各向异性磁阻效应与传感器实验.

各向异性磁阻效应与传感器实验【实验目的】

1. 了解正常磁电阻效应、各向异性电阻效应的基本知识。

2. 了解各向异性磁阻传感器原理并对特性进行测量。

3. 测量亥姆霍兹线圈的磁场分布。

【实验原理】

1.磁电阻

通常磁场会影响电阻率变化，磁电阻表示为。

（1）正常磁电阻效应

正常磁电阻效应是由于电子受到洛伦兹力，产生回旋运动，增加了散射几率，导致电阻率增加。在低磁条件下，随着温度的升高，电阻率增加。

（2）各向异性磁电阻效应

AMR依赖于磁场方向和电流方向的夹角。电阻率表示为：

2. 各向异性磁阻传感器

各向异性电阻由沉积在硅片上的坡莫合金薄膜形成电阻。沉积时外加磁场，形成易磁化轴方向，通常通电电流与易磁化轴方向成45度角。

下图是由四个各向异性磁阻原件构成的惠斯特电桥。无外磁场时，四个阻值相等，输出电压为0。有外磁场时，合成磁化方向偏转了一个小角度。结果使R2和R3夹角增大，电阻减小；相反，R1和R4增加，此时输出电压可表示为：

式中为电桥工作电压，R为桥臂电阻，故AMR传感器输出电压与磁场强度成正比，可利用磁阻传感器测量磁场。

线圈电流(mA)300250200150100500磁感应

6

5

4

3

2

1

【实验仪器】

磁阻传感器、亥姆霍兹线圈、角度位置调节装置。

【实验步骤】

1. 测量准备

调节线圈电流至0，再通过调节补偿电流使输出电压为0。再把线圈电流调至300mA ，调节放大倍数，使输出为1.5V 。

2. 磁阻传感器特性测量

将线圈电流逐渐减小至-300mA ，记录相应的输出电压值。电流换向时，必须按复位键消磁。

测量各向异性时，线圈电流调至200mA ，测量不同夹角时的电压。实验时要注意把传感器盒和整个仪器同时转动角度。

3. 亥姆霍兹线圈磁场发布测量

改变横轴纵轴位移，每0.05R 测量一次。

【数据处理】

1.计算磁阻传感器的灵敏度

强度

(Gs)输出电压(V) 1.510 1.279 1.0350.7830.5250.2620线圈电流(mA)

-300

-250-200-150-100-50 磁感应强度(Gs)-6-5

-4-3-2-1

输出电压(V)

-1.515-1.282-1.039

-0.791

-0.532

-0.269

夹角(度)

01020304050607080

10.9850.9400.8660.7660.6430.50.3420.1741

0.9700.8830.75

0.5870.4130.25

0.1170.030

∴灵敏度K=U/B=0.2561

2. 各向异性特性

输出

电压

(V)

1.035 1.0260.9870.9330.8350.7210.5750.4120.250

输出电压(V)1.035 1.050 1.063 1.076 1.087 1.097 1.103 1.110 1.114 1.116

不将传感器盒向相反方向旋转时的输出电压：

下图为输出电压与的关系图

经线性拟合得R=0.9903，可认为U与成线性关系。

下图为输出电压与的关系图

位置

X -0.5R -0.4R -0.3R -0.2R -0.1R 0

B 理论(X)/B00.9460.9750.992

0.99811输出电压(V)

0.982 1.012 1.028 1.034 1.035 1.035B 测量值(X)

3.83

3.95

4.01

4.04

4.05

4.05

经线性拟合得R=0.95842，可知U 与不成线性关系。由上可得磁阻传感器的输出电压即磁感应强度与成正比，与的关系不明朗，而电阻率是与成正比，说明磁感应强度的二次方可能是与电阻率成正比的。

3. 亥姆霍兹线圈磁场分布特点(B0=4Gs)

位置X0.5R0.4R0.3R0.2R0.1R

0.9460.9750.9920.9981

B理论

(X)/B0

0.981 1.011 1.026 1.032 1.035

输出电

压(V)

3.83 3.95

4.01 4.03 4.04

B测量

值(X)

可见磁场分布由中心点向两侧逐渐减小，测量值比理论值略大，可能是附近磁场的影响。

00.05R0.1R0.15R0.2R0.25R0.3R

Y

电压

X

0 1.033 1.033 1.033 1.032 1.031 1.028 1.024

0.05R 1.033 1.032 1.032 1.032 1.031 1.029 1.025

0.1R 1.034 1.034 1.033 1.033 1.032 1.030 1.027

0.15R 1.033 1.033 1.033 1.033 1.033 1.032 1.029

0.2R 1.033 1.033 1.034 1.035 1.035 1.035 1.034

0.25R 1.032 1.033 1.035 1.036 1.037 1.039 1.040

0.3R 1.031 1.032 1.034 1.037 1.040 1.043 1.045

由图可知，在(0.3R,0)和(0,0.3R)处最低，然后向两侧逐渐增加，(0.3R,0.3R)处最高，最高为1.045V。理论值最高为1.033V(4Gs)，所以比理论值高。

4. 北京地区地磁场的测量：

磁倾角（度）磁偏角

（度）

磁感应强度

(V)(V)(Gs)

6080.094-0.1390.1160.464