试验报告磁阻传感器和地磁场的测量

1、磁阻传感器和地磁场的测量一. 实验目的掌握磁阻传感器的特性。掌握地磁场的测量方法。二. 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、 钻、 裸及其合金等磁性 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。HMC1021Z型磁阻传感器由长而薄的坡莫合金 铁锲合金 制成一维磁阻微电路集成芯片二维和三维磁阻传感器订以测量二维或三维磁场。它利用通常的半导体工艺，将铁锲合金薄膜附着在硅片上，如图 6 81所示。薄膜的电阻率依赖于磁化强度 M和电流 I 方向间的夹角们 具有

2、以下关系式PO = p、+P一 a COS2。其中 Q,、分别是电流 I平行于 M和垂直于 M 时的电阻率。汽沿着铁镣合金带的长度 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，可以测量磁汤大小和方向。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，将产生磁畴泡 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 环境磁场中的弱磁场局部当外加磁场较弱时，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。HMC1021Z磁阻传感器是一

3、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 感器由四条铁竦合金磁电阻组成一个非平衡电桥，非平衡电桥输出局部接集成运算放大器, 将信号放大输出。传感器内部结构如图 6-8-2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 11可以用卜式表示为磁阻传感器内的惠斯通电桥磁阻传感器的构造示意图对于一定的工作电压，如、=6.0W, HMC1021Z破阻传感器输出电压 Uw与外界磁场的磁感应强度成正比关系，UHUO+KB上式中，K为传感器的灵敏度，B为待测磁感应强度。U。为外加磁场为零时传感器的输出 量。由于亥姆霍兹线圈的特山是能在其

4、轴线中心点附近产生较宽范围的均匀磁场区，所以常 用作弱磁场的标准磁场。亥姆霍兹线圈公共轴线中心点位置的磁感应强度为：B=8=4496x1o_4jR5312上式中 N为线圈匝数500匝：亥姆雷兹线圈的平均半径 R = 10cm：真空磁导率 / =4兀 xlO-N/A2。三.实验步骤1、将磁阻传感器放置在亥姆霍兹线圈公共轴线中点，并使管脚和磁感应强度方向平行。 即传感器的感应面与亥姆霍兹线圈轴线垂直。用亥姆霍兹线圈产生磁场作为己知钛，测吊: 磁阻传感器的灵敏度 K。2、将磁阻传感器平行固定在转盘上，调整转盘至水平可用水准器指示。水平旋转转盘, 找到传感器输出电压最大方向，这个方向就是地磁场磁感应强

5、度的水平分晟 B,的方向。记录此时传感器输出电压 U后，再旋转转盘，记录传感器输出最小电压 U?，由|UI-U2|/2= KB,，求得当地地磁场水平分 M B/Z c3、将带仃磁阻传感器的转盘平面调整为铅直，并使装置沿着地磁场磁感应强度水平分量 By方向放置，只是方向转 90.转动调节转盘，分别记卜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四和小，同时记录此最大读数 U和由磁倾角 =0+角/2 计算 0的值。4、由 luf-u/ /2 = KB,计算地磁场破感应强度 B的值。并计算地磁场的垂直分量B= Bsin/? o四.实验数据与数据处理测量传感器灵敏度 K励磁电流 I/mA磁感应

6、强度 B/10-TU/mV平均|U|/mV正向 Ui/mV反向 U2/mV10.00. 45021. 022. 022. 020.00. 89942. 044. 043. 030.01. 3562. 065. 064. 040.01. 8084. 090. 087. 050.02. 2510711211060.02. 68129132131用最小二乘法拟合，得 K=49. 1V/T相关系数为 r=0. 998测鼠破倾角。P430r43。30440r4430r45。045。30460r46。30470r4730rU g/mV-1. 14-1. 13-1. 13-1. 13T.13-1. 13-1

7、. 13-1. 13-1. 14-1. 14测得磁倾角为 45。0测晶地磁场 B电压12345平均结果Ui 7mV17.817.817. 817.817.917.8u 行 /mV 二 15. 0Bf|f/T=0. 305X10-U： 7mV-12.2-12.3-12.2-12.2-12.2-12.2ueUi/mV23.723. 723. 823.823.823.8|u|/mV=20. 1Bj/T=0. 409X10U2/mV-16. 3T6.3-16.3-16. 3-16. 3-16. 3由*行，B也算得磁倾角为 p= arccosBr|T/B=406r五.实验结果首先测得了磁阻传感器灵敏度 K=49. 1V/T,相关系数为 r=0.998,所以最小二乘法拟合获 得了比拟理想的结果。 直接测磁倾角测得阡 45。0。由 B抻丁，B愆间接测得阡 10。6。与 参考数据 44。34,相比，相对误差分别为 1%,与 11% ,后者误差较大。 测得武汉大学物理 学院 5楼处地磁场水平强度为 0. 305X 10-T,与参考数据 0. 343X10-