1、磁阻傳感器和地磁場的測量一.實驗目的掌握磁阻傳感器的特性。掌握地磁場的測量方法。二.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、鉆、銀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。HMC1021Z型磁阻傳感器由長而薄的坡莫合金（鐵銀合金）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，將鐵銀合金薄膠附著在硅片上，如圖681所示。薄膜的電阻率p（8）依賴于磁化強度M和電流I方向間的夾角6,具有以下關系式夕

2、（6）=幺+（。一0）cos28其中P、分別是電流I平行于M和垂宜于M時的電阻率。當沿著鐵銀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

3、管腳平行方向的磁場。傳感器由四條鐵銀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6-8-2所示，圖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。因而輸出電壓可以用下式表示為心=（攀卜V玻莫合金薄膜V偏置磁場磁阻傳感器的構造示意圖磁阻傳感器內的惠斯通電橋而于一定的工作電壓，如Y,=6.0W,HMC1021Z磁阻傳感器輸出電壓Ugt與外界磁場的磁感應強度成正比關系，Uout=U0+KB上式中，K為傳感器的靈敏度，B為行測磁感應強度。U。為外加磁場為零時傳感器的輸出量。由于亥姆霍茲線圈的特點足能在其軸線中心

4、點附近產生較寬范用的均勻磁場區，所以常用作弱磁場的標準磁場。亥姆霍茲線圈公共軸線中心點位置的磁感應強度為：B=8=4496x1o_4jR5y2上式中N為線圈匝數（500匝）：亥姆霍茲線圈的平均半徑R=10cm：真空磁導率%=4xlO_7N/Ao3. 實驗步驟1、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雷茲線圈軸線垂直。用亥姆霍茲線圈產生磁場作為已知最，測最磁阻傳感器的靈敏度K。2、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）。水平旋轉轉盤,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最B”的方向。記錄

5、此時傳感器輸出電壓UI后，再旋轉轉盤，記錄傳感器輸出最小電壓U?，由|U1-U2|/2=KB/，求得當地地磁場水平分量B,zc3、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°.轉動調節轉盤，分別記卜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4和夕”同時記錄此最大讀數U；和U；。由磁傾角/=9+2）/2計算夕的值。4、由|u；-U2'/2=KB,計算地磁場磁感應強度B的值。并計算地磁場的垂直分量B±=Bsin/?o4. 實驗數據與數據處理測量傳感器靈敏度K勵磁電流I/mA磁感應強度B/10-,TU/m

6、V平均|U|/mV正向Ui/mV反向U2/mV10.00.45021.022.022.020.00.89942.044.043.030.01.3562.065.064.040.01.8084.090.087.050.02.2510711211060.02.68129132131用最小二乘法擬合，得K=49.1V/T相關系數為r=0.998測最能傾角BP4300r43030r4400r44030r45。'45。30'4600r46030r47°0r47030rUg/mV-1.14-1.13-1.13-1.13-L13-1.13-1.13-1.13-1.14-1.14測得

7、磁傾角為45。0.測后地偃場B電壓12345平均結果UwUi7mV17.817.817.817.817.917.8u行/mV=15.0Bf|f/T=0.305X1()7U：7mV-12.2-12.3-12.2-12.2-12.2-12.2UsUi/mV23.723.723.823.823.823.8|u|/mV=20.1B“T=0.409X10”U2/mV-16.3-16.3-16.3-16.3-16.3-16.3rtlB行，B也算得磁傾角為。=arccosB乎行/B總二40。6'5. 實驗結果首先測得了磁阻傳感器靈敏度K=49.1V/T,相關系數為二0.998,所以最小二乘法擬合獲得了比較理想的結果。直接測磁傾角測得B二45。0'。rflB乎巾B總間接測得g40。6'。與參考數據44。3夕相比，相對誤差分別為1%,與11%,后者誤差較大。測得武漢大學物理學院5樓處地磁場水平強度為0.305X10-T,與參考數據0.343X10）