实验课件PPT各向异性磁阻效应.ppt

磁阻效应综合实验 大学物理实验中心 实验背景 磁阻效应综合实验 背景 流量检测 地磁检测与导航 磁卡读取 1856年著名英国科学家开尔文爵士最先发现AMR现象 1971年 美国科学家亨特发明了电脑硬盘的AMR磁头 1985年由IBM投产 相关研究 技术和应用得到蓬勃发展 电流测量 硬盘磁头 1 各向异性磁电阻 AMR 效应的发现和应用 由德国物理学家 数学家 生理学家 心理学家赫尔曼 冯 亥姆霍兹 1821 1894 的名字命名 科研和生产中常用来制造小范围区域均匀磁场的器件 也可获得 零磁场 小型单轴型 中型三轴型 大型矩形三轴型亥姆霍兹线圈 实验背景 2 亥姆霍兹线圈及其种类 磁阻效应综合实验 背景 1 实验目的 1 了解各向异性磁阻效应原理和传感电路的组成 2 掌握应用各向异性磁阻效应测量弱磁场的方法 3 掌握亥姆霍兹线圈空间轴线上磁场的计算和测量方法 4 掌握用亥姆霍兹线圈的对磁阻传感器进行定标的方法 5 掌握用磁阻传感器测量地磁场的方法 磁阻效应综合实验 实验目的 巨磁阻 GiantMagnetoResistance 是一种层状结构 外层是超薄的铁磁材料 Fe Co Ni等 中间层是一个超薄的非磁性导体层 Cr Cu Ag等 这种多层膜的电阻随外磁场变化而显著变化 即巨磁阻效应 2 实验原理 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 1 各向异性磁阻 R R I I M0 M0 易磁化轴方向 B B 45o 坡莫合金薄膜 Ni80Fe20 B M0 45o R I R I M0 磁敏感 45o 45o M0 B B 磁敏感 输出电压U0 接地 电桥电压UE 45o附近为线性区域 b 全桥式差动非平衡电桥 a 磁电阻特性及线性化 磁阻效应综合实验 实验原理 1 各向异性磁阻 灵敏度 待测磁场 单位 mV V 1 mT 1 磁阻传感器电桥实际结构 异号法消除各臂差异导致的零差和地磁影响 U2 U1 单位 mT c 消除系统误差 磁阻效应综合实验 实验原理 改变励磁电流的方向 2 实验原理 1 各向异性磁阻 作用 测量前保持铁磁材料磁畴是沿易磁化轴方向 消除前一次测量强磁干扰带来的灵敏度下降 实现方法 在传感器硅片上设置铝合金带 瞬间通过大直流脉冲电流 该电流产生的强磁场正好沿着沿易磁化轴方向 使磁畴排列整齐 铝合金带电流方向 d 易磁化轴的复位 反向置位 磁阻效应综合实验 实验原理 2 实验原理 2 亥姆霍兹线圈 a 载流圆线圈轴线上磁感应强度 由毕奥 萨伐尔定律 b 亥姆霍兹线圈轴线上磁感应强度 亥姆霍兹线圈轴线上两线圈中点O处 磁阻效应综合实验 实验原理 2 实验原理 2 亥姆霍兹线圈 c 磁场叠加原理及亥姆霍兹线圈组成条件 两线圈同相连接 且d R时 轴线上O点附近B均匀 B0 B0 O O x x 同相连接 d R 同相连接 d R 反相连接 d R 磁阻效应综合实验 实验原理 2 实验原理 3 用亥姆霍兹线圈定标磁阻传感器 a 理论磁感应强度 式中真空导磁率 0 4 10 7 N 520匝 R 80 0mm IM单位为A B理0单位为mT 磁阻效应综合实验 实验原理 切换励磁电流方向 磁场反向各测量输出电压为U1 U2 则由异号法求得 b 测量磁阻传感器输出电压 c 求磁阻传感器灵敏度 单位 mV V 1 mT 1 2 实验原理 4 用定标后的磁阻传感器测量磁场 磁阻效应综合实验 实验原理 a 切换励磁电流方向 磁场反向各测量输出电压为U1 U2 则由异号法求得 b 测量地磁场参数 式中S由先前定标求得 成都地磁参数公认值 水平磁偏角 1o11 16 水平分量 34 48uT 竖直分量 36 43uT 是相对于实验桌的水平磁偏角 相对于北极的水平磁偏角为 加上实验桌的方位角 桌 磁阻效应综合实验 实验内容 3 实验内容 a 用亥姆霍兹线圈磁场对磁阻传感器定标b 测量电源电压对传感器灵敏度的影响 c 测量单线圈 两线圈极性不同时轴线磁感应强度分布 d 用磁阻效应传感器测量地磁场的大小和方位 1 实验测试内容 左红右黑连接左黑右红连接正接亥姆霍兹线圈 励磁电流IM 电桥电压UE 磁阻传感电压U 去磁电路切换IM方向必须使用 电桥电压显示 a 基本电路连接 2 实验步骤及注意事项 3 实验内容 磁阻效应综合实验 实验内容 20 0mm 70 0mm 线圈半径80mm 线圈匝数520 b 线圈放置方法 2 实验步骤及注意事项 3 实验内容 磁阻效应综合实验 实验内容 c 传感器标尺杆读数 亥姆霍兹线圈中心位置 元件在亥姆霍兹线圈中心位置时读数120 0mm 以亥姆霍兹线圈中心为原点 元件的轴上坐标x与左侧读数x 的关系 2 实验步骤及注意事项 3 实验内容 磁阻效应综合实验 实验内容 d 其它注意事项 2 实验步骤及注意事项 3 实验内容 磁阻效应综合实验 实验内容 测量时要避免强磁场 顺磁性物体靠近磁阻传感器 以免磁阻效应传感器被磁化 造成灵敏度急剧下降 注意使用 消磁 按钮对磁阻传感器消磁 注意励磁电流不要随意增大到0 1A以上 否则磁阻传感器的灵敏度将下降 注意检查移动两个线圈的距离和位置是否满足亥姆霍兹线圈的条件 3 实验内容 a 求不同电源电压下磁阻传感器的灵敏度S 数据及计算结果记入表13 1 总结规律于表后 3 数据记录及处理 磁阻效应综合实验 实验内容 IM 0 100A d R 80 0mm x 120 0mm B理0 mT b 证明磁场迭加原理 线圈a b a b及a b轴线传感电压测量值数据及计算结果记入表13 3 绘平滑曲线并总结规律于表后 磁阻效应综合实验 实验内容 UE 5 00V IM 0 100A d R 80 0mm xa 40 0mm xb 40 0mm B理0 mT 磁阻效应综合实验 实验内容 续表13 3 将各处测得磁场Ba b与相应亥姆霍兹线圈磁场理论值Ba Bb进行对比 Ba b与Ba Bb进行对比 证明叠加原理 c 测定地磁场各方向的传感器输出电压Ux Ux Uy Uy Uz Uz 数据记录入表13 6 表后计算地磁场磁感应强度和水平偏向角 磁倾角 进行误差分析 磁阻效应综合实验 实验内容 UE 5 00V B成都 uT B成都 uT 3 实验内容 3 数据记录及处理 拓展实验 4 拓展实验 1 测量磁阻传感器的线性度 2 测量两线圈不同距离下轴线磁感应强度分布 3 测量亥姆霍兹线圈轴外磁场分布 测定一定不均匀度下的空间范围 4 研究其它仪器杂散磁场对实验的影响及其应对措施 5 用Maxwell电磁场仿真软件对实验用亥姆霍兹线圈进行建模 将仿真空间磁场与实测磁场分布进行对比 研究仿真误差和测量误差 6 用Maxwell电磁场仿真软件对三轴亥姆霍兹线圈进行建模 研究其空间磁场分布特点 7 用Maxwell电磁场仿真软件对矩形亥姆霍兹线圈进行建模 并与常规亥姆霍兹线圈空间磁场分布进行对比分析 思考题与实验报告 5思考题与实验报告 a 如果大小恒定 方向可变的外加弱磁场 不导致灵敏度下降 与图13 1中 磁敏感方向 相同或相反时 传感器电桥上每一个臂的坡莫合金薄膜电阻如何变化 电桥输出电压如何变化 b 为什么测量各向异性磁阻传感器的输出电压时 要改变B测为相反方向 或改变励磁电流方向 各测量一次 c 为什么亥姆霍兹线圈轴线中点附近磁场是均匀的 本实验两线圈之间距离多少毫米 两线圈间及与电源如何连接时可以组成亥姆霍兹线圈 请画出接线图 d 各向异性磁电阻为什么在电流方向与易磁化轴方向成45o时 电阻变化 R与易磁化轴方向垂直的磁敏感方向的待测磁感应强度B的大小成正比 定量推导 R与B的函数关系 1 思考题 思考题与实验报告 5思考题与实验报告 a 求不同电源电压下磁阻传感器的灵敏度S 计算结果记入表13 1 总结规律于表后 b 线圈a b a