磁阻传感器测地磁场

FD-HMC-2型 磁阻传感器与地磁场实验仪 说 明 书 PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建 www.fineprint.cn - 1 - FD-HMC-2型 磁阻传感器与地磁场实验仪 一．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 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 ，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： 1．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 o180 ， 具有两组游标，这样既提高了测量精度，又消除了偏心差。 2．新型磁阻传感器的灵敏度高达 50V/T，分辨率可达 87 10~10 -- T，稳定性好。用本 仪器做实验，便于学生掌握新型传感器定标，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。 二．仪器技术要求 1．磁阻传感器 工作电压 6V，灵敏度 50V/T 2．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 0—200.0mA 连续可调 4．直流电压表 量程 0—19.99mV，分辨率 0.01mV PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建 www.fineprint.cn - 2 - 5．测量地磁场水平分量 不确定度小于 3% 6．测量磁倾角 不确定度小于 3% 7．仪器的工作电压 AC 220±10V 三．仪器外型 1、恒流源 2、数字电压表 3、HMC1021Z磁阻传感器输入输出引线 4、亥姆霍磁线圈 5、刻度盘 1 2 3 4 5 PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建 www.fineprint.cn - 3 - 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旦大学物理实验教学中心提供) 一．简介 地磁场的数值比较小，约 510- T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定地磁场 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。 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、钴、镍及其合金等磁 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(铁镍合金)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 铁镍合金薄膜附着在硅片上，如图 1 所示。薄膜的电阻率 )(qr 依赖于磁化强度M 和电 流 I 方向间的夹角q，具有以下关系式 qrrrqr 2cos)()( ^^ -+= ∥ （1） 其中 ∥r 、 ^r 分别是电流 I 平行于M 和垂直于M 时的电阻率。当沿着铁镍合金带的 PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建 www.fineprint.cn - 4 - 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。传感器由四条铁镍合金磁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 outU 可以用下式表示为 bout UR RU ´÷ ø ö ç è æ D= (2) 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 VU b 00.5= ，HMC1021Z磁阻传感器输出电压 outU 与外界 铝合金带 玻莫合金薄膜 外加磁场 电流 θＩ Ｍ 外加磁场 – + Vout 偏置磁场 R+△ R R+△ R R- △ R R- △ R Vb PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建 www.fineprint.cn - 5 - 磁场的磁感应强度成正比关系， KBUU out += 0 （3） （3）式中，K为传感器的灵敏度， B为待测磁感应强度。 0U 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 2/3 0 5 8 R NIB m= （4） （4）式中N为线圈匝数， I 为线圈流过的电流强度，R为亥姆霍磁线圈的平均半径， 0m 为真空磁导率。 四．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) 五．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。 PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建 www.fineprint.cn - 6 - 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 1U 后，再旋转转盘，记录传感器输出最小电压 2U ，由 ∥KBUU =- 2/21 ，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 90 0 。转动调节转盘，分别记下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 1b 和 2b ，同时记录此最大读数 ¢ 1U 和 ¢ 2U 。由磁倾角 2/)( 21 bbb += 计算b的值。 4．由 KBUU =¢-¢ 2/21 ，计算地磁场磁感应强度 B的值。并计算地磁场的垂直分量 bsinBB =^ 。 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 结果的准确性。 选做内容 用 HMC1021Z型磁阻传感器测量通电单线圈产生磁场分布，并与理论值进行比较。 六．实验数据例 亥姆霍兹线圈每个线圈匝数 500=N 匝，线圈的半径 cm10r = ;真空磁导率 27 0 /104 AN -´pm ＝ 。 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) PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建 www.fineprint.cn - 7 - IIB 42/3 7 2/3 0 1096.44 5100.0 5001048 5R NI8 -- ´=´ ´ ´´´ == pm 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)。 1. 上海复旦大学校园内，楼外空旷地，测量地磁场参量。 a. 测量传感器的灵敏度K 表 1中，正向输出电压 1U 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 2U 是指励磁电流为反向时，传感器输出电压， 2/)( 21 UUU -= 。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 mVU / 励磁电流 mAI / 磁感应强度 TB 410/ - 正向 mVU /1 反向 mVU /2 平均 mVU / 10.0 0.4496 18.7 -18.8 18.75 20.0 0.8922 37.5 -37.7 37.60 30.0 1.3488 56.1 -56.5 56.30 40.0 1.7984 74.4 -74.9 74.65 50.0 2.2480 92.9 -93.7 93.30 60.0 2.6976 111.2 -112.3 111.75 用 3600-Casio 计算器进行最小二乘法拟合，得到该磁阻传感器的灵敏度 TVK /28.41= ，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) PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建 www.fineprint.cn - 8 - b. 测量地磁场的水平分量 //B ；地磁场的磁感应强度 总B ；地磁场的垂直分量 ^B ,磁 倾角 b 。 方法： (1) 将亥姆霍兹线圈与直流电源的连接线拆去。 (2) 把转盘刻度调节到角度 o0=q 。 (3) 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)。 (4) 测地磁场水平分量:测量输出电压 //U 和反向转 o180 ，测地磁场水平分量 ¢//U ，然 后计算地磁场水平分量 KUUKUB 2/)(/ //////// ¢-== 。 (5) 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 总B 和磁倾角 b 。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 b 值的测量 直接测量地磁场水平分量， mVU 1.14// = ， 计算得地磁场水平分量磁感应强度 TB 4// 10341.0 -´= ， 地磁场 mVU 3.20＝总 ,计算得地磁场磁感应强度 TB 410491.0 －总＝ ´ ,磁倾角 o46=b ； b 043 ¢o 0343 ¢o 044 ¢o 0344 ¢o 045 ¢o 046 ¢o mVU /总 20.2 20.3 20.3 20.3 20.3 20.3 b 047 ¢o 47 o 03 ¢ 048 ¢o 0348 ¢o 049 ¢o mVU /总 20.3 20.3 20.3 20.3 20.2 PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建 www.fineprint.cn - 9 - 地磁场垂直分量磁感应强度, 410491.0SinB -´== bB 总 TSin 40 10345.046 -´=´ , 最新上海地区地磁场水平分量为 TB 4// 10331.0 -´= ，磁倾角为 o46=b 。误差小于 %3 。 2. 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 mVU / 励磁电流 mAI / 磁感应 强度 TB 410/ - 正向 mVU /1 反向 mVU /2 平均 mVU / 10.0 0.4496 22.5 -23.8 23.15 20.0 0.8922 45.2 -44.8 45.00 30.0 1.3488 68.3 -67.7 68.00 40.0 1.7984 90.6 -89.8 90.20 50.0 2.2480 11.30 -111.3 112.15 60.0 2.6976 13.52 -132.8 134.00 用 3600-Casio 计算器对 BV - 直线拟合得： TVK /37.49= ，相关系数为 0.99998。 表 4地磁场测量结果 电压 序号 1 2 3 4 5 平均 结果 mVU /1 9.5 9.5 9.4 9.5 9.5 9.5 总U mVU /2 -34.1 -34.1 -34.2 -34.1 -34.1 -34.1 总U mV8.21＝ TB 410441.0 -´= mVU /1 ¢ 0.8 0.8 0.8 0.8 0.8 0.8 U mVU /2 ¢ -28.2 -28.2 -28.2 -28.3 -28.3 -28.2 //U mV5.14= TB 4// 10294.0 -´= PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建 www.fineprint.cn - 10 - 测得复旦大学物理楼三楼物理实验室，磁倾角 o47=b 。 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 TB 4// 10291.0 -´= 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 水泥地面无金属 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 0.341×10 4- T 0.294×10 4- T 0.268×10 4- T 磁倾角β 46.0 ° 46.0 ° 46.0 º 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 总U 和磁倾角 b 时，须将 转盘面处于地磁子午面方向。 2. 测量磁倾角应记录不同 b 时，传感器输出电压 总U ，应取 10组 b 值，求其平均值。 这是因为测量时，偏差 o1 ， 总总总 UCosUU 998.01 == ¢ o 变化很小，偏差 o4 ， 总总总 UCosUU 998.04 == ² o ,所以在偏差 o1 至 o4 范围 总U 变化极小，实验时应测出 总U 变 化很小 b 角的范围，然后求得平均值b。 PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建 www.fineprint.cn - 11 - 七．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？ 3．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？ 八．参考资料 1 偑．贾玉润、王公治、凌 玲主编。大学物理实验，上海复旦大学，1987：492-493 2．鲁绍曾、现代计量学概论。北京，中国计量出版社，1987：492-493 3．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 4．Honeywell公司，固态传感器(磁阻传感器部分) 说明书 房屋状态说明书下载罗氏说明书下载焊机说明书下载罗氏说明书下载GGD说明书下载 ，2001 5．沈元华、陆申龙主编，基础物理实验，北京：高等教育出版社，2003 6．黄德星。磁敏感器件及其应用[M]。北京： 科学出版社，1987 7． 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 PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建 www.fineprint.cn - 12 - 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 011 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。 B⊥ Ｚ Ｏ X α Ｂ Ｂ∥ yβ 地理北极磁南极 地理南极 磁北极 图 5 图6 (2) 磁倾角 b ，磁场强度矢量B v 与水平面(即图 6的矢量B v 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 v 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 v 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。 PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建 www.fineprint.cn - 13 - 附录 2:我国一些城市的地磁参量(地磁要素) 地理位置 地名 北纬 东经 磁倾角 D(偏西) 磁倾角 I 水平强 B∥ (10 4- T) 测定 年份 齐齐哈尔 47º22′ 123º59′ 7º34′ 64º27′ 0.242 1916 长春 43º51′ 126º36′ 7º30′ 60º20′ 0.266 1916 沈阳 41º50′ 123º28′ 6º49′ 58º43′ 0.277 北京 39º56′ 116º20′ 4º48′ 57º23′ 0.289 1936 天津 39º05′.9 117º11′ 4º04′ 56º21′ 0.293 1916 太原 37º51′.9 112º33′ 3º18′ 55º11′ 0.301 1932 济南 36º39′.5 117º01′ 3º36′ 53º06′ 0.308 1915 兰州 36º03′.4 103º48′ 1º15′ 53º24′ 0.312 郑州 34º45′ 113º43′ 0º18′ 50º43′ 0.320 1932 西安 34º16′ 108º57′ 3º02′ 50º29′ 0.323 1932 南京 32º03′.8 118º48′ 1º42′ 46º43′ 0.331 1922 上海 31º11′.5 121º26′ 3º13′ 45º25′ 0.333 成都 30º38′ 104º03′ 0º58′ 45º06′ 0.346 武汉 30º37′ 114º20′ 2º23′ 44º34′ 0.343 安庆 30º32′ 117º02′ 44º27′ 0.341 1911 杭州 30º16′ 120º08′ 2º59′ 44º05′ 0.337 1917 南昌 28º42′.4 115º51′ 1º51′ 41º49′ 0.349 1917 长沙 28º12′.8 112º53′ 0º50′ 41º11′ 0.352 1907 福州 26º02′.2 119º11′ 1º43′ 27º28′ 0.355 1917 桂林 25º17′.7 110º12′ 0º05′ 36º13′ 0.366 1907 昆明 25º04′.2 102º42′ 0º04′ 35º19′ 0.372 1911 广州 23º06′.1 113º28′ 0º47′ 31º41′ 0.375 PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建 www.fineprint.cn - 14 - 上海复旦天欣科教仪器有限公司 FD-HMC-2型磁阻传感器与地磁场实验仪 装 箱 清 单 您购买的产品与装箱 清单 安全隐患排查清单下载最新工程量清单计量规则下载程序清单下载家私清单下载送货清单下载 中是否符合，请验收。 日期： 年 月 日 名 称 数量 备注 1、FD-HMC-2主机 1台 含电流源和数字电压表 2、实验装置架 1套 含磁阻传感器和亥姆霍兹线 圈 3、电源线 1根 4、橡焦叉头连接线 2根 红色 5、橡焦叉头连接线 2根 黑色 6、水平仪 1只 7、仪器使用说明书 1份 8、合格证 1份 PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建 www.fineprint.cn