1、用磁阻效應測量地磁場地磁場的數值比較小，約105T量級，但在直流磁場測量，特別是弱磁場測量中，往往需要知道其數值，并設法消除其影響，地磁場作為一種天然磁源，在軍事、工業、醫學、探礦等科研中也有著重要用途。本實驗采用新型坡莫合金磁阻傳感器測量地磁場磁感應強度及地磁場磁感應強度的水平分量和垂直分量；測量地磁場的磁傾角，從而掌握磁阻傳感器的特征及測量地磁場的一種重要方法。由于磁阻傳感器體積小，靈敏度高、易安裝，因而在弱磁場測量方面有廣泛應用前景。一、實驗原理物質在磁場中電阻率發生變化的現象稱為磁阻效應。對于鐵、鈷、鎳及其合金等磁性金屬，當外加磁場平行于磁體內部磁化方向時，電阻幾乎不隨外加磁場變化；當

2、外加磁場偏離金屬的內部磁化方向時，此類金屬的電阻減小，這就是強磁金屬的各向異性磁阻效應。本實驗所用得HMC1021Z型磁阻傳感器由長而薄的坡莫合金（鐵鎳合金）制成一維磁阻微電路集成芯片（二維和三維磁阻傳感器可以測量二維或三維磁場）。它利用通常的半導體工藝，將鐵鎳合金薄膜附著在硅片上，如圖1所示。薄膜的電阻率（）依賴于磁化強度M和電流I方向間的夾角，具有以下關系式 （1）其中、分別是電流I平行于M和垂直于M時的電阻率。當沿著鐵鎳合金帶的長度方向通以一定的直流電流，而垂直于電流方向施加一個外界磁場時，合金帶自身的阻值會生較大的變化，利用合金帶阻值這一變化，可以測量磁場大小和方向。同時制作時還在硅片

3、上設計了兩條鋁制電流帶，一條是置位與復位帶，該傳感器遇到強磁場感應時，將產生磁疇飽和現象，也可以用來置位或復位極性；另一條是偏置磁場帶，用于產生一個偏置磁場，補償環境磁場中的弱磁場部分（當外加磁場較弱時，磁阻相對變化值與磁感應強度成平方關系），使磁阻傳感器輸出顯示線性關系。HMC1021Z磁阻傳感器是一種單邊封裝的磁場傳感器，它能測量與管腳平行方向的磁場。傳感器由四條鐵鎳合金磁電阻組成一個非平衡電橋，非平衡電橋輸出部分接集成運算放大器，將信號放大輸出。傳感器內部結構如圖2所示。圖2中由于適當配置的四個磁電阻電流方向不相同，當存在外界磁場時，引起電阻值變化有增有減。因而輸出電壓Uout可以用下式

4、表示為 （2）圖1 磁阻傳感器的構造示意圖 圖2 磁阻傳感器內的惠斯通電橋對于一定的工作電壓，如Ub=5.00V，HMC1021Z磁阻傳感器輸出電壓Uout與外界磁場的磁感應強度成正比關系： （3）式中，K為傳感器的靈敏度，B為待測磁感應強度，U0為外加磁場為零時傳感器的輸出量。由于亥姆霍磁線圈的特點是能在其軸線中心點附近產生較寬范圍的均勻磁場區，所以常用作弱磁場的標準磁場。亥姆霍磁線圈公共軸線中心點位置的磁感應強度為 （4）（4）式中N為線圈匝數，I為線圈流過的電流強度，R為亥姆霍磁線圈的平均半徑，0為真空磁導率。二、實驗裝置測量地磁場裝置如圖3所示。它主要包括底座、轉軸，帶角刻度的轉盤、磁

5、阻傳感器的引線、亥姆霍磁線圈、地磁場測定儀控制主機（包括數字式電壓表、5V直流電源等） 圖3 傳感器特性測量裝置 圖4 用磁阻傳感器測量地磁場實驗裝置三、實驗內容測量西安交大校園內教學主樓5層地磁場參量1、測量磁阻傳感器的靈敏度K本實驗須注意：實驗儀器周圍的一定范圍內不應存在鐵磁金屬物體，以保證測量結果的準確性。將磁阻傳感器放置在亥姆霍茲線圈公共軸線中點，并使管腳和磁感應強度方向平行。即傳感器的感應面與亥姆霍磁線圈軸線垂直。用亥姆霍磁線圈產生磁場作為已知量，測量磁阻傳感器的靈敏度K。數據表中，正向輸出電壓U1是指勵磁電流為正方向時測得的磁阻傳感器產生的輸出電壓，而反向U2是指勵磁電流為反向時，

6、傳感器輸出電壓，。測正向和反向兩次，目的是消除地磁沿亥姆霍茲線圈方向（水平）分量的影響。表1 室外空曠地上測量傳感器靈敏度勵磁電流磁感應強度正向U1/mV反向U2/mV平均/mV根據表1中數據,用最小二乘法擬合，求出該磁阻傳感器的靈敏度K。亥姆霍茲線圈每個線圈匝數N=500匝，線圈的半徑r=10cm；真空磁導率。亥姆霍茲線圈軸線上中心位置的磁感應強度為（二個線圈串聯）：式中，B為磁感應強度單位T（特斯拉）；I為通過線圈的電流，單位A（安培）。2.測量地磁場的水平分量將亥姆霍茲線圈與直流電源的連接線拆去，將磁阻傳感器平行固定在轉盤上，調整轉盤至水平（可用水準器指示）,把轉盤刻度調節到=0,水平旋

7、轉轉盤，找到傳感器輸出電壓最大方向，這個方向就是地磁場磁感應強度的水平分量B的方向。記錄此時傳感器輸出電壓U1后，再反向旋轉轉盤180°，記錄傳感器輸出最小電壓U2，由，求得當地地磁場水平分量B。3.測量磁傾角將帶有磁阻傳感器的轉盤平面調整為鉛直，并使裝置沿著地磁場磁感應強度水平分量B方向放置，只是方向轉90°（使轉盤面處于地磁子午面方向）。轉動調節轉盤，分別記下傳感器輸出最大和最小時轉盤指示值和水平面之間的夾角1和2，同時記錄此最大讀數和。由磁傾角計算的值，為減小誤差，測量磁傾角時須改變角度，求多次測量的平均值。4.計算地磁場強度和地磁場的垂直分量由，計算地磁場磁感應強度

8、B的值，并計算地磁場的垂直分量B=Bsin。五、實驗注意事項1.測量地磁場水平分量，須將轉盤調節至水平；測量地磁場和磁傾角時，須將轉盤面處于地磁子午面方向。時，傳感器輸出電壓，應取10組值，求其平均值。這是因為測量時，偏差1°，變化很小，偏差，所以在偏差至范圍變化極小，實驗時應測出變化很小角的范圍，然后求得平均值。六思考題1.磁阻傳感器和霍耳傳感器在工作原理和使用方法方面各有什么特點和區別？2.如果在測量地磁場時，在磁阻傳感器周圍較近處，放一個鐵釘，對測量結果將產生什么影響？3.為何坡莫合金磁阻傳感器遇到較強磁場時，其靈敏度會降低？用什么方法來恢復其原來的靈敏度？七、參考資料1.賈玉

9、潤、王公治、凌佩玲主編。大學物理實驗，上海復旦大學，1987：4924932.魯紹曾、現代計量學概論。北京，中國計量出版社，1987：4924933.黃一菲、鄭神、吳亮、陸申龍，玻莫合金磁阻傳感器的特性研究和應用、物理實驗。第22卷第4期，2002，4：45484.Honeywell公司，固態傳感器（磁阻傳感器部分）說明書，20015.沈元華、陸申龍主編，基礎物理實驗，北京：高等教育出版社，20036.黃德星，磁敏感器件及其應用M。北京：科學出版社，19877.里夫、王秀琴等編著，常用物理常數手冊、云南人民出版社、1983、10：157158附錄1：地磁場地球本身具有磁性，所以地球和近地空間之

10、間存在著磁場，叫做地磁場。地磁場的強度和方向隨地點（甚至隨時間）而異。地磁場的北極、南極分別在地理南極、北極附近，彼此并不重合，如圖5所示，而且兩者間的偏差隨時間不斷地在緩慢變化。地磁軸與地球自轉軸并不重合，有11°交角。在一個不太大的范圍內，地磁場基本上是均勻的，可用三個參量來表示地磁場的方向和大?。ㄈ鐖D6所示）：（1）磁偏角，地球表面任一點的地磁場矢量所在垂直平面（圖6中與構成的平面，稱地磁子午面），與地理子午面（圖6中、構成的平面）之間的夾角。圖5 圖6（2）磁傾角，磁場強度矢量與水平面（即圖6的矢量和OX與OY構成平面的夾角）之間的夾角。（3）水平分量，地磁場矢量在水平面上的

11、投影。測量地磁場的這三個參量，就可確定某一地點地磁場矢量的方向和大小。當然這三個參量的數值隨時間不斷地在改變，但這一變化極其緩慢，極為徽弱。附錄2：我國一些城市的地磁參量地名地理位置磁傾角D（偏西）磁傾角I水平強測定年份北緯東經齊齊哈爾47°22123°597°3464°271916長春43°51126°367°3060°201916沈陽41°50123°286°4958°43北京39°56116°204°4857°231936天津39

12、°05.9117°114°0456°211916太原37°51.9112°333°1855°111932濟南36°39.5117°013°3653°061915蘭州36°03.4103°481°1553°24鄭州34°45113°430°1850°431932西安34°16108°573°0250°291932南京32°03.8118°4

13、81°4246°431922上海31°11.5121°263°1345°25成都30°38104°030°5845°06武漢30°37114°202°2344°34安慶30°32117°0244°271911杭州30°16120°082°5944°051917南昌28°42.4115°511°5141°491917長沙28°12.8112°530°