾角
U B U1 2 / 2K U U1 2 / 2 KB
磁倾角：
4.67 (0.97) 2 6.26
0.450 104 T
R 53/ 2
（4）
其中 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，μ0 为真空磁导 率。
1
二、实验装置
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）
图3
五、数据处理：
1、测量磁阻传感器的灵敏度 K
输出电压 Uout 与外界磁场的磁感应强度成正比关系：
Uout U0 KB
7 2 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 0 4 10 N / A 。
B
80 NI 8 4 107 500 I 44.96 104 I R53/ 2 0.100 53/ 2
励磁电流
磁感应强度
正向 U1/mV 2.85 5.67 8.49 11.32 14.11 16.87
反向 U2/mV -2.87 -5.69 -8.52 -11.35 -14.18 -16.99
平均
I / mA
10.0 20.0 30.0 40.0 50.0 60.0 线性拟合图如下：
B /104 T