利用巨磁阻效应测量地磁场水平分量

利用巨磁阻效应测量地磁场水平分量董向成;宿忠娥;朱实强【摘要】将四个巨磁效应电阻连成单臂电桥制成传感器，使之固定于亥姆霍兹线圈中心，改变线圈上的励磁电流强度使电桥阻值发生变化，获得电桥输出电压与亥姆霍兹线圈磁感强度的线性关系.在测量系统工作状态下,使测量系统沿水平方向旋转，即改变线圈磁场与地磁场水平分量间的夹角，可观测到传感器输出电压发生变化从而测量地磁场水平分量的值.【期刊名称】《大学物理实验》【年(卷)，期】2018(031)003【总页数】3页(P52-54)【关键词】巨磁阻效应;地磁场水平分量;传感器;测量【作者】董向成;宿忠娥;朱实强【作者单位】兰州城市学院培黎石油工程学院，甘肃兰州730070;兰州城市学院培黎石油工程学院，甘肃兰州730070;兰州城市学院培黎石油工程学院，甘肃兰州|730070【正文语种】中文【中图分类】O441.51988年法国科学家阿尔贝•费尔和德国科学家彼得•格林贝尔分别独立在铁、铬相间的多层膜及具有层间反平行磁化的铁/铬/铁三层膜结构发现，在微弱磁场的变化下磁性材料的电阻值会发生急剧的变化，这一变化被称为巨磁电阻效应(GiantMangnito-Resistive,GMR)，与磁电阻效应对比，这一效应导致的磁性材料阻值变化超过了十几倍。由于巨磁效应的发现，费尔和格林贝尔共同获得2007年诺贝尔物理学奖。巨磁效应发现后不久，就被应用到计算机存储技术中，众所周知，计算计硬盘是利用磁性材料来存储信息的，最早是采用锰铁磁体制成的磁头进行数据的读写，这种磁头的磁致变化非常小，磁头灵敏度不高，利用巨磁阻效应制成的磁头使读写灵敏度大大提高，引发磁盘向着大容量，小体积的方向发展，计算机的小型化也成为现实。近年来，巨磁阻效应在弱磁测量、磁导航、磁定位、磁传感器及非接确式电流测量等技术领域不断延伸［1,2］，应用价值不断被开发出来。1实验原理及实验设备1.1巨磁电阻效应原理巨磁电阻效应属于量子力学效应，由自旋电子穿过薄膜时发生散射引起磁性导体材料电阻率发生变化导致。图1利用二流模型来解释GMR效应机制如图1中(a)和(c)所示，两层相同的磁性薄膜层中间夹一层导磁层，在无外磁场和有外磁场两种不同情况下，自旋电子穿过导体时的散射情况。其中图(a)所示，在无外磁场的情况下，当自旋电子穿过薄膜层时，由于薄膜层的磁化方向相反，不管电子自旋磁矩如何，电子都要被其中一层膜散射掉，电子较难通过其中一层薄膜；该导体的电阻表现为两个相同阻值的电阻并联如图(b)所示。在有外磁场时，磁性材料两层膜的磁化方向和夕卜磁场方向相同如图(c)所示，当电子的自旋磁矩和薄膜磁化方向相同时，电子不被散射，导体材料是小电阻，当电阻自旋磁矩和薄膜磁化方向相反时，电子被散射，导体材料是大电阻。所以导体材料电阻表现为大电阻和小电阻的并联如图(d),图(d)所示的等效电阻小于其中的最小最阻［3］。1.2地磁场水平分量测量原理地磁场起源的理论解释还不完善，目前认为是由于地球内部物质的规律性运动起电所导致［4］。可以把地磁场看作一个偶极场，极轴与地球表面的两个交点被称为地磁极，地磁偶极轴与地球自转轴之间存在一个夹角，即地球南北极与地磁南北极不重合。地球表面上任意一点都具有其特有的地磁场，该点的地磁场的大小和方向主要由3个要素决定，分别是磁倾角、磁偏角、地磁场水平分量［5］。由于巨磁材料对微弱磁场有效大的电阻响应，利用这一原理制成巨磁阻效应传感器，巨磁阻效应传感器将四个巨磁效应电阻构成单臂电桥结构，单臂电桥抗干扰能力强，能减小外界对传感器电压输出的影响，使传感器的灵敏度和稳定性增加。通过改变加在巨磁电阻上的磁场，测量出电桥输出电压(U0)的值。待测磁场(B0)由亥姆霍兹线圈提供，改变亥姆霍兹线圈上的励磁电流(I)，计算出加在传感器上的磁场，获得电桥输出电压与磁场的线性关系从而达到测量磁场的目的。1.3亥姆霍兹线圈的磁场与地磁场亥姆霍兹线圈由一对半径相同、线圈匝数相同的共轴原线圈组成，线圈内的电流方向一致，大小相同。线圈轴线附近能产生分布较广的均匀磁场区域。当两线圈的通电电流方向相同时，线圈内部形成的磁场方向也一致，亥姆霍兹线圈轴线上任意点的磁感应强度为［6］：(1)令线圈间距X等于线圈半径R，则在亥姆霍兹线圈轴线上中心O处磁感应强度为：(2)测量出亥姆霍兹线圈的匝数、半径及励磁电流即可得到加在巨磁电阻传感器上的磁场。调节巨磁电阻效应实验仪进入测量状态，保持工作电压、励磁电流、线圈间距、传感器位置等参数不变的情况下，旋转测量系统，使外待测量磁场的方向与地磁场之间的夹角(。)发生变化，记录输出电压(U0)的值随角度的变化，利用线圈磁场与输出电压的线性关系计算出地磁场的水平分量(B");若要测量地磁场竖直分量，则应给仪器加装竖直方向旋转及角度测量设备，这里不加以讨论。2数据处理及结果分析调节传感器工作电压(U)到5V，调节励磁电流由0mA到300mA变化，每10mA记录一次传感器上的输出电压(U0)，利用公式(2)计算加在传感器上的磁场(B0)。传感器上所加磁场与传感器输电压间的关系出图2所示。图2传感器上所加磁场与其输出电压的关系由图2可以看出，传感器输出电压与其上所加磁场成良好的线性关系，直线关系的斜率为5.35x10-2，截距为0.81。利用该关系即可由传感器输出电压计算出加在传感器上的磁场。将巨磁电阻传感器固定于亥姆霍兹线圈几何中心，实验仪器参数保持不变，旋转测量系统的方向，使地磁场水平分量与线圈磁场同向叠加，此时有传感器输出电压为最大，以该方向为基础分别顺时针及逆时针旋转，记录输出电压(U0)与角度(。)间的变化关系。发现测量数据具有高度的对称性，仅将顺时针及逆时针旋转过程中的0-90度的数据列出，并利用图2中拟合结果计算对应的磁场变化，数据如表1所示。表1线圈磁场与地磁场夹角变化对测量结果的影响00102030405060708090U0/mV顺时针226.4226.3226.2225.9225.5225.0224.4223.8222.9222.1逆时针217.7217.7217.8218.0218.3218.7219.3220.0220.9221.8B0/Gs顺时针12.9312.9212.9112.9012.8812.8512.8212.7912.7412.70逆时针12.4612.4612.4712.4812.4912.5112.5512.5812.6312.68由测量数据绘制线圈磁场与地磁场夹角关系，如图3所示。图3具有明示的对称特征，且符合余弦关系，顺时针旋转和逆时针旋转得到的测量结果在90度时相交，充分说明测量结果的正确性。图3线圈磁场与地磁场夹角变化对输出电压的影响由表1计算得到，学院物理实验楼内的地磁场强度约为0.23Gs，该值与兰州地震台网给出的数据0.31Gs存大较大的差别，这是由于建设物及测量设备周围金属材料以及输电线路对地磁场产生影响导致［7,8］，移动测量设备在建筑物中的位置发现对测量结果会产生明显影响［9，10］。实验过程中将一些金属物质移近和远离测量设备，也明显观测到测量数据发生变化。参考文献：［1］ 吴春姬，纪红，徐智博，等.巨磁电阻效应实验仪［J］物理实验，2015，35(3):33-36.［2］ 孙晓洁，寇军，张笑楠，等.地磁导航技术研究进展［J］.导航与控制，2016，15(6)：1-6.［3］ 赵维明，王明东，张加深，等.巨磁电阻效应在国防领域中的应用［J］.国外电子测量技术，2009，28(7):66-68.［4］ 刘全稳，王威，李臻.地球磁场起源之粒子起电问题研究［J］.地学前缘，2012，19(6)：260-268.［5］ 查保媛，宋宁青.西宁地区地磁场水平分量的测量［J］.青海大学学报，2008，26(6)：97-100.［6］ 刘竹琴.利用亥姆霍兹线圈测量地磁场强度及磁倾角［J］.电子测量技术，2015，38(5)：119-121.［7］ 孙澍涛，焦成丽，任峻峰，等.分析引起地磁场观测值变化的一些因素［J］.山西地震，2007,8(2):1-