复旦大学：《设计性研究性物理实验》学生论文_利用玻莫合金磁阻传感器测量弱磁场

第16卷第2期 大学物理实验 VoL. 16 No. 2 2003年6月出版 PHYSICAL EXPERIMENT OF COLLEGE Jun.2003 文章编号:1007-2934(2003)02-0001-0 利用玻莫合金磁阻传感器测量弱磁场 吴欢荣马俊陆申龙 (复旦大学,上海,200433) 摘要介绍一种新型玻莫合金磁阻传感器,利用玻莫合金磁阻传感器测量弱电流下 的亥姆霍兹线圈磁场分布和验证毕奥萨瓦定理。 关键词玻莫合金传感器;弱磁场;毕奥萨瓦定理 中图分类号O41 文献标识码:A 引言 玻莫合金磁阻传感器是利用玻莫合金磁阻(Fe20Nis)的各向异性磁电阻效应制作的 一种能够测量磁场大小和方向的传感器。这种传感器具有体积小、功耗低、灵敏度高、抗 干扰能力强、可靠性高、易于安装等优点,在测量弱磁场方面有着巨大的优越性,能应用于 众多的行业。 本实验使用 Honeywell公司生产的HMCl0021Z型磁阻传感器,它能够测量低达85× 10°T的磁场,适合于弱磁场的测量 本试验主要利用该传感器的特性来测量弱磁场 1原理及传感器工作原理 1.1原理 物质在磁场中电阻发生变化的现象称为磁电阻效应。磁电阻效应有普通与各向异性 磁电阻效应之分。各向异性磁电阻效应指:当外加磁场偏离强磁性金属(铁,钴,镍及其合 金)内部的磁化方向时,金属的电阻减小,而平行时基本上没有变化 玻莫合金薄膜的电阻率P依赖于磁化强度M和电流方向的夹角,即 (=P⊥+(pn-P少cos 其中pn,P1分别平行于M和垂直于的电阻率 玻莫合金(Fe2oNis)在弱磁场下电阻变化量比较大,因此适合于弱磁场条件下使用 1.2传感器工作原理 a)整个传感器最关键的部分是其中的惠通斯电桥。当外加磁场后,电桥的电阻变化, 收稿日期:2002-12·30 2 01995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co, Ltd. All rights reserved

第 16 卷 第 2 期 大 学 物 理 实 验 Vol. 16 No. 2 2003 年 6 月出版 PHYSICAL EXPERIMENT OF COLLEGE Jun. 2003 收稿日期 :2002 - 12 - 30 文章编号 :1007 - 2934(2003) 02 - 0001 - 05 利用玻莫合金磁阻传感器测量弱磁场 吴欢荣 马 俊 陆申龙 (复旦大学 ,上海 ,200433) 摘 要 介绍一种新型玻莫合金磁阻传感器 ,利用玻莫合金磁阻传感器测量弱电流下 的亥姆霍兹线圈磁场分布和验证毕奥萨瓦定理。 关键词 玻莫合金传感器 ;弱磁场 ;毕奥萨瓦定理 中图分类号 :O441 文献标识码 :A 引言 玻莫合金磁阻传感器是利用玻莫合金磁阻 (Fe20Ni80) 的各向异性磁电阻效应制作的 一种能够测量磁场大小和方向的传感器。这种传感器具有体积小、功耗低、灵敏度高、抗 干扰能力强、可靠性高、易于安装等优点 ,在测量弱磁场方面有着巨大的优越性 ,能应用于 众多的行业。 本实验使用 Honeywell 公司生产的 HMC10021Z型磁阻传感器 ,它能够测量低达 8. 5 × 10 - 9T的磁场 ,适合于弱磁场的测量。 本试验主要利用该传感器的特性来测量弱磁场。 1 原理及传感器工作原理 1. 1 原理 物质在磁场中电阻发生变化的现象称为磁电阻效应。磁电阻效应有普通与各向异性 磁电阻效应之分。各向异性磁电阻效应指 :当外加磁场偏离强磁性金属(铁 ,钴 ,镍及其合 金) 内部的磁化方向时 ,金属的电阻减小 ,而平行时基本上没有变化。 玻莫合金薄膜的电阻率ρ依赖于磁化强度 M 和电流 I 方向的夹角θ,即 ρ(θ) =ρ⊥ + (ρ∥ - ρ⊥) cos 2θ 其中ρ∥,ρ⊥分别平行于 M 和垂直于的电阻率 玻莫合金(Fe20Ni80) 在弱磁场下电阻变化量比较大 ,因此适合于弱磁场条件下使用。 1. 2 传感器工作原理 a) 整个传感器最关键的部分是其中的惠通斯电桥。当外加磁场后 ,电桥的电阻变化 , — 1 — © 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved

如图1所示,引起传感器输出电压Uout变化。 Uout=(△R/R)UB Ub为传感器工作电压 R+AR b)置位和复位电流带,用来修正传感器灵敏度 在外场超过10×10-4的磁场会打乱传感器内部磁畴 的极化方向,改变传感器的输出特性,降低灵敏度。利 R+△R 用置位和复位电流带上施加脉冲,使内部磁畴的极化 方向统一,提高灵敏度 2测量灵敏度 图1传感器工作原理图 2.1HC1021Z型磁阻传感器在其线性输出范围内 有 Uout=S0B+U,Uout为输出电压,S0为传感器的灵敏度,B为待测的磁感应强度 U0传感器自身的漂移输出。 2.2利用亥姆霍兹线圈中央位置处的磁感应强度来测量其灵敏度 测量灵敏度可以用磁检测计、标准磁场等方法。这里由于仪器的限制,就直接利用亥 姆霍兹线圈中央磁场测量玻莫合金磁传感器的灵敏度。经检验,和其它方法测量得的数 据基本相同 亥姆霍兹线圈中央位置处的磁感应强度由下式决定 B=(Ho NI/ R)X8/5 测量得到数据如表1 表1利用亥姆霍线圈中央磁场测量灵敏度 Uou/m1.6292.4893.6045.7027.8969.95712.03513.9316.00718.00519.878 mA1.125.4510.6220.3930.7140.5350.6059.9170.3280.5590.32 25 10 I/mA 图121.U关系图 由以上数据可计算得到斜率S=0.2071(mVmA),同时可求出S0=0.230×103(mV/ m1。S表明lmA的电流变化将导致约0.2mV的电压变化。变化是显著的,这体现了该 传感器良好的精度。线性回归系数r=0.99,则体现了其很好的线性输出功能。 2 01995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co, Ltd. All rights reserved

图 1 传感器工作原理图 如图 1 所示 ,引起传感器输出电压 Uout 变化。 Uout = ( △R/ R) Ub Ub 为传感器工作电压 b) 置位和复位电流带 , 用来修正传感器灵敏度。 在外场超过 10 ×10 - 4T的磁场会打乱传感器内部磁畴 的极化方向 ,改变传感器的输出特性 ,降低灵敏度。利 用置位和复位电流带上施加脉冲 ,使内部磁畴的极化 方向统一 ,提高灵敏度。 2 测量灵敏度 2. 1 HMC1021Z 型磁阻传感器在其线性输出范围内 有 : Uout = S0 B + Uo , Uout 为输出电压 , S0 为传感器的灵敏度 , B 为待测的磁感应强度 , U0 传感器自身的漂移输出。 2. 2 利用亥姆霍兹线圈中央位置处的磁感应强度来测量其灵敏度 测量灵敏度可以用磁检测计、标准磁场等方法。这里由于仪器的限制 ,就直接利用亥 姆霍兹线圈中央磁场测量玻莫合金磁传感器的灵敏度。经检验 ,和其它方法测量得的数 据基本相同。 亥姆霍兹线圈中央位置处的磁感应强度由下式决定 B = (μ0 NI/ R) ×8/ 5 3/ 2 (2) 测量得到数据如表 1 : 表 1 利用亥姆霍线圈中央磁场测量灵敏度 Uout/ mV 1. 629 2. 489 3. 604 5. 702 7. 896 9. 957 12. 035 13. 93 16. 007 18. 005 19. 878 I/ mA 1. 12 5. 45 10. 62 20. 39 30. 71 40. 53 50. 60 59. 91 70. 32 80. 55 90. 32 图 1 2 I - U 关系图 由以上数据可计算得到斜率 S = 0. 2071 (mV/ mA) ,同时可求出 S0 = 0. 230 ×103 (mV/ mT) 。S 表明 1mA 的电流变化将导致约 0. 2mV 的电压变化。变化是显著的 ,这体现了该 传感器良好的精度。线性回归系数 r = 0. 999 ,则体现了其很好的线性输出功能。 — 2 — © 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved

特别是电流的变化从1-90mA,体现了该传感器在相当宽的电流带上是呈线性分布 (即磁场变化较大)可在较大磁场变化范围内应用。 3利用弱磁传感器测量亥姆霍兹线圈的磁场 因为霍耳传感器的探测最大精度是10-6T,而弱磁传感器的探测最大精度为8.5× 10-°T,所以用弱磁传感器可以较好的探测弱磁场 在传统的“测量亥姆霍兹线圈的磁场实验”中,由于霍耳传感器的探测最大精度是 106T,一般电流的大小通常至少在几十mA,否则就超出了传感器探测的范围。而现在改 用弱磁传感器,就可以继续降低电流探测远远小于几十mA的电流。从以上测量灵敏度 的实验可以看到电流可小到1mA 以下是三种最常用的传感器的对比 小探测线圈(自 高灵敏度95A型集成霍尔传感器 玻莫合金磁阻传感器 制 平均半均11 面积4mm×mm 面积lmmx8mm 分辨率为10T可以测量00.1mT的磁场,分辨率达10·r磁场范围为当×10T最小检测磁场为85 3.1在I=10.5mA时测量亥姆霍兹线圈的磁场如表2 表2在1=10.5mA时测量磁场数据表 2.690 -2.859 876 3.01Il 1.655 3.180 1.820 7.913 1.309 3.267 1.958 8.513 321 3.426 -3.481 9.491 3.491 3.419 3.774 2.204 9.583 234567 3.602 3.503 2.174 9.452 1.199 3.234 8.848 3.092 1.903 2.746 中心处的B取平均=∑B∑i(-5≤≤ 中心处B的平均值为9.426×106T 中心处B的理论值为9.440×10-6T 2 01995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co, Ltd. All rights reserved

特别是电流的变化从 1 - 90mA ,体现了该传感器在相当宽的电流带上是呈线性分布 , (即磁场变化较大) 可在较大磁场变化范围内应用。 3 利用弱磁传感器测量亥姆霍兹线圈的磁场 因为霍耳传感器的探测最大精度是 10 - 6T ,而弱磁传感器的探测最大精度为 8. 5 × 10 - 9T ,所以用弱磁传感器可以较好的探测弱磁场。 在传统的“测量亥姆霍兹线圈的磁场实验”中 ,由于霍耳传感器的探测最大精度是 10 - 6T ,一般电流的大小通常至少在几十 mA ,否则就超出了传感器探测的范围。而现在改 用弱磁传感器 ,就可以继续降低电流 ,探测远远小于几十 mA 的电流。从以上测量灵敏度 的实验可以看到电流可小到 1mA。 以下是三种最常用的传感器的对比 : 小探测线圈 (自 制) 高灵敏度 95A 型集成霍尔传感器 玻莫合金磁阻传感器 平 均 半 均 11. 4cm 面积 4mm ×3mm 面积 1mm ×8mm 分辨率为 10 - 4T 可以测量 0 - 0. 1mT的磁场 ,分辨率达 10 - 6T 磁场范围为 ±6 ×10 - 4T ,最小检测磁场为 8. 5 ×10 - 9T 3. 1 在 I = 10. 5mA 时测量亥姆霍兹线圈的磁场如表 2 表 2 在 I = 10. 5mA 时测量磁场数据表 x/ cm U0/ mV U/ mV U - U0/ mV B/ 10 - 6T - 10 - 1. 375 - 2. 690 1. 315 5. 717 - 9 - 1. 372 - 2. 859 1. 487 6. 465 - 8 - 1. 356 - 3. 011 1. 655 7. 196 - 7 - 1. 360 - 3. 180 1. 820 7. 913 - 6 - 1. 309 - 3. 267 1. 958 8. 513 - 5 - 1. 337 - 3. 405 2. 068 8. 991 - 4 - 1. 365 - 3. 504 2. 139 9. 300 - 3 - 1. 260 - 3. 426 2. 166 9. 417 - 2 - 1. 298 - 3. 481 2. 183 9. 491 - 1 - 1. 296 - 3. 491 2. 195 9. 543 0 - 1. 314 - 3. 510 2. 196 9. 548 1 - 1. 218 - 3. 419 2. 201 9. 569 2 - 1. 570 - 3. 774 2. 204 9. 583 3 - 1. 048 - 3. 602 2. 194 9. 539 4 - 1. 329 - 3. 503 2. 174 9. 452 5 - 1. 259 - 3. 386 2. 127 9. 248 6 - 1. 199 - 3. 234 2. 035 8. 848 7 - 1. 189 - 3. 092 1. 903 8. 274 8 - 1. 167 - 2. 916 1. 749 7. 604 9 - 1. 160 - 2. 746 1. 586 6. 896 10 - 1. 184 - 2. 603 1. 419 6. 170 中心处的 B 取平均 = ∑Bi/ ∑i ( - 5 ≤i ≤5) 中心处 B 的平均值为 :9. 426 ×10 - 6T 中心处 B 的理论值为 :9. 440 ×10 - 6T — 3 — © 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved

B/10T 图2亥姆霍兹线圈磁场分布图 误差为:0.74% 从附图上也可以清楚地看出,在线圈的中央有一个均匀磁场的分布,所以利用该传感 器很好的测量了弱电流下的亥姆霍兹线圈的磁场 3.3降低电流,=1.2mA时测量亥姆霍兹线圈的磁场 表3在I=1.2mA时测量磁场数据表 x/ cm Uo mv 1.406 1.560 1.392 1.367 1.585 0.218 1.013 0.246M1.070 1.100 -1.525 1.563 0.255 l.109 1.542 0.258 l.122 1.228 1.486 0.258 1.122 1.113 1.683 0.261 1.135 -1.623 1.482 0.323 0.870 1.210 中心处的B取平均=∑B/∑i(-5≤≤5);中心处B的平均值为:1.108×10-6T; 中心处B的理论值为:1.078×10-6T 误差为:1.4% 2 01995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co, Ltd. All rights reserved

图 2 亥姆霍兹线圈磁场分布图 误差为 :0. 74 % 从附图上也可以清楚地看出 ,在线圈的中央有一个均匀磁场的分布 ,所以利用该传感 器很好的测量了弱电流下的亥姆霍兹线圈的磁场。 3. 3 降低电流 , I = 1. 2mA 时测量亥姆霍兹线圈的磁场 表 3 在 I = 1. 2mA 时测量磁场数据表 x/ cm U0/ mV U/ mV U - U0/ mV B/ 10 - 6T 10 - 1. 406 - 1. 560 0. 154 0. 670 9 - 1. 392 - 1. 563 0. 171 0. 743 8 - 1. 378 - 1. 575 0. 197 0. 857 7 - 1. 367 - 1. 585 0. 218 0. 948 6 - 1. 329 - 1. 562 0. 233 1. 013 5 - 1. 328 - 1. 574 20. 246 〗1. 070 4 - 1. 392 - 1. 645 0. 253 1. 100 3 - 1. 271 - 1. 525 0. 254 1. 104 2 - 1. 308 - 1. 563 0. 255 1. 109 1 - 1. 285 - 1. 542 0. 257 1. 117 0 - 1. 309 - 1. 567 0. 258 1. 122 - 1 - 1. 228 - 1. 486 0. 258 1. 122 - 2 - 1. 581 - 1. 837 0. 256 1. 113 - 3 - 1. 422 - 1. 683 0. 261 1. 135 - 4 - 1. 369 - 1. 623 0. 254 1. 104 - 5 - 1. 304 - 1. 556 0. 252 1. 096 - 6 - 1. 250 - 1. 482 0. 323 1. 009 - 7 - 1. 201 - 1. 425 0. 224 0. 974 - 8 - 1. 185 - 1. 385 0. 200 0. 870 - 9 - 1. 210 - 1. 391 0. 181 0. 787 - 10 - 1. 196 - 1. 350 0. 154 0. 670 中心处的 B 取平均 = ∑Bi/ ∑i ( - 5 ≤i ≤5) ;中心处 B 的平均值为 :1. 108 ×10 - 6T; 中心处 B 的理论值为 :1. 078 ×10 - 6T 误差为 :1. 4 % — 4 — © 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved

限于实验仪器,难以取得小于1mA的稳定电流,无法继续测量更小电流产生的磁场, 但是从以上的数据中可以看到弱磁传感器测量的范围是远大于霍尔传感器和线圈的。 4验证毕奥萨瓦定理 根据毕奥萨瓦定理,在通电导线的磁场强度和离中心线的距离R成反比。但由于单 根导线的电流比较弱,所以普通的磁传感器很难测量。而利用玻莫合金弱磁传感器能很 好的进行测量,因而可用它来验证毕奥萨瓦定理。 4.1单个通电导线,两侧磁场的测量 表4验证毕奥萨瓦定理数据表 离中心线的距离R/cm d mA Uad mA UoT. UN mA 6TB×xcm×10·T 0.225 1.030 0.447 0.627 l.208 0.478 0.579 0.101 l.115 3 0.516 0.605 0.089 0.392 0.070 1.232 从以上实验数据可以看出,B×R基本为一常数。考虑到实验的误差,结果还是可以 接受的 同时在测量的时候可以看到地磁场已经接近或者大于电流产生的磁场,可以用该传 感器来检测磁屏蔽效果。 4.2本实验也验证了,在两根平行的通反向电流的导线的中点处磁场为零 在中点放上传感器,在通电流的前后发现所测得的磁场是基本上不变的,即为零特斯 拉值,说明两根导线产生的磁场相互抵消。 1赵凯华.陈熙谋编著.电磁学北京.高等教育出版社 2丿贾玉润.王公治凌佩玲主编大学物理实验,上海.复旦大学出版社 3 Honeywell公司.固态传感器说明书,2000 THE USAGE OF PERMALLOY MA RESISTANCE SENSOR IN MEASURING WEAK MA GNETIC FIELD rong Ma Ju Lu Shenlong Fudan University, Shanghai 200433) Abstract: the permalloy magnetoresistance sensor is introduced measuring the magnetic field in Helmhotz ceil Biot Satart principle Key words permalloy magnetoresistance senso; weak magnetic field; Biot- SaVart Principle 2 01995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co, Ltd. All rights reserved

限于实验仪器 ,难以取得小于 1mA 的稳定电流 ,无法继续测量更小电流产生的磁场 , 但是从以上的数据中可以看到弱磁传感器测量的范围是远大于霍尔传感器和线圈的。 4 验证毕奥萨瓦定理 根据毕奥萨瓦定理 ,在通电导线的磁场强度和离中心线的距离 R 成反比。但由于单 根导线的电流比较弱 ,所以普通的磁传感器很难测量。而利用玻莫合金弱磁传感器能很 好的进行测量 ,因而可用它来验证毕奥萨瓦定理。 4. 1 单个通电导线 ,两侧磁场的测量 表 4 验证毕奥萨瓦定理数据表 离中心线的距离 R/ cm U0/ mA UOUT/ mA UOUT - U0/ mA B/ 10 - 6T B ×X/ cm ×10 - 6T 1 0. 392 0. 617 0. 225 1. 030 1. 030 1. 5 0. 447 0. 627 0. 180 0. 805 1. 208 2 0. 468 0. 600 0. 132 0. 585 1. 115 2. 5 0. 478 0. 579 0. 101 0. 446 1. 115 3 0. 516 0. 605 0. 089 0. 392 1. 176 3. 5 0. 530 0. 604 0. 074 0. 326 1. 141 4 0. 582 0. 652 0. 070 0. 308 1. 232 从以上实验数据可以看出 , B ×R 基本为一常数。考虑到实验的误差 ,结果还是可以 接受的。 同时在测量的时候可以看到地磁场已经接近或者大于电流产生的磁场 ,可以用该传 感器来检测磁屏蔽效果。 4. 2 本实验也验证了 ,在两根平行的通反向电流的导线的中点处磁场为零。 在中点放上传感器 ,在通电流的前后发现所测得的磁场是基本上不变的 ,即为零特斯 拉值 ,说明两根导线产生的磁场相互抵消。 参 考 文 献 [1 ] 赵凯华. 陈熙谋编著. 电磁学 ,北京. 高等教育出版社 [2 ] 贾玉润. 王公治. 凌佩玲主编. 大学物理实验 ,上海. 复旦大学出版社 [3 ] Honeywell 公司. 固态传感器说明书 ,2000 THE USAGE OF PERMALLOY MAGNETORESISTANCE SENSOR IN MEASURING WEAK MAGNETIC FIELD Wu Huanrong Ma Ju Lu Shenlong (Fudan University ,Shanghai ,200433) Abstract:the permalloy magnetoresistance sensor is introduced ,measuring the magnetic field in Helmhotz ceil ,Biot - SaUart Principle Key words:permalloy magnetoresistance senso ;weak magnetic field ;Biot - SaUart Principle — 5 — © 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved