磁阻传感器与地磁场测量
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B 0 NI 8
R 53/ 2
式中N为线圈匝数，I为线圈流过的电流强度，R 为亥姆霍兹线圈的平均半径， μ0为真空磁导率。
真空磁导率μ0 =4π×10-7N/A2
U
三、实验内容
1.测量磁阻传感器的灵敏度K
用亥姆霍兹线圈轴线中 心点附近产生的均匀磁场作 为标准磁场给磁阻传感器定 标，获得磁阻传感器的灵敏 度K。
3.磁阻传感器
❖ 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。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θ，具有以下关系式
( ) (∥ ) cos2
❖ 其中 ∥、 分 别是电流平行于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。
2.了解HMC1021Z型磁阻传感器的结构 原理及特性；
3. 用磁阻传感器测地磁场磁感应强度及地 磁场的水平分量和地磁倾角。
二、实验原理
1.地磁场
地磁场是一个向量场。常用的地
x
B∥
α
β
y
磁要素有7个，即地磁场总强度B， 水平强度B∥，垂直强度B⊥，X和Y B⊥ B
分别为B∥的北向和东向分量，α和 z β分别为磁偏角和磁倾角。
如图所示的长方形半导体薄片 （N型）处于图示方向的磁场中， 设CD方向通有直流电流，半导体内 的载流子将受到洛仑兹力的作用而 发生偏转，在A、B两端产生电荷积 聚，因而产生霍尔电场。
如果霍尔电场作用和某一速度的载流子的洛仑兹 力作用刚好抵消，那么小于或等于该速度的载流子 将发生偏转，因而沿外加电场方向运动的载流子数 目将减少，使CD方向的电阻增大，表现横向磁阻效 应。
❖ 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的应用前景。
预习要点
1.什么是磁阻效应？ 2.磁阻传感器的结构原理及输出特性？ 3.了解地磁场的知识？ 4. 如何用亥姆霍兹线圈其轴线中心点附近产
生的均匀磁场作弱磁场的标准磁场，给磁 阻传感器定标？
一、实验目的和学习要求
1. 了解什么是磁阻效应？磁阻效应的物理 机制？
直平面(图6中B∥与Z构成的平面，称地磁子午 面)，与地理子午面(图6中X、Z构成的平面)之 间的隔角。
2.磁阻效应
❖ 磁阻效应是指某些置于磁场中的金属或半导体的 电阻值随外加磁场变化而变化的现象。许多金属、 合金及金属化合物材料处于磁场中时，传导电子 受到强烈磁散射，使电阻显著增大，这种现象称 磁阻效应。同霍尔效应一样，磁阻效应也是由于 载流子在磁场中受到洛伦兹力而产生的。
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式中，K为传感器的灵敏度，B为外界磁场的 磁感应强度，U0为外加磁场为零时传感器的输出 量。用一个标准磁场对传感器进行定标，获得输 出灵敏度K后，即可通过传感器的输出测量磁场强 度。
4.标准磁场
※为了确定磁阻传感器的灵敏度，需要有一个标
准磁场来定标。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 共轴线中心点位置的磁感应强度由下式给出：
❖ 目前，磁阻效应广泛用于磁传感、磁力计、电 子罗盘、位置和角度传感器、车辆探测、GPS 导航、仪器仪表、磁存储(磁卡、硬盘)等领域。
不同的磁阻装置有不同的灵敏度，其电阻的相 对变化率△R/R与外磁场的关系如图所示。
可见磁阻效应对外磁场的极性 不灵敏，即正负磁场的响应相同； 在外加磁场较小时△R／R与磁场 强度的平方成正比，之后有一段 线性区域，但当外加磁场超过特 定值时，响应趋于饱和。
描述空间某一点地磁场的强度和方向，需要3 个独立的地磁要素。测量地磁场的这三个参量， 就可确定某一地点地磁场B矢量的方向和大小。
水平分量B∥：地磁场矢量B
在水平面上的投影。
x
B∥
α
β
y
磁倾角βபைடு நூலகம்地磁场强度矢量B
与水平面(即图6中的O-XY平面) B⊥ B
之间的夹角。
z
磁偏角α：地球表面任一点的地磁场矢量所在垂
105
实验介绍
❖ 地球本身具有磁性，所以地球和近地空间之间存 在着磁场，叫做地磁场。地磁场的数值比较小， 约10-5T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、 探矿等众多领域有着广泛的应用。
❖ 本实验采用新型坡莫合金磁阻传感器测定地磁场 磁感应强度及地磁场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方法。
如果将A、B端短接，霍尔电场将不存在，所有 电子将向A端偏转，使电阻变得更大，因而磁阻 效应加强。所以，可以看出，霍耳效应比较明显 的样品，磁阻效应就小；反之，霍耳效应比较小 的样品，磁阻效应就大。
通常以电阻率的相对改变量来表示磁阻
式中ρ0和ρB分别为无磁场和有磁场时的电阻率。
❖ 若外加磁场与外加电场垂直，称为横向磁阻效 应；若外加磁场与外加电场平行，称为纵向磁 阻效应。一般情况下，载流子的有效质量的驰 豫时间与方向无关，则纵向磁感强度不引起载 流子偏移，因而纵向磁阻效应不明显。
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将带有磁阻传感器的转盘水平放置，调节底板上螺 丝使转盘水平(可用水准器指示)，把转盘刻度调节 到角度θ=0o；
仪器主机恒流源逆时针旋至最小，亥姆霍兹线圈串 联接入励磁电流，磁阻传感器输出复位、调零。
测正向和反向两次的目的是消除地磁沿亥姆霍兹线 圈轴线方向(水平)分量的影响。改变电流方向时， 应先调解电流输出为零，再改变电流输入方向。
※ 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直流 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所示。
U b 5.00V
对于一定的工作电压，如U=5.00V， HMC1021Z磁阻传感器输出电压与外界磁场的 磁感应强度成正比关系。
R 53/ 2
式中N为线圈匝数，I为线圈流过的电流强度，R 为亥姆霍兹线圈的平均半径， μ0为真空磁导率。
真空磁导率μ0 =4π×10-7N/A2
U
三、实验内容
1.测量磁阻传感器的灵敏度K
用亥姆霍兹线圈轴线中 心点附近产生的均匀磁场作 为标准磁场给磁阻传感器定 标，获得磁阻传感器的灵敏 度K。
3.磁阻传感器
❖ 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。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θ，具有以下关系式
( ) (∥ ) cos2
❖ 其中 ∥、 分 别是电流平行于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。
2.了解HMC1021Z型磁阻传感器的结构 原理及特性；
3. 用磁阻传感器测地磁场磁感应强度及地 磁场的水平分量和地磁倾角。
二、实验原理
1.地磁场
地磁场是一个向量场。常用的地
x
B∥
α
β
y
磁要素有7个，即地磁场总强度B， 水平强度B∥，垂直强度B⊥，X和Y B⊥ B
分别为B∥的北向和东向分量，α和 z β分别为磁偏角和磁倾角。
如图所示的长方形半导体薄片 （N型）处于图示方向的磁场中， 设CD方向通有直流电流，半导体内 的载流子将受到洛仑兹力的作用而 发生偏转，在A、B两端产生电荷积 聚，因而产生霍尔电场。
如果霍尔电场作用和某一速度的载流子的洛仑兹 力作用刚好抵消，那么小于或等于该速度的载流子 将发生偏转，因而沿外加电场方向运动的载流子数 目将减少，使CD方向的电阻增大，表现横向磁阻效 应。
❖ 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的应用前景。
预习要点
1.什么是磁阻效应？ 2.磁阻传感器的结构原理及输出特性？ 3.了解地磁场的知识？ 4. 如何用亥姆霍兹线圈其轴线中心点附近产
生的均匀磁场作弱磁场的标准磁场，给磁 阻传感器定标？
一、实验目的和学习要求
1. 了解什么是磁阻效应？磁阻效应的物理 机制？
直平面(图6中B∥与Z构成的平面，称地磁子午 面)，与地理子午面(图6中X、Z构成的平面)之 间的隔角。
2.磁阻效应
❖ 磁阻效应是指某些置于磁场中的金属或半导体的 电阻值随外加磁场变化而变化的现象。许多金属、 合金及金属化合物材料处于磁场中时，传导电子 受到强烈磁散射，使电阻显著增大，这种现象称 磁阻效应。同霍尔效应一样，磁阻效应也是由于 载流子在磁场中受到洛伦兹力而产生的。
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式中，K为传感器的灵敏度，B为外界磁场的 磁感应强度，U0为外加磁场为零时传感器的输出 量。用一个标准磁场对传感器进行定标，获得输 出灵敏度K后，即可通过传感器的输出测量磁场强 度。
4.标准磁场
※为了确定磁阻传感器的灵敏度，需要有一个标
准磁场来定标。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 共轴线中心点位置的磁感应强度由下式给出：
❖ 目前，磁阻效应广泛用于磁传感、磁力计、电 子罗盘、位置和角度传感器、车辆探测、GPS 导航、仪器仪表、磁存储(磁卡、硬盘)等领域。
不同的磁阻装置有不同的灵敏度，其电阻的相 对变化率△R/R与外磁场的关系如图所示。
可见磁阻效应对外磁场的极性 不灵敏，即正负磁场的响应相同； 在外加磁场较小时△R／R与磁场 强度的平方成正比，之后有一段 线性区域，但当外加磁场超过特 定值时，响应趋于饱和。
描述空间某一点地磁场的强度和方向，需要3 个独立的地磁要素。测量地磁场的这三个参量， 就可确定某一地点地磁场B矢量的方向和大小。
水平分量B∥：地磁场矢量B
在水平面上的投影。
x
B∥
α
β
y
磁倾角βபைடு நூலகம்地磁场强度矢量B
与水平面(即图6中的O-XY平面) B⊥ B
之间的夹角。
z
磁偏角α：地球表面任一点的地磁场矢量所在垂
105
实验介绍
❖ 地球本身具有磁性，所以地球和近地空间之间存 在着磁场，叫做地磁场。地磁场的数值比较小， 约10-5T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、 探矿等众多领域有着广泛的应用。
❖ 本实验采用新型坡莫合金磁阻传感器测定地磁场 磁感应强度及地磁场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方法。
如果将A、B端短接，霍尔电场将不存在，所有 电子将向A端偏转，使电阻变得更大，因而磁阻 效应加强。所以，可以看出，霍耳效应比较明显 的样品，磁阻效应就小；反之，霍耳效应比较小 的样品，磁阻效应就大。
通常以电阻率的相对改变量来表示磁阻
式中ρ0和ρB分别为无磁场和有磁场时的电阻率。
❖ 若外加磁场与外加电场垂直，称为横向磁阻效 应；若外加磁场与外加电场平行，称为纵向磁 阻效应。一般情况下，载流子的有效质量的驰 豫时间与方向无关，则纵向磁感强度不引起载 流子偏移，因而纵向磁阻效应不明显。
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将带有磁阻传感器的转盘水平放置，调节底板上螺 丝使转盘水平(可用水准器指示)，把转盘刻度调节 到角度θ=0o；
仪器主机恒流源逆时针旋至最小，亥姆霍兹线圈串 联接入励磁电流，磁阻传感器输出复位、调零。
测正向和反向两次的目的是消除地磁沿亥姆霍兹线 圈轴线方向(水平)分量的影响。改变电流方向时， 应先调解电流输出为零，再改变电流输入方向。
※ 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直流 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所示。
U b 5.00V
对于一定的工作电压，如U=5.00V， HMC1021Z磁阻传感器输出电压与外界磁场的 磁感应强度成正比关系。