磁阻效应实验

FD MR IIFD MR II 磁阻效应实验仪使用说明磁阻效应实验仪使用说明 一 概述一 概述 磁阻器件由于灵敏度高 抗干扰能力强等优点在工业 交通 仪器仪表 医疗器械 探矿等 领域应用十分广泛 如 数字式罗盘 交通车辆检测 导航系统 伪钞检测 位置测量等 其中 最典型的锑化铟 InSb 传感器是一种价格低廉 灵敏度高的磁电阻 有着十分重要的应用价值 本实验装置结构简单 实验内容丰富 使用两种材料的传感器 利用砷化镓 GaAs 霍耳传感器 测量磁感应强度 研究锑化铟 InSb 磁阻传感器在不同的磁感应强度下的电阻大小 学生可观 测半导体的霍耳效应和磁阻效应两种物理规律 具有研究性和设计性实验的特点 可用于理工科 大学的基础物理实验和设计性综合物理实验 也可用于演示实验 二 仪器简介二 仪器简介 仪器装置如下图所示 仪器装置如下图所示 F FD D M MR R I II I 磁磁阻阻效效应应实实验验仪仪 电磁铁直流电流源数字电压表InSb调节 毫特计调零 电磁铁直流电流源 数字电压表 InSb 电源 外接电阻 1 2 3 4 5 678 910 11 12 13 mAmVmT 1 固定及引线铜管 2 U 型矽钢片 3 锑化铟 InSb 磁阻传感器 4 砷化镓 GaAs 霍耳传感器 5 电磁铁直流电流源显示 6 磁铁直流电流源调节 7 数字电压显示 8 锑化铟磁阻传感器电流调节 9 电磁铁磁场强度大小显示 10 电磁铁磁场强度大小调零 1 11 1 和 2 是给锑化铟传感器提供小于 3mA 直流恒流电流源 3和4是给砷化镓传感器提供电压源 5和6是砷化镓传感器测量电磁铁间隙磁感应强度大小 7为悬空 12 单刀双向开关 13 单刀双向开关接线柱 为为 航空插头说明航空插头说明 三 技术指标三 技术指标 1 双路直流电源 直流电源 电流 0 500 A 连续可调 数字电流表显示输出电流大小 直流电源 II 输出电流 0 3 A 连续可调 供锑化铟传感器的工作电流 电流与所选取的外接 电阻的乘积小于 2V 2 数字式毫特仪 测量范围 0 0 5T 分辨率 0 0001T 准确度为 1 四 实验项目四 实验项目 1 用于测定通过电磁铁的电流 Im和磁铁间隙中磁感应强度 B 的关系 观测 GaAs 霍耳元件的霍耳 效应 2 在不同磁感应强度区域 研究 InSb 磁阻元件的电阻值变化 R R 0 与磁感应强度 B 的关系 求出经验公式 3 外接信号发生器 可用于深入研究磁电阻的交流特性 倍频效应 观测其特有的物理现象 五 注意事项五 注意事项 1 需将传感器固定在磁铁间隙中 不可弯折 2 不要在实验仪附近放置具有磁性的物品 3 不得外接传感器电源 4 开机后需预热 10 分钟 再进行实验 5 外接电阻应大于 200 欧姆 2 锑化铟磁电阻传感器的测量及应用锑化铟磁电阻传感器的测量及应用 实验目的实验目的 1 测量锑化铟传感器的电阻与磁感应强度的关系 2 作出锑化铟传感器的电阻变化与磁感应强度的关系曲线 3 对此关系曲线的非线性区域和线性区域分别进行拟合 实验原理实验原理 一定条件下 导电材料的电阻值 R 随磁感应强度 B 的变化规律称为磁阻效应 如图 1 所示 当半导体处于磁场中时 导体或半导体的载流子将受洛仑兹力的作用 发生偏转 在两端产生积 聚电荷并产生霍耳电场 如果霍耳电场作用和某一速度载流子的洛仑兹力作用刚好抵消 那么小 于或大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量将减少 电阻增大 表现出横向磁阻效应 若将图 1 中 a 端和 b 端短路 则磁阻效应更明显 通常以电阻率的相对改 变量来表示磁阻的大小 即用 0 表示 其中 0 为零磁场时的电阻率 设磁电阻 在磁感应强度为 B 的磁场中电阻率为 B 则 B 0 由于磁阻传感器电阻的 相对变化率 R R 0 正比于 0 这里 R R B R 0 因此也可以用磁阻传感器 电阻的相对改变量 R R 0 来表示磁阻效应的大小 图图 1 1 磁阻效应磁阻效应 图 2 所示实验装置 用于测量磁电阻的电阻值 R 与磁感应强度 B 之间的关系 实验证明 当 金属或半导体处于较弱磁场中时 一般磁阻传感器电阻相对变化率 R R 0 正比于磁感应强度 B 的平方 而在强磁场中 R R 0 与磁感应强度 B 呈线性关系 磁阻传感器的上述特性在物理 学和电子学方面有着重要应用 如果半导体材料磁阻传感器处于角频率为 的弱正弦波交流磁场中 由于磁电阻相对变化量 d UR b B a I I I I 3 R R 0 正比于 B2 则磁阻传感器的电阻值 R 将随角频 图图 2 2 测量磁电阻实验装置测量磁电阻实验装置 那么磁阻传感器的电阻 R 将随角频率 2 作周期性变化 即在弱正弦波交流磁场中 磁阻传 感器具有交流电倍频性能 若外界交流磁场的磁感应强度 B 为 B B0COS t 1 1 式中 B0为磁感应强度的振幅 为角频率 t 为时间 设在弱磁场中 R R 0 KB2 2 2 式中 K 为常量 由 1 式和 2 式可得 R B R 0 R R 0 R 0 R R 0 R 0 R 0 KB02COS2 t R 0 R 0 KB02 R 0 KB02COS2 t 3 2 1 2 1 3 式中 R 0 R 0 KB02为不随时间变化的电阻值 而R 0 KB02cos2 t 为以角频率 2 作 2 1 2 1 余弦变化的电阻值 因此 磁阻传感器的电阻值在弱正弦波交流磁场中 将产生倍频交流电阻阻 值变化 实验仪器实验仪器 实验采用 FD MR II 型磁阻效应实验仪 图 3 为该仪器示意图 4 图图 3 3 FD MR IIFD MR II 磁阻效应实验仪磁阻效应实验仪 FD MR II 型磁阻效应验仪包括直流双路恒流电源 0 2V 直流数字电压表 电磁铁 数字式毫 特仪 GaAs 作探测器 锑化铟 InSb 磁阻传感器 电阻箱 双向单刀开关及导线等组成 仪 器连接如图形 3 所示 倍频效应实验倍频效应实验 5 磁阻效应测量仪器使用方法磁阻效应测量仪器使用方法 1 直流励磁恒流源与电磁铁输入端相联 调节输入电磁铁的电流大小 改变电磁铁间隙中磁感 应强度的大小 2 按图 2 所示将锑化铟 InSb 磁阻传感器与电阻箱串联 并与可调直流电源相接 数字电压 表的一端连接磁阻传感器电阻箱公共接点 另一端与单刀双向开关的刀口处相连 3 调节通过电磁铁的电流 测量通过锑化铟磁阻传感器的电流值及磁阻器件两端的电压值 求 磁阻传感器的电阻值 R 求出 R R 0 与 B 的关系 实验内容实验内容 1 必做内容 在锑化铟磁阻传感器电流或电压保持不 图图 4 4 观察磁阻传感器倍频效应观察磁阻传感器倍频效应 A B D R S N V 磁阻分压 电磁铁分压 图图 5 5 李萨如图形李萨如图形 6 变的条件下 测量锑化铟磁阻传感器的电阻与磁感应强度的关系 作 R R 0 与 B 的关系曲 线 并进行曲线拟合 实验时注意 GaAs 和 InSb 传感器工作电流应小于 3m A 2 选做内容 如图 4 所示 将电磁铁的线圈引线与正弦交流低频发生器输出端相接 锑化铟磁阻传感器通 以 2 5m A 直流电 用示波器观察磁阻传感器两端电压与电磁铁两端电压形成的李萨如图形 证 明在弱正弦交流磁场情况下 磁阻传感器具有交流正弦倍频特性 实验数据实验数据 注 以下数据不作为仪器验收标准 仅供实验时参考 注 以下数据不作为仪器验收标准 仅供实验时参考 测得取样电阻 R 298 9 令电压 U 298 9mV 则电流 I 1 00mA 取 R U 9 298 9 298 表 1 电磁铁电磁铁InSbInSbB R R 0 B R R 0 对应关系对应关系 I mA M U mv R B mTB mTR R R 0 R R 0 0395 10 00 0395 10 0 9 9396 110 010 0396 10 0030 003 19400 520 020 0400 50 0140 014 29406 830 030 0406 80 0300 030 38415 040 040 04150 0500 050 47425 150 050 0425 10 0760 076 56436 360 060 0436 30 1040 104 66449 070 070 04490 1340 134 94491 5100 0100 0491 50 2440 244 141552 1150 0150 0552 10 3970 397 188590 3200 0200 0590 30 4940 494 236623 9250 0250 0623 90 5800 580 284655 6300 0300 0655 60 6590 659 332688 3350 0350 0688 30 7420 742 381722 5400 0400 0722 50 8290 829 430758 0450 0450 0758 00 9190 919 479793 5500 0500 0793 51 0081 008 7 1 在 B 0 06T 时 令 R R 0 kBn 则 ln R R 0 n lnB lnk 经直线拟合得 n 1 97 可知在 B 0 06T 时磁阻变化率 R R 0 与磁感应强度 B 成二次函数关 系 在 B0 12T 时 令 R R 0 k1Bn1 则 ln R R 0 n1 lnB lnk1 经直线拟合得 n1 0 8 可知在 B 0 12 时磁阻变化率 R R 0 与磁感应强度 B 成一次函数关系 在 B 0 12T 时 拟合得到 R R 0 1 72B 0 14 相关系数 r 0 9996 R R与B关系曲线 0 0 0 2 0 4 0 6 0 8 1 0 1 2 0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 B T 思考题思考题 1 什么叫做磁阻效应 霍耳传感器为何有磁阻效应 2 锑化铟磁阻传感器在弱磁场中电阻值与磁感应强度的关系和在强磁场中时有何不同 这两种 特性有什么应用 参考资料参考资料 1 刘仲娥 张维新 宋永祥 敏感元件与应用 青岛海洋大学出版社 1993 6 2 吴杨 娄捷 陆申龙 锑化铟磁阻传感器特性测量及应用研究 物理实验 第 21 卷第 10 期 2001 10 46 48 图图 6 6 R R R R 与与 B B 关系曲线图关系曲线图 R R 8 3 沈元华 陆申龙 基础物理实验 北京 高等教育出版社 2003 电子罗盘 目录 概述 产品功能与简介 原理 特点 应用场合 编编辑辑本本段段 概概述述 电子罗盘 电子罗盘 也叫数字指南针 是利用地磁场来定北极的一种方法 古代称为罗经 现代利用先 进加工工艺生产的磁阻传感器为罗盘的数字化提供了有力的帮助 现在一般有用磁阻传感器和 磁通门加工而成的电子罗盘 虽然GPS 在导航 定位 测速 定向方面有着广泛的应用 但 由于其信号常被地形 地物遮挡 导致精度大大降低 甚至不能使用 尤其在高楼林立城区和 植被茂密的林区 GPS 信号的有效性仅为 60 并且在静止的情况下 GPS 也无法给出航 向信息 为弥补这一不足 可以采用组合导航定向的方法 电子罗盘产品正是为满足用户的此 类需求而设计的 它可以对 GPS 信号进行有效补偿 保证导航定向信息100 有效 即使是 在 GPS 信号失锁后也能正常工作 做到 丢星不丢向 9 编编辑辑本本段段 产产品品功功能能与与简简介介 电子罗盘 电子罗盘可以分为平面电子罗盘和三维电子罗盘 平面电子罗盘要求用户在使用时必须保持罗 盘的水平 否则当罗盘发生倾斜时 也会给出航向的变化而实际上航向并没有变化 虽然平面 电子罗盘对使用时要求很高 但如果能保证罗盘所附载体始终水平的话 平面罗盘是一种性价 比很好的选择 三维电子罗克服了平面电子罗盘在使用中的严格限制 因为三维电子罗盘在其 内部加入了倾角传感器 如果罗盘发生倾斜时可以对罗盘进行倾斜补偿 这样即使罗盘发生倾 斜 航向数据依然准确无误 有时为了克服温度漂移 罗盘也可内置温度补偿 最大限度减少 倾斜角和指向角的温度漂移 编编辑辑本本段段 原原理理 三维电子罗盘由三维磁阻传感器 双轴倾角传感器和MCU 构成 三维磁阻传感器用来 测量地球磁场 倾角传感器是在磁力仪非水平状态时进行补偿 MCU 处理磁力仪和倾角传 感器的信号以及数据输出和软铁 硬铁补偿 该磁力仪是采用三个互相垂直的磁阻传感器 每 个轴向上的传感器检测在该方向上的地磁场强度 向前的方向称为x 方向的传感器检测地磁 场在 x 方向的矢量值 向左或 Y 方向的传感器检测地磁场在 Y 方向的矢量值 向下或 Z 方 向的传感器检测地磁场在 Z 方向的矢量值 每个方向的传感器的灵敏度都已根据在该方向上 地磁场的分矢量调整到最佳点 并具有非常低的横轴灵敏度 传感器产生的模拟输出信号进行 放大后送入 MCU 进行处理 磁场测量范围为 2Gauss 通过采用 12 位 A D 转换器 磁力仪 能够分辨出小于 1mGauss 的磁场变化量 我们便可通过该高分辨力来准确测量出200 300mGauss 的 X 和 Y 方向的磁场强度 不论是在赤道上的向上变化还是在南北极的更低值位 置 10 仅用地磁场在 X 和 Y 的两个分矢量值便 可确定方位值 Azimuth arcTan Y X 该关系式是在检测仪器与地表面平行时才成立 当仪器发生倾斜时 方位值的准确性将要 受到很大的影响 该误差的大小取决于仪器所处的位置和倾斜角的大小 为减少该误差的影响 采用双轴倾角传感器来测量俯仰和侧倾角 这个俯仰角被定义为由前向后方向