实验五 地磁场测定

1、实验五地磁场测定概述地磁场作为一种天然磁源，在军事、航空、航海、工业、医学、探矿等科研中有着 重要用途。本仪器采用新型坡莫合金磁阻传感器测量地磁场的重要参量，通过实验可以 掌握磁阻传感器定标以及测量地磁场水平分量和磁倾角的方法，了解测量弱磁场的一种 重要手段和实验方法，本仪器与其他地磁场实验仪（如正切电流计测地磁场实验仪）相比 具有以下优点：.实验转盘经过精心设计，可自由转动，方便地调节水平和铅直。内转盘相隔180 , 具有两组游标，这样既提高了测量精度，又消除了偏心差。.新型磁阻传感器的灵敏度高达50V/T，分辨率可达10-710一8T,稳定性好。用本 仪器做实验，便于学生掌握新型传感器定标

2、，及用磁阻传感器测量弱磁场的方法，测量 地磁场参量准确度高；3.本仪器不仅可测地磁场水平分量，而且能测出地磁场的大小与方向，这是正切电 流计等地磁场实验仪所不能达到的。本仪器可用于高校、中专的基础物理实验、综合性设计性物理实验及演示实验。仪器技术要求1.磁阻传感器工作电压6V，灵敏度50V/T2.亥姆霍兹线圈单只线圈匝数N=500匝，半径10cm.3.直流恒流源输出电流0200.0mA 连续可调4.直流电压表量程 019.99mV，分辨率 0.01mV不确定度小于3%AC 22010V5 .测量地磁场水平分量 不确定度小于3%测量磁倾角仪器的工作电压仪器外型1、恒流源2、数字电压表3、HMC1

3、021Z磁阻传感器输入输出引线4、亥姆霍磁线5、刻度盘FD-HMC-2型 磁阻传感器与地磁场实验仪(以下实验讲义和实验结果由复且大学物理实验教学中心提供)简介地磁场的数值比较小，约10 -5T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量地磁场 磁感应强度及地磁场磁感应强度的水平分量和垂直分量；测量地磁场的磁倾角，从而掌 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

4、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、镣及其合金等磁 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(铁镣合金)制成一维磁阻微电路集成 芯片(二维和三维磁阻传感器可以测量二维或三维磁场)。它利用通常的半导体工艺，将 铁镣合金薄膜附着在硅片上，如图1所示。薄膜的电阻率p(0)依赖于磁化强度M和电 流I方向间的夹角0，具有以下关系式p(0) = p + (p -p )cos2 0( 1 )其中p、p分别是电流I平

5、行于M和垂直于M时的电阻率。当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，将产生磁畴饱和现象，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，补偿环境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。HMC1021Z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。传感器由四条铁镣合金磁

6、电阻组成一个非平衡电桥，非平衡电桥输出部分接集成 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2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 压七可以用下式表示为U广俘卜U 图1磁阻传感器的构造示意图图2磁阻传感器内的惠斯通电桥对于一定的工作电压，如U b= 5.00V，HMC1021Z磁阻传感器输出电压U，与外(3)界磁场的磁感应强度成正比关系，U = U 0 + KB（3）式中，K为传感器的灵敏度，B为待测磁感应强度。U0为外加磁场为零时传感 器的输出量。由于亥姆霍磁线圈的特点是能在其轴线中心点附近产生较宽范围的均匀磁场区，所

7、以常用作弱磁场的标准磁场。亥姆霍磁线圈公共轴线中心点位置的磁感应强度为（4）b q里R 53/2（4）式中N为线圈匝数，/为线圈流过的电流强度，R为亥姆霍磁线圈的平均半径，R 0为真空磁导率。实验装置测量地磁场装置如图3所示。它主要包括底座、转轴，带角刻度的转盘、磁阻传感器的引线、亥姆霍磁线圈、地磁场测定仪控制主机（包括数字式电压表、5V直流电源等）5讫感器站杜肉量心1用雄It楮感罟河星娅场安巍落蚩实验内容基本实验内容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磁线圈轴线垂直。用亥姆霍磁线圈产生磁场作为已知量， 测量磁阻传感器的灵敏度

8、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度的水平分量B的 方向。记录此时传感器输出电压匕后，再旋转转盘，记录传感器输出最小电压U2，由 U 1 -UJ/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，并使装置沿着地磁场磁感应强度水平 分量B方向放置，只是方向转900。转动调节转盘，分别记下传感器输出最大和最小 一 一 时转盘指示值和水平面之间的夹角七和P 2，同时记录此最大读数U 1和U2。由磁倾角 p= （P1 + p2）/2计算p 的值。 一 4 .由U

9、 1 -U2 /2 = KB，计算地磁场磁感应强度B的值。并计算地磁场的垂直分量 B = B sin p。本实验须注意：实验仪器周围的一定范围内不应存在铁磁金属物体，以保证测量 结果的准胸性。实验数据例亥姆霍兹线圈每个线圈匝数N = 500匝，线圈的半径r = 10cm ；真空磁导率日=4兀 X10-7 N / A2。 0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 =虹=8 *10-7 X迎 x I = 44.96 x 10-41R53/20.100 X 53/2式中，B为磁感应强度单位T （特斯拉）；I为通过线圈的电流，单位A （安培）。上海复旦大学校园内，楼外空旷地，测量地

10、磁场参量。a.测量传感器的灵敏度k表1中，正向输出电压U 1是指励磁电流为正方向时测得的磁阻传感器产生的输出电 压，而反向U2是指励磁电流为反向时，传感器输出电压，U = （U广U2）/2。测正向和 反向两次，目的是消除地磁沿亥姆霍兹线圈方向（水平）分量的影响。表1室外空旷地上测量传感器灵敏度励磁电流I / mA磁感应强度B/10 -4 TU / mV平均|U /mV正向U 1/mV反向U 2/mV10.00.44961 . 87-1.881.87520.00.89223.75-3.773.76030.01.34885.61-5.655.63040.01.79847.44-7.497.4655

11、0.02.24809.29-9.379.33060.02.697611.12-11.2311.175用Casio - 3600计算器进行最小二乘法拟合，得到该磁阻传感器的灵敏度 K = 41.28V/T，相关系数为0.99998。（传感器工作电压取5V，灵敏度K=41V/T,现产 品传感器采用工作电压为6V,灵敏度约50V/T）b.测量地磁场的水平分量b ；地磁场的磁感应强度B总；地磁场的垂直分量b，磁 倾角P。方法：将亥姆霍兹线圈与直流电源的连接线拆去。把转盘刻度调节到角度9 =0。调节底板使磁阻传感器输出最大电压，同时调节底板上螺丝使转盘水平(用仪器配 套的水准仪调节水平)。 . . _

12、一 测地磁场水平分量:测量输出电压U/和反向转180。，测地磁场水平分量U/，然一、， . _ _ 后计算地磁场水平分量B = U/K = (U-U )/2K。将转盘垂直，此时转盘面为地磁子午面方向，转动转盘角度，测量地磁场的磁感应 强度B总和磁倾角p。测量磁倾角时须改变角度，求多次测量的平均值。表2磁倾角P值的测量p43.043.544.044.545.046.0U 总 / mV2.022.032.032.032.032.03P47.047.548.048.549.0U 总 / mV2.032.032.032.032.02直接测量地磁场水平分量，U/ = 14.1mV，计算得地磁场水平分量磁

13、感应强度B/ = 0.341 x 10-4T，地磁场U =20.3mV，计算得地磁场磁感应强度B =0.491 x 10-4T，磁倾角p = 46。； 总总地磁场垂直分量磁感应强度，B = B总Sinp = 0.491 x 10-4 x Sin460 = 0.345 x 10-4T ,最新上海地区地磁场水平分量为B =0.331 x 10-4T，磁倾角为T = 46。误差小于3% o复旦大学物理楼三楼311室，测量地磁场参量。表3磁阻传感器的定标励磁电流I / mA磁感应强度B /10 -4 TU / mV平均U / mV正向U J mV反向U 2/mV10.00.44962.25-2.382

14、.31520.00.89224.52-4.484.50030.01.34886.83-6.776.80040.01.79849.06-8.989.02050.02.248011.30-11.1311.21560.02.697613.52-13.2813.400用Casio - 3600计算器对V - B直线拟合得：K = 49.37V /T，相关系数为0.99998。表4地磁场测量结果电压 序号、12345平均结果U总U1 mV0.950.950.950.950.950.95U总=B=0.441 x 10 -4 TU 2/mV-3.41-3.41-3.42-3.41-3.41-3.412.18

15、mVUr .UJ mV0.080.080.080.080.080.08U /=B=0.294 x 10-4 T，.U 2 / mV-2.82-2.82-2.82-2.82-2.82-2.821.45mV测得复旦大学物理楼三楼物理实验室，磁倾角p =47。用本仪器测量地磁场水平分量与1985年用正切电流计测量复旦大学物理楼三楼地 磁场水平分量的结果B广0.291 x 10-4T T相当一致，这间接证明本仪器测量结果是准确 的。关于正切电流计测量地磁场水平分量的实验方法和测量结果，请见贾玉润等主编，大学物理实验，复旦大学出版社，1987 : 256-258，结果在258页例中列出。表5不同位置及不

16、同结构大楼地磁场水平分量测量结果测量位置校园内操场空地物理楼三楼复旦科技园区2号楼五楼试制组金属屏蔽情况水泥地面尢金属1959年建造地顶为钢筋水泥，墙为泥砖2000年建造全钢筋水泥结构测得地磁场水平分量B/0.341x10 -4 T0.294x10 -4 T0.268x10 -4 T磁倾角B46.0。46.0。46.0六.实验注意事项1 .测量地磁场水平分量，须将转盘调节至水平；测量地磁场和磁倾角P时，须将 总转盘面处于地磁子午面方向。测量磁倾角应记录不同P时，传感器输出电压总，应取10组P值，求其平均值。、一 一 7,一 ，一，一 这是因为测量时，偏差1。，U总=U总Cosl。= 0.998

17、U总变化很小，偏差4。，j 一 .一， ， U总=U总Cos4。= 0.998U总,所以在偏差1。至4。范围U总变化极小，实验时应测出U总变化很小。角的范围，然后求得平均值（。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？为何坡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.贾玉润、王公治、凌佩玲主编。大学物理实验，上海复旦大学，1987 : 492-493.鲁绍曾、现代计量学概论。北京，中国计量出版社，1987 : 492-493

18、黄一菲、郑神、吴亮、陆申龙，玻莫合金磁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. Honeywell公司，固态传感器（磁阻传感器部分）说明书，2001.沈元华、陆申龙主编，基础物理实验，北京：高等教育出版社，2003.黄德星。磁敏感器件及其应用M。北京：科学出版社，1987.里夫、王秀琴等编著，常用物理常数手册、云南人民出版社、1983. 10 : 157 -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，叫做地磁场。地磁场的 强度和方向随地点（甚至随时间）而异。地磁场的北极、南极分别在地理南极、北极附近， 彼此并不

19、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。地磁轴与 地球自转轴并不重合，有110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）：（1）磁偏角a，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。（2）磁倾角p，磁场强度矢量B与水平面（即图6的矢量B和OX与OY构成平面的夹角）之间的夹角。（3）水平分量B/，地磁场矢量B在水平面上的投影。测量地磁场的这三个参量，就可确定某一地点地磁场B矢量的方向和大小。当然这三个参量的数值随时间不断地在改变，但这一变化极其缓慢，极为微弱。附录2:我国一些城市的地磁参量（地磁要素）地名地理位置磁倾角D（偏西）磁倾角I水平强B|(10 4 T)测定年份北纬东经齐齐哈尔47 22123 59,7 34,64