物理实验教学资源（实验讲义）【FB525型】磁阻传感器与地磁场实验仪.pdf_大学文库

磁阻传感器与地磁场测量【概述】地磁场的数值比较小，约】03T数量级，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定地磁场磁感应强度及地磁场碰感应强度的水平分量和垂直分量：测量地磁场的磁倾角，从而草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，因而在弱磁场测量方面有广泛应用前景。【实验原理】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、结、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，磁阻传感器由长而薄的玻莫合金（铁镍合金）制成一维磁阻微电路集成花片（二维和三维磁阻传感器可以测量二维或三维磁场)。它利用通常的半导体工艺，将铁镍合金湾膜附着在硅片上，如图1所示薄膜的电阻率p(Θ)依赖于磁化强度M和电流】方向间的夹角日，具有以下关系式： p(e)=P+(p/-P)cos20 (1) 其中P、P1分别是电流【平行于M和垂直于M时的电阻率。当沿着铁棵合金带的长度方向通以一定的真流电流，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人的变化，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，将产生磁脚饱和现象，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，补偿环增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。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。传越器由四条铁镍合金磁电阻组成一个非平衡电桥，非平衡电桥轴出部分楼集成运算放大器，将信号放大输出。传感器内部结构如图2所示，图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U可以用下式表示为 u(贷}u, (2) 对于一定的工作电压，如U。=5.00V,FB525型磁阻传感器输出电压Um与外界磁场

1,先将亥姆兹线圈按串联方式连接，磁阻传感器放置在亥奶蕉兹线圈公共轴线中点使传感器的管脚和磁感应强度方向平行。即使传感器的感应面与亥姆矿磁线圈轴线菲直，用亥姆摆磁线圈产生的磁场作为己知的标准磁感应强度，测定并计算出（磁阻传感器）地磁场实验仪的灵敏度K'。以上步躁完成后，拆除亥姆霍磁线圈的励磁电流连接线。 2.磁阻传感器已经平行固定在转盘上，先利用水准器指示，调节地碰场实验仪的底脚螺丝，把转盘调节到水平状态。然后左右水平旋转转盘，寻找到传感器输出电压最大的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,后，再旋转转盘180°左右，寻找到传感器输出最大负电压的方向，记求传感器输出电压U,(负值)，由U-U,/2=KB,求得当地地磁场水平分量B 3.将带有磁阻传感器的转盘平面调整为铅直，并使装置沿肴地磁场磁感应强度水平分量 B,方向放置，只是方向转90°。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B,和B2·同时记录此最大读数U,和U,。由磁倾角 B=(B,+B,)/2计算B的值 4.由U,-U,/2=KB,计算地磁场磁感应强度B的值。并计算地磁场的乖直分黄 B=B◆sinβ. 在做本实验时须注意：为了保证测量结果的准确性，实验仪器周围一定范围内不应存在铁磁性金属物体。二。选做内容：用FB525型磁阻传感器与地磁场实验仪测量载流圆线圈（单只线圈通电）轴线上的磁场分布，并与理论值进行比较计算实验误差。【实验数据范例】亥姆窑兹线圆每个线圈匝数N=400匝，线图的半径R-10cm；真空磁导率 0=4元×10-7N/A2, 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） B-84N_8×4nx10'x400x=35.97x101(① 53/2R 532×0.100 式中，B为磁感应强度，单位T(特斯拉)：I为通过线图的电流，单位A(安增)。一，在本公司二楼仪器调试车间内，测量地磁场各参量。】.先测量地磁场实验仪灵敏度K'(标定)：

U2=U总·Cos4°=0.998Ug:所以在偏差1°至4°范用U变化极小，实验时应测出U:变化很小阝角的范围，然后求得平均值阝【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？ 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？ 3.为何玻莫合金磁阻传感器遇到较强磁场时，其灵敏度会降低？用什么方法来恢复其原来的灵敏度？【参考资料】 1.贾玉润、王公治、凌凰玲士编。大学物理实验：上海复旦大学，1987：492-493 2.鲁钢曾、现代计量学概论。北京，中国计量出版社，1987：492-493 3。黄一菲、郑神、吴亮、陆申龙，玻莫合金隧阻传感器的特性研究和应用、物理实验。第22卷第4期，2002,4：45-48 4.Honeywe11公司，固态传感器（磁阻传感器部分）说明书，200】 5。沈元华、陆申龙主编，基础物理实验，北京：高等教育出版社，2003 6.黄德星。磁敏感器件及其用[)。北京：科学出版社，1987 7.里夫、干秀琴等编著，常用物理常数手册、云南人民出版社、1983、10：157一158 【附录1】地磁场地球本身具有磁性，所以地球和近地空间之间存在着磁场，称为地磁场。地磁场的强度和方向随地点不同（甚至随时间）而不相同。地磁场的北极、南极分别在地理南极、北极附近，彼此并不重合，如图5所示，而且两者间的偏差随时间不断地在缓慢变化。地轴与地球自转轴并不重合，大约有11°交角。在一个不太大的范围内，地磁场基本上是均匀的，可用三个参量来表示地磁场的方向和大小（如图6所示）：磁南极地理北极 Bu 711° 八地理南极+磁北极图5地理南、北极与地磁图6地磁场的磁偏角：、磁颅角B 南、北极和水平分量B) (1)磁偏角α，地球表面任一点的地磁场矢量所在垂直平面（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）之间的夹角。 8