大学物理内容提要

图3中设置的密码，开始数据处理，将鼠标移动到相应的编号的数据峰或者谷，此时窗口下方将出现该峰或谷坐标，将对应电压值，填入右边表格，并点击检验，系统会计算出第一激发电势。实验五音频信号光纤传输技术实验【实验原理】参考教材：《结构化大学物理实验》（第二版）P421−426。详阅原理后回答以下问题：问题1：音频信号光纤传输系统主要组成是那几部分？问题2：简述音频信号光纤传输线路是如何将电信号变成光信号及怎样将光信号变成电信号？问题3：光功率和LED的电光特性是如何定义的？问题4：设置偏置电流ID其作用是什么？问题5：什么是SPD（硅光电二极管）光电特性和响应度？【实验目的】1．了解音频信号光纤传输系统的结构及选配各主要部件的原则。2．熟悉半导体电光/光电器件的基本性能及主要特性的测试方法。3．学习分析音频信号集成运放电路的基本方法。4．训练音频信号光纤传输系统的调试技术。【实验器材】1．实验仪器（1）YOF-B型音频信号光纤传输技术实验仪,包括发送器、接收器、光纤信道及连接跳线、SPD光电探头；（2）示波器2．YOF-B型音频信号光纤传输技术实验仪各部分的结构组成简介（1）YOF-B型音频信号光纤传输技术实验仪—发送器的前面板结构及各插孔、开关和电位器旋钮的功能如图1所示：图1YOF-B型音频信号光纤传输技术实验仪—发送器的前面板结构组成（2）YOF-B型音频信号光纤传输技术实验仪—接收器的前面板布局及各插孔和电位器旋钮的功能如图２所示：图2YOF-B型音频信号光纤传输技术实验仪—接收器的前面板结构组成（3）光纤信道的输入、输出端口的说明如图3所示：图3光纤信道（4）光纤信道与终端的连接跳线如图4所示：图4光纤信道连接跳线（5）光电探头的结构如图5所示：图5光电探头的结构【实验内容】1．LED伏安特性（选做）2．LED电光特性的测定（必做）。3．SPD反向伏安特性的测定及光电特性响应度（零偏压下SPD光电流随入照光功率的变化特性）的测定（必做）。4．音频信号光纤传输系统无非线性失真的最大光信号幅度的测定（必做）。5．语音信号的传输（选做）。【实验步骤及操作】1、LED伏安特性的测定（选做）（1）连接如图6所示图6LED伏安特性的测定（2）测量把“调制切换”开关拨至“语音”一侧。调节“偏流调节”电位器（W2），使指示LED工作电流的“直流毫安表”从零开始慢慢增加，当有不为零的指示出现时表示LED开始导通，此时数字万用表对应的读数大约在1.00V左右。在此基础上，再次调节“偏流调节”电位器，使数字万用表在小数点后的第一位读数取整（比如为1.10V）。然后，继续调节“偏流调节”电位器，每增加0.05V读取一次直流毫安表读数，直到电压值1.60V，并把测量结果记录在表1中。2、LED电光特性的测定（必做）（1）连接如图7所示（2）测量把“调制切换”开关拨至“语音”一侧，调节“偏流调节”电位器使直流毫安表的读数为零。在此情况下光功率计的指示应为零，若不为零，记下这一读数，以后在数据处理时作为零差扣除。然后继续调节“偏流调节”电位器使直流毫安表的指示从零开始增加，每增加5.0mA读取一次光功率指示器的读数，直到偏值电流为50.0mA止。并把测量结果记录在表2中。图7LED电光特性的测定3、SPD反向伏安特性的测定（必做）（1）测量方法及原理测定光电二极管反向伏安特性的电路如图8所示。其中LED是发光中心波长与被测光电二极管的峰值响应波长很接近的GaAs半导体发光二极管，在这里它作光源使用，其光功率由光导纤维输出。由IC1为主构成的电路是一个电流—电压变换电路，它的作用是把流过光电二极管的光电流I转换成由IC1输出端C点的输出电压Vo，它与光电流成正比。整个测试电路的工作原理依据如下：图8光电二极管反向伏安特性的测定由于IC1的反相输入端具有很大的输入阻抗，光电二极管受光照时产生的光电流几乎全部流过Rf并在其上产生电压降Vcb=RfI0。另外，又因IC1具有很高的开环电压增益，反相输入端具有与同相输入端相同的地电位，故IC1的输出电压Vo=I0Rf（11-1）已知Rf后，就可根据上式由Vo计算出相应的光电流I0。（2）连接如图9所示图9SPD反向伏安特性的测定（2）测量（任选2组测量）把“调制切换”开关仍拨至“语音”一侧，按图7所示连接，通电后调节发送器面板上“偏流调节”电位器，使光功率指示器的读数分别为0μW、10μW、20μW、30μW和40μW。在以上的每次调节完成后，按图9所示，把光纤信道的SPD探头改接到接收器面板上I-V变换电路的SPD插孔内（红、绿对应）。调节接收器面板上“W1调节”电位器，使指示SPD反压的电压表读数从零开始增加，每增加1V读取和记录一次接收器面板上右侧的数字电压表的读数，直到SPD的反压为8V止，并把测量数据记录在表3中。4、SPD的光电特性（零偏压下SPD光电流随入照光功率的变化特性）的测定（必做）把“调制切换”开关仍拨至“语音”一侧，按图9所示，把光纤信道的SPD探头接到接收器面板上I-V变换电路的SPD插孔内（红、绿对应），调节接收器面板上“W1调节”电位器使SPD反压为零。调节发送器面板上“偏流调节”电位器使直流毫安表的指示从零开始增加，每增加5.0mA，读取接收器前面板上电压表的读数，直到偏值电流为50.0mA止。把测量结果和表2中偏值电流对应的光功率值记录在表4中。5、音频信号光纤传输系统无非线性失真的最大光信号幅度的测定（必做）（1）测量原理LED的伏安特性与电光特性如图10所示，对于不同的偏置电流，能获得的无非线性失真的最大光信号幅度是不同的。只有偏置电流设定在其电光特性线性端中点对应的电流值，才能使LED产生无非线性失真最大光信号幅度。图10LED的伏安特性与电光特性（2）连接如图11所示图11测定无非线性失真最大光信号幅度的仪器连线图（3）操作把“调制切换”开关拨至“sin”一侧，在图9所示连接的基础上，再把示波器接至接收器I-V变换电路的输出端插孔，如图11所示。把发送器面板上的“输入衰减”电位器沿反时针方向转至极限位置，使调制信号的幅度为零。再调节发送器前面板的“偏流调节”电位器，然后顺时针方向转动“输入衰减”电位器，使调制信号幅度从0开始慢慢增加直到光信号出现非线性失真（如何判断非线性失真状态？见附注说明）为止，记录下此时示波器显示的正弦信号的峰-峰值。每次测量重复此过程，把测量结果记录在表5中。说明：本实验仪器设备只能测量正半周信号值。6、语言信号的传输（选做）（1）连接如图9所示在图9所示联接的基础上，把发送器面板上“调制切换”开关拨至“语音”一侧。用另一条电缆联接线（一头为双声道插头，另一头为单声道插头）把外接语音信号源（单放机或其它音源设备）接入实验系统，电缆线双声道一头接音源设备，单声道一头接发送器前面板的“语音输入”插孔。（2）操作实验时把示波器接到接收器前面板I—V变换电路输出端的插孔处，调节发送器面板上“偏流调节”电位器，使LED处于各种偏置状态。在LED各种偏置状态下，调节“输入衰减”电位器以改变语音调制信号的幅度，使传输系统工作在无非线性失真、光信号幅度为最大的状态下并考察听觉效果。【数据记录及处理】LED伏安特性（选做）：1、测定数据记录表表1LED伏安特性测定实验数据记录电压（V）1.101.151.201.251.301.351.401.451.501.551.60电流（mA）2、数据处理：根据记录数据表1分析LED的伏安特性或作图分析，任选一项。（二）LED电光特性（必做）1、测定数据记录表：表2LED电光特性测定实验数据记录偏置电流ID（mA）0.05.010.015.020.025.030.035.040.045.050.0光功率Po（μW）2、数据处理：在坐标纸上绘制P0～ID平滑曲线图。（三）SPD反向伏安特性（必做）1、测定数据记录表：表3SPD反向伏安特性测定实验数据记录Rf=100KΩIo=Vo/Rf光功率Po（μW）反向电压(V)I-V变换电路输出电压Vo(V)012345678102030402、数据处理：以光功率（包括P0=0）为参数，SPD的反向电压为自变量，SPD光电流I0（I0=I-V变换电路输出电压Vo/Rf，计算I0表格自拟）为因变量，分析不同光功率下SPD的反向伏安特性或绘制曲线后分析。（四）硅光电二极管SPD的光电特性（必做）1、测定数据记录表：表4硅光电二极管（SPD）的光电特性测量数据Rf=100kΩIo=Vo/Rf偏置电流ID（mA）0.05.010.015.020.025.030.035.040.045.050.0I-V输出VomV光电流IoμA光功率PoμW2、数据处理：在坐标纸上绘制Io～Po平滑曲线图，在此曲线图上取线性关系较好的（比较直的）一段，用图解法求出这一段拟合直线的斜率，即硅光电二极管SPD的响应度R。（五）音频信号光纤传输系统无非线性失真的最大光信号幅度的测定1、数据记录表：表5Re=15Ω偏置电流ID（mA）0.05.010.015.020.025.030.035.040.045.050.0最大不失真电压Ve-pp（mV）最大调制电流Ie-pp（mA）2、数据处理：分析Ie-pp随ID如何变化？是否能确定LED的最佳偏置电流值并解释。附注：传输系统光信号无非线性失真的判断方法当示波器按以上要求接至接收器I-V变换电路的输出端插孔时，示波器所显示的波形就是与光信号幅度成正比的波形。如果调制信号是一正弦信号，并其幅度也处于传输系统在LED某一偏置状态下所对应的线性范围内，则光信号波形也应是正弦型，在此情况下，接收器面板上右侧的数字电压表所指示的SPD光电流的平均值应与无调制信号时LED这一特定偏置状态所对应的光电流相等；当正弦调制信号的幅度加大到超过这一线性范围时，相对于这一偏置状态，光信号波形的上下部分的就不再是对称的正弦波，此时SPD光电流的平均值就不再等于LED这一特定偏置状态下无调制信号时对应的SPD的光电流。因此，我们可以按以下方法较为准确地判断出在传输过程中光信号是否存在着非线性失真：在LED工作电流某一特定偏置状态下（比如30mA），调节发送器面板上“输入衰减”电位器，使调制信号的幅度从0慢慢增加，与此同时并注意观测图12所示测试系统中接收器面板上数字电压表的读数及其变化情况，当调制信号的幅度增大到使数字电压表的读数对其初始值偏离±5%时，表明光信号已开始出现非线性失真，,这时需停止增加调制信号的幅度，并观测和记录下示波器所显示的光信号幅度的峰—峰值。图12光电二极管的伏安特性曲线及工作点的确定实验六声光效应【实验原理】参考教材：《结构化大学物理实验》P.175−179，仔细研读原理后回答以下问题：问题1：什么是声光效应？问题2：什么是喇曼-奈斯型衍射？问题3：什么是布拉格衍射？【实验目的】（一）学会利用声光效应来测定声速。（二）通过对声光器件衍射效率，中心频率的测量，加深对其概念的理解。（三）观察声光偏转和声光调制现象。【实验内容】（一）在布喇格衍射下，测量偏转角，计算超声波声速。（二）在布喇格衍射下，固定超声波功率，测量衍射光相对于0级衍射光的相对强度与超声波的频率，确定声光器件的中心频率。（三）在布喇格衍射下，将功率信号源的超声波频率固定在声光器件的中心频率上，记录衍射0级光光强（I0）和1级光光强度（I1）以及超声波功率（）。（四）测定布喇格衍射下的最大衍射效率。【实验器材】声光器件（材料为P10MoO3晶体），光具座，半导体激光器，功率信号源，频率计，CCD光强分布测量仪，示波器。【实验步骤及操作】展开仪器，完成声光效应实验的安装调试：（1）调节光路时让声光器件尽量靠近激光器。激光光束尽量平行穿过声光晶体的中心。（3）示波器选择“外触发”。（4）如在示波器顶端只有一条直线而看不到波形，这是CCD器件已饱和所致。可试着减弱环境光强、减小激光器的输出功率，问题就可得以解决。（二）调出布喇格衍射后，通过微调激光头的入射角度、声光晶体的方位、CCD阵列的上下左右位置，使衍射光强最大。（三）用示波器测量衍射角，先要解决“定标”的问题，即示波器X方向上的1格等于CCD器件上多少象元，或者示波器上1格等于CCD器件位置X方向上的多少距离。方法是调节示波器的“时基”档及“微调”，使信号波形一帧（注：此处一帧指的是CCD传感器电路正好重复扫描全部像元的时间）正好对应于示波器上的某个刻度数。本实验测量光强采用的是一维阵列CCD，该CCD阵列总长30.24mm，共2160个像元，每个像元的长度为14μm。如果波形一帧正好对应于示波器上的8.0大格，则每小格对应实际空间距离为2160个像元÷（8.0大格×5）×14μm=0.76mm。（四）布喇格衍射下，固定超声波功率（对应电流为80mA），测量不同超声波频率（即电信号频率）fs下，衍射光相对于入射光的偏转角、衍射光I1以及零级衍射光I0在荧光屏上的高度，并计算声速（），并定出声光器件的中心频率(对应I1最大的那个频率)。注意：（1）是声光介质的光出射面到CCD线阵光敏面的距离，应为两者底座的同侧距离减60.0mm。（2）超声波在P10MoO3晶体中的传播的速度公认值为3632m/s。L/mm=is=80mA650nm次数0级光与1级光的偏转小格数偏转距离d/mm偏转角=d/Lfs/MHzI0（小格数）I1（小格数）180290310041105120（四）布喇格衍射下，将功率信号源的超声波频率固定在声光器件的中心频率上，测出衍射光强度与超声波功率(对应电流I=50-100mA)。次数(I)/mAI0（小格数）I1（小格数）1502603704805906100（五）测定布喇格衍射下的最大衍射效率，衍射效率=，其中，为未发生声光衍射时“0级光”的强度，为发生声光衍射后1级光的强度。I的测量是在布拉格衍射下，将信号源频率固定在中心频率上，并将信号源电流调到100mA，记录1级光的强度为【实验数据及分析】要求所有的实验数据、计算过程和结果都要按教材第一章规定的有效数字相关规定书写；所有的计算必须推理严谨，公式、代入过程完整；计算结果包括中间计算结果必须写单位。（一）在布喇格衍射下，测量声光偏转量，计算超声波声速，和公认值比较计算相对误差。（二）在布喇格衍射下，固定超声波功率，确定声光器件的中心频率。（三）阐述在布喇格衍射下，固定超声波频率时衍射光强度如何随超声波功率变化。（四）测定布喇格衍射下的最大衍射效率。最大衍射效率为【注意事项】不能直接用眼睛去看激光束，以免造成永久性的损伤。实验七电势差计测电动势【实验原理】详见教材：《结构化大学物理实验》P.208−212。仔细研读原理后回答以下问题：问题1：能用电压表直接测出电池的电动势吗？为什么？问题2：箱式电势差计的工作原理图里有几个补偿回路？所测电动势的精度和什么有关？问题3：为什么温差电偶能用作温度计？补充内容：（一）本实验用高精度的1.0185V稳压电源代替标准电池，虽然重复性较差，但比较环保，常温下也可以忽略温度对的影响。（二）测量温差电动势时，因为实验装置的冷端为环境温度，误差较大，所以只测量关系，写出方程（三）UJ31电势差计中的一些参数1.可测范围：0.001—170.00mV；分两档，×1档为0.001—17.000mV（最小分度1μV），×10档为0.01—170.00mV（最小分度10μV）。2.准确度等级为0.05级，基本误差为。式中，是被测电动势值（即示值），取值倍率为×10时，μV；倍率为×1时，μV。【实验目的】（一）掌握电势差计的工作原理和结构特点。（二）了解温差电偶的测温原理。【实验内容】（一）电势差计的调节；（二）测温差电偶（铜-康铜）的温差电动势。【实验器材】箱式电势差计，直流稳压工作电源，灵敏电流计，高精度1.0185V标准电源，铜—康铜温差热电偶，加热装置。【实验步骤及操作】（一）电势差的调节图7-1UJ31型电势差计面板图1.面板中各旋钮、开关介绍标记名称作用K操作步骤选择开关在进行校准时应旋至“校准”；在进行测量时应旋至“未知1”或“未知2”；不用时旋至“断”温度补偿盘不同的是刻度不是阻值而是乘上10.000mA后的电动势值。校准前必须把它旋至根据温度修正公式算出的标准电池在室温下电动势值的位置上。粗（）中（）细（）电流调节盘“粗”、“中”、“细”表示R不同的可变阻值。校准时，必须通过它的调节达到平衡，即mA。K1倍率选择开关被测电动势的值分为两档：放在×1档直接读数；放在×10档读数后乘上10。I（）II（）III（）测量调节盘不同的是刻度不是阻值而是乘上10.000mA后的电动势值。通过它的调节平衡后，即可读出被测电动势的值。粗细短路接通检流计的按钮开关校准和测量都要用它，先按“粗”按钮，待检流计指针在“0”附近摆动时再按“细”按钮。“短路”按钮可进行平衡指示仪“电调零”。2．把旋至标准的电动势值的位置。3．正确联线（注意：标准电源与工作电压的极性不要接反!）4．打开提供工作电压的稳压电源的开关（在开之前先把稳压电源电压输出“细调”旋钮向左旋至最小），把电压预调至表盘红色标志中（6.0V左右）。5．平衡指示仪零点调节：先机械调零，后电调零（按下UJ31“短路”钮，调平衡指示仪的“调零”旋钮）。6．校准工作电流I（=10.000mA），将平衡指示仪灵敏度拨在最低挡（1档），“K”开关旋至“标准”；按先粗后细的原则调电阻R（即面板中的粗、中、细三个旋钮），调好一个电阻值之后，按下检流计的“粗”按钮开关，如果平衡指示仪的指针摆动厉害，立即放松按钮开关，使其断开，再调R，再按下“粗”钮，直到指针摆动不超过两端刻度时，方可把“粗”钮锁死（即按下“粗”钮后，顺时针旋转就可锁死）继续调R，当指针在0附近时，按下“细”按钮并顺时针旋转锁死，再调R直至平衡。此时将灵敏度旋钮拨至III档，又调平衡之后，把两个按钮旋松弹开。7．测温差电偶的电动势：将开关K从“校准”旋至“未知1”或“未知2”（视被测电动势接入那一对接线柱而定），调（即面板中的I、Ⅱ、III调节盘，使平衡指示仪指零（调节过程与6完全相同，不同的是6是调R，这里是调），这时从调节盘指示的值就是被测电动势的值。注意：最小分度是1μV（×1档），第三调节盘有游标，以mV为单位可读至小数第四位，即0.1μV位。特别提醒；在测被测电动势的调节中，只能调，不能再动R！（二）测不同温度下的温差电动势8．重复6、7两步，测35、40、45、50、55、60、65、70、75、80、85℃下的温差电动势。（三）恒温水浴的调节先调预置温度按键把预置温度调到第1个温度点，如35℃，然后开启电源加热升温（此时“OUT”绿灯亮），烧杯中水的温度可由温度显示窗口显示：当升至预置温度时，“OUT”灯灭，“ON”灯亮，即进入恒温阶段。“定标”“控温”选择开关放在“定标”端，用“温差电偶”接线柱与电势差计联接。这一步最好是电势差计校准工作电流即第6步后进行。（四）操作故障排除1．在进行校准调节时，始终调不平衡，你可以检查：（1）K开关是否放在“校准”；（2）标准电池与工作电压极性是否接反；（3）工作电压是否合适。如果都没错，（4）你可以改变一下工作电压的电压值，因为稳压电源电压表的指示不准，指在这个范围，实际已不在这个范围了。当然只能6.0V附近改变，不要距此太远。假如都试过了，很可能是联接标准电池与工作电源的导线不通，这时你可以检查这些导线通与不通。2．在测量过程中，任何温度下应尽量调至使平衡指示仪指零，以便在温度上升时，能迅速准确测量所要求温度下的温差电动势。3．在整个测量期间，随时校准电势差计。【实验数据及分析】温差电偶材料冷端温度（室温）电势差计倍率3540455055606570758085————选择其中六组数据，用最小二乘法求、，并写出方程（需写出详细步骤，中间过程保留位数越多越好，注意最后结果有效数字的选取）。（选做）求相关系数γ。实验八磁阻效应综合实验【实验原理】详阅原理后回答以下问题：问题1：如果大小恒定、方向可变的外加弱磁场（不会导致灵敏度下降）与图8-1中“磁敏感方向”相同或相反时；与图8-1中“磁化方向”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？问题2：为什么测量各向异性磁阻传感器的输出电压时，要改变为相反方向（或改变励磁电流方向）各测量一次？问题3：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。（一）各向异性磁阻效应和磁阻传感器原理磁阻传感器体积小，灵敏度高、易安装，在弱磁场测量方面有广泛应用前景，如磁力计、电子罗盘、线性和角位置传感器，车辆探测，GPS导航等。本实验采用HMC1021型各向异性磁阻效应传感器（AnisotropicMagneto-Resistive，AMR），灵敏度达到1.0mV/V/Oe，分辨率达到8.5nT，可以准确测量0.000～0.600mT的磁感应强度。亥姆霍兹线圈（Helmholtzcoil，由德国物理学者赫尔曼•冯•亥姆霍兹的名字命名）是一种制造小范围区域均匀磁场的器件。由于亥姆霍兹线圈具有开敞性质，很容易地可以将其它仪器置入或移出，也可以直接做视觉观察，所以，是物理实验常使用的器件。本实验在验证磁场叠加原理、测试线圈轴线磁场分布的基础上，对磁阻传感器进行定标。地磁场作为一种天然磁源，常由于导航，在军事、工业、医学、探矿等科研中有重要用途。地磁场的量值比较小，约μT量级，但在直流磁场测量，特别是弱磁场测量中，往往需要知道其大小和方向，并设法消除其影响。本实验采用磁阻传感器测定地磁场磁感应强度的大小及方向。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。图8图8-1各向异性磁阻传感器构造实验用各向异性磁阻传感器为长的薄膜状坡莫合金(铁镍合金)，用集成电路制作工艺将铁镍合金薄膜附着在硅片上。如图8-1，薄膜的电阻率与磁化强度和电流方向间的夹角的关系为图8-2磁阻随图8-2磁阻随角变化关系其中、分别是电流平行于和垂直于时的电阻率。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。图8-3各向异性磁阻传感电桥结构UE磁阻随角的变化关系如图8-2所示，在接近于±45图8-3各向异性磁阻传感电桥结构UE如图8-3，本实验采用的HMC1021S型一维各项异性磁阻传感器元件包含结构相同或对称的4个磁阻传感器，组成了如图9-4的非平衡电桥电路，优点是提高了灵敏度并减小了磁阻的温度漂移和外界电磁干扰。图8-3中，磁阻传感器通过在平行于磁化（偏置磁场M0，即待测外加磁场B为零时磁化强度）方向的坡莫合金薄膜上增加许多45º的电带的方法，使M0（B为零时的磁化强度）和电流方向间的夹角设置成±45º。对于B<<M0，由式9-1：（1）当B//M0时，4个磁阻同时增加或减小，电桥维持平衡，输出电压U为零，所以这两个方向对待测磁场不敏感。图8-4磁阻元件由4个磁阻传感器组成非平衡电桥电路图8-5外磁场B<<M0且垂直于M0时，各磁阻传感器磁化强度M的大小和方向变化M0BI左上或右下臂45º+δI右上图8-4磁阻元件由4个磁阻传感器组成非平衡电桥电路图8-5外磁场B<<M0且垂直于M0时，各磁阻传感器磁化强度M的大小和方向变化M0BI左上或右下臂45º+δI右上或左下臂45º-δδM（a）磁干扰使磁畴排列紊乱（b）复位脉冲使磁畴沿易磁化轴整齐排列（c）反向置位脉冲使磁畴排列方向反转图8-6复位脉冲的作用（3）一般地，B的既不平行、也不垂直于M0，仅B⊥M0的分量可以被测得，对于B的大小确定的情况下，改变传感器方向，测得|U|最大时即确定了B的方向，应用之一就是测量地磁场方向。如图8-6a所示，传感器遇到强磁场感应时，磁畴排列将紊乱，导致灵敏度下降，所以，传感器硅片上设计了两条铝制电流带，一条是置位与复位带，可以用来置位或复位极性。电流带结构及与电桥关系如图8-7所示。复位的原理示意如图8-6b和图8-6c所示；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，使磁阻传感器输出显示线性关系，本实验没有使用偏置电压，因此，测量时需要用异号法消除环境磁场的影响。图8-7一条电流带与电桥关系示意图实验采用的磁阻传感器是面贴合封装的磁场传感器，它能测量与管脚平行方向的磁场。如果定义为磁阻效应传感器的灵敏度，则电桥电阻相对变化项与磁阻传感器磁敏感方向的外磁场成正比、与灵敏度成正比。因而电桥输出电压可以用下式表示为图8-7一条电流带与电桥关系示意图（8-2）式中=UB为电桥电源电压（LY528仪器面板标注为UB，下文中即表示UB，不再另行说明）。实验中主要包含被测磁场和地磁场在传感器易磁化方向的分量和。大小恒定，但量值未知，另外电桥还存在一定时也是常数的零差电压，于是测量时要用异号法消除和的影响，即改变的方向（改变励磁电流方向）各测量一次，有（8-3）由式（8-2）和（8-3）得到（8-4）由式（9-4），如果、和已知，也可测出磁阻传感器的灵敏度（8-5）（二）亥姆霍兹线圈磁场分布及磁阻传感器定标RRIBa+bd=RRIO线圈a线圈bx图8-9亥姆霍兹线圈轴线上的磁感应强度RIBx图8-8载流圆线圈轴线上的磁感应强度（1）如图8-8，根据毕奥—萨伐尔定律，载流线圈在轴线（通过圆心并与线圈平面垂直的直线）上某点的磁感应强度为：（8-6）式中为真空磁导率，为线圈的平均半径，为圆心到该点的距离，为线圈匝数，为通过线圈的电流强度。因此，圆心处的磁感应强度为：线圈a线圈b传感器标尺杆读数环1导向管线圈a线圈b传感器标尺杆读数环1导向管坐标格底板图8-10亥姆赫兹线圈和传感装置外形图读数环3读数环2轴线外的磁场分布计算公式较为复杂，这里忽略。（2）如图8-9，亥姆霍兹线圈是一对彼此平行且连通的共轴圆形线圈，两线圈内的电流方向一致，大小相同,线圈之间的距离正好等于圆形线圈的平均半径。这种线圈的特点是能在其公共轴线中点附近产生较广的均匀磁场区，所以在生产和科研中有较大的使用价值，也常用于弱磁场的计量标准。本实验用亥姆霍兹线圈和磁场测量装置外形和8-10所示。线圈a和b参数相同，圈数为N=520匝，平均半径为=80.0mm，每个线圈的接线柱在所在线圈一侧的侧板上，当左边线圈的“黑”与右边线圈的“红”串联时（相反也可），就组成亥姆霍兹线圈，轴线上中心处磁场最强；反之，当左边线圈的“黑”与右边线圈的“黑”串联时（相反也可），轴线上中心处磁场为零。实验仪器分LY528型常规仪器和模块化仪器两种（注：第二组的部分同学操作模块化仪器，其他同学操作LY528型常规仪器，具体由任课老师安排）。图8-11LY528型常规仪器面板对于LY528型常规仪器，只要按图8-12将两线圈（与模块化仪器相同）串联后接到如图8-11所示的仪器面板上IM的两个插孔，将传感器杆连线的红色插头接VB电源正、黑色插头接VB电源负、两黄色插头接VMR、绿色插头接VS/R+即可。注意开机前应先将“测量选择”开关置于“图8-11LY528型常规仪器面板对于模块化仪器，电路连线图如图8-12所示。图图8-12模块化仪器电路连线图设为亥姆霍兹线圈中轴线上某点离中心点处的距离，则亥姆霍兹线圈轴线上任意一点的磁感应强度为：（8-8）亥姆霍兹线圈上中心处的磁感应强度可由（9-8）简化为（8-9）用式（8-9）中代替式（9-5）中，得到磁阻传感器灵敏度（8-10）定标之后的磁阻传感器就可以求传感器易磁化方向，也就是线圈和传感器标尺杆轴线方向的磁感应强度了，即（8-11）磁阻传感器安装在传感器标尺杆0.0mm处，传感方向为标尺杆轴线向右，按图8-7接线，励磁电流方向开关按向“一”时，两线圈产生磁场的N极向左，输出电压为负，反之，励磁电流方向开关按向“二”时输出电压为正。为了测量方便，实验仪器在坐标底板上标有对称的二维米尺刻度，当亥姆霍兹线圈分别摆放在左右±40.0mm处、前后0.0mm处时，导向管的轴线正好与亥姆霍兹线圈的轴线重合，且左、中、右三个读数环的坐标为-120.0mm、0.0mm、120.0mm，所以以图8-8中的左读数环作为参照，以传感器标尺杆的读数确定空间位置时，式（8-8）中（8-12）本实验用两个线圈的底座长度都是140.0mm，宽度都是40.0mm（如果含接线柱座，宽度是70.0mm），为对称结构，所以如图8-8，线圈座的前部坐标为-70.0mm、两线圈内侧的坐标分别为±20.0mm时，就满足了如果要测量轴外或非亥姆霍兹线圈状态的磁场分布，可自行设计摆放线圈，但要注意非对称摆放时（8-12）式可能失效，需要实验者自己标定传感器标尺杆的读数与空间坐标的关系。（三）地磁场测量本实验测量地磁相对于实验室的方向，将坐标格底板摆放到与实验桌对正，而实验桌与实验室是对正的，所以，测量时将如图8-13，桌子的左右为x方向，传感器标尺杆安装传感器的一端朝右为x+向，朝左为x-向，朝前为y+向，朝后（指向自己一方）为y-向，朝上为z+向，朝下为z-向。用经过定标的磁阻传感器分别测量x+、x-、y+、y-、z+、z-六个方向的输出电压Ux+、Ux-、Uy+、Uy-、Uz+、Uz-，用式（8-11）计算出x、y、z三个方向的磁场分量UxUyU//UzUθUxUyU//UzUθβ图8-13测量地磁方位示意图（8-14）（8-15）再按图8-9进行合成，求出水平分量和水平偏向角（8-16）（8-17）再求出地磁场的大小和磁倾角（8-18）（8-19）【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。【实验内容】（1）用亥姆霍兹线圈磁场对磁阻传感器定标，测量电源电压对传感器灵敏度的影响。（2）测量两线圈，比较两线圈极性不同、距离不同时轴线磁感应强度分布。（3）用磁阻效应传感器测量地磁场的大小和方位。【实验器材】（1）LY528型磁场测量综合实验仪：仪器主机1台，二维坐标底座1个，亥姆霍兹线圈和磁阻传感器组件1套，红、黑、黄色600mm双香蕉插头硅胶线各1根。（2）模块化磁场测量综合实验仪：含亥姆霍兹线圈和磁阻传感器组件1套，YB1725B电源1台，5V稳压电源4个，2-10V可调稳压电源1个，双刀双掷换向开关模块1个，去磁电路模块1个，200mV数字电压表模块1个，2A数字电流表模块1个，双香蕉插头硅胶线：250mm红色3根、黑色5根，600mm红色、黑色各2根。【实验步骤及操作】注：以下操作步骤同时适用于LY528型常规仪器与模块化仪器，个别不同的地方单独（1）用亥姆霍兹线圈对磁阻传感器进行定标。先按图8-10、8-11、8-12接线及摆放线圈、为亥姆霍兹线圈a+b，励磁电流调为0.100A（注意电流调节时必须精确到3位有效数字，电表上最后一位调不准没关系，常规仪器UB、模块化仪器也同法调节），传感器电源电压按表1调到2.00-8.00V之间，换向开关按向“一”，测量传感器在中心点处（标尺杆对准左读数环的坐标为=120.0mm）的传感电压，再将换向开关按向“二”，测得传感电压，用式（8-10）求出磁阻传感器的灵敏度S，计算并总结规律。有关数据和计算结果记入表8-1。注意：换向后，由于换向瞬间电流的冲击，传感灵敏度会急剧降低，需按复位键恢复灵敏度。【选做】（2）测量磁阻传感器的线性度。传感器电源电压（UB，下同）调到5.00V，测量励磁电流从零逐步变化到最大时输出电压的变化情况，计算并总结规律。有关数据和计算结果记入表8-2。（3.1）方法同步骤（1），将励磁电流调为0.100A，传感器电源电压（UB，下同，不再重述）调到5.00V，改变接线（要特别注意线圈的正负极性关系），分别测量单个线圈、以及亥姆霍兹线圈a+b在轴线上各处产生的传感电压记入表格，再计算出相应的磁感应强度、、，将+与进行比较，求出各处磁感应强度的相对误差，证明磁场迭加原理。有关数据和计算结果记入表8-3。（3.2）在步骤（3.1）的基础上，重新接线，改变线圈b的电流方向，测量线圈组a+b在轴线上各处产生的传感电压记入表格，再计算出相应的磁感应强度，将-与进行比较，求出各处磁感应强度的相对误差，进一步证明磁场迭加原理。有关数据和计算结果记入表8-3。【选做】（4）将线圈b的接线恢复到步骤（3.1），其余不变，对称地改变线圈、的间距分别为d=60.0mm（）和d=100.0mm（），分别测量线圈a+b在轴线上各处产生的传感电压，计算出相应的磁感应强度分布。求出每种情况下两线圈轴线中部附近磁感应强度不均匀度为1%（即磁感应强度大于等于中心点处99%）的x坐标范围，并与步骤（3）测出的磁感应强度不均匀同为1%的x坐标范围进行比较，分析哪种情况下x坐标范围最宽。有关数据和计算结果记入表8-4.1和表8-4.2。【选做】（5）在步骤（3.1）的基础上，测量轴外磁场分布，确定中心点处轴外附近磁感应强度不均匀度为1%的y坐标范围。有关数据和计算结果记入表8-5。【选做】（6）将亥姆霍兹线圈电流调到零，取消外加磁场，测量其它仪器产生的磁场是否会影响本传感器的读数，以及影响有多大？如果影响大，应该采取什么措施？（7）测量地磁场的各分量，注意参照桌边即仪器坐标格底板确定传感器标尺杆的x、y方向，z方向即竖直方向需用实验者用三角板或书本辅助确定传感器标尺杆是否竖直。有关数据和计算结果记入表8-6。【测量数据及处理】（1）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8-1，总结规律于表后。表8-1=0.100A，d==80.0mm，=120.0mm，=mTUB=UE/V2.004.005.006.008.00U1/mVU2/mVU/mV/(mV·V-1·mT-1)【选做】（2）测量磁阻传感器的线性度，数据及计算结果记入表8-2，绘平滑曲线及拟合直线并总结规律于表后。表8-2UB==5.00V，d==80.0mm，=120.0mm，=mV·V-1·mT-1/A0.0250.0500.0750.1000.1250.1500.1750.2000.225U1/mVU2/mVU/mV/mT（3）证明磁场迭加原理，线圈、b、+b及-b轴线传感电压测量值数据及计算结果记入表8-3，绘平滑曲线并总结规律于表后。表8-3UB==5.00V，IM=0.100A，d==80.0mm，xa=-40.0mm，xb