磁阻传感器与地磁场测量

Ⅰ. 关于地磁场的简介

地球本身具有磁性，所以地球和近地空间之间存在着磁场，称为地磁场。地磁场的强度和方向随地点不同(甚至随时间)而不相同。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1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，大约有11°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2所示)：

图1 地理南、北极与地磁南、北极 图2 地磁场的磁偏角、磁倾角和水平分量

(1) 磁偏角，地球表面任一点的地磁场矢量所在垂直平面(图2中B//与z构成的平面，称地磁子午面)，与地理子午面(图2中x、z构成的平面)之间的夹角。

(2) 磁倾角，磁场强度矢量B与水平面(即图2的矢量B和Ox与Oy构成平面的夹角)之间的夹角。

B(3) 水平分量B//，地磁场矢量在水平面上的投影。

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。

Ⅱ. 本实验的方法介绍

一． 实验方法

利用磁阻传感器测量弱磁场的方法，实现地磁场水平分量的测量，并测出地磁场的大小与方向。

二． 实验所用的设备及材料

磁阻传感器与地磁场实验仪。 三． 实验的构思及原理

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。 磁阻传感器由长而薄的玻莫合金(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3所示。薄膜的电阻率()依赖于磁化强度M和电流I方向间的夹角，具有以下关系式：

()(∥)cos2 （1）

其中∥、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。

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4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Uout可以用下式表示为 ：

RUoutUb (2)

R

图3 磁阻传感器的构造示意图 图4磁阻传感器内的惠斯通电桥 对于一定的工作电压Ub，磁阻传感器输出电压Uout与外界磁场的磁感应强度成正比关系：

UoutU0KB （3）

（3）式中，K为传感器的灵敏度，B为待测磁感应强度。U0为外加磁场为零时传感器的

输出电压 。

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：

B80NI （4）

53/2R式中N为单只线圈匝数，I为线圈流过的电流强度，R为亥姆霍磁线圈的平均半径，0为真空磁导率。

Ⅲ. 本实验的要求

一． 实验任务

1．了解和掌握磁阻传感器的工作原理并测定其灵敏度 2．测量地磁场的水平分量、总磁感强度和垂直分量 二． 实验操作前思考题

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．本实验中有哪些需要特别注意的操作要求？ 三． 实验提示

1. 亥姆霍兹线圈按串联方式连接，磁阻传感器放置在亥姆霍兹线圈公共轴线中点，使传感器的管脚和磁感应强度方向平行。即使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的磁场作为已知的标准磁感应强度，测定并计算出（磁阻传感器）地磁场实验仪的灵敏度K。以上步骤完成后，拆除亥姆霍磁线圈的励磁电流连接线。测量过程中，采用测正向和反向二次测量，目的是为了消除地磁场水平分量对亥姆霍兹线圈磁场产生的影响。此外，采用正向、反向二次测量还可以在计算时抵消毫伏表初读数，从而消除毫伏表初读数对测量值的影响。也就是说毫伏表可以不必调零。正向输出电压U1是指亥姆霍兹线圈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U2是指励磁电流为反向时，传感器输出电压，U(U1U2)/2。

2. 测量地磁场的水平分量B//，实验操作方法：

⑴ 将亥姆霍兹线圈与直流电源的连接线拆去。用水准仪仔细调节底板上螺丝使转盘达到水平。按一下复位按钮（复位按钮可消除磁阻传感器因剩磁而产生测量误差，在测量过程中，应记住经常反复使用该功能按钮）。

⑵ 把转盘刻度调节到角度0。仔细左右调节底座方向，使磁阻传感器输出最大电压。目的是使磁阻传感器的感应面与地磁场水平分量方向垂直。

⑶ 测量出B//对应的电压U// ，将磁阻传感器水平旋转180左右，再测出地磁场水平

（U//应该和U//符号相反，也就是一正一负，分量B）,如此重复测量5//对应的电压U//，

组实验数据。然后用平均值代入公式，计算出测量地点的地磁场水平分量

)/2K。 B//U///K(U//U//3. 测量地磁场的磁倾角。这时候转盘平面方向即为地磁子午面方向，按顺、逆时针方向

转动转盘，寻找出电压 U总(mV)的最大值，该值即代表地磁场磁感应强度的B，记录 U总(mV)数值及对应的转盘的角度值即是磁倾角正，再把转盘转动180左右，寻找出(mV)最大负电压值以及对应的磁倾角反，由磁倾角(正反)/2计算的 U总值。如此测量6组数据，记录数据。

/2KB总，计算4. 测量地磁场的总磁感应强度B总；地磁场的垂直分量B。U总U总地磁场磁感应强度B总的值。并计算地磁场的垂直分量BB总sin。 【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B和磁倾角时，须将转盘面

处于地磁子午面方向。

2. 为了保证测量结果的准确性，实验时仪器周围一定范围内不应存在铁磁性金属物体。 3. 测量磁倾角应记录不同时，传感器输出电压U总，应取不少于6组值，求其平均值。

U总Cos10.9998这是因为测量时，偏差1，U总U总变化很小，偏差4，U总Cos40.998U总U总，所以在偏差1至4范围U总变化极小，实验时应测出U总变化很小角的范围，然后求得平均值。 四． 操作后思考题

1．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？

2．为何玻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？

3. 比较测量值与本地公认值之间的误差大小，并分析原因。 五． 数据记录

1. 测量地磁场实验仪灵敏度K (标定)：

励磁电流设置为±10.0，±20.0，…, ±60.0mA时，记录线圈磁场和毫伏表读数。以亥姆霍兹线圈磁场（标准磁场）为横坐标、毫伏表读数为纵坐标，作出实验仪定标曲线。用最小二乘法拟合，得到该地磁场实验仪灵敏度K，相关系数为:

r(Xi16iX)(YiY)(Xi16iX)2(Yi16

iY)2按照3mA恒流工作电流计算，磁阻传感器本身的灵敏度约为K25V/T,信号经仪器放大后,得到地磁场实验仪总的灵敏度(转换系数)K。 2. 测量地磁场的水平分量B//：

测量 U//正和 U//反，求出 U//，计算出B//。 3. 测量地磁场的磁倾角： 测量正和反，求出。

4. 根据公式计算地磁场的总磁感应强度B总和垂直分量B。

，求出 U，计算出B总和B。 测量 U总和 U总

【附录1】我国一些城市的地磁参量(地磁三要素) 地名 齐齐哈尔 长春 沈阳 北京 天津 太原 济南 兰州 郑州 西安 南京 上海 成都 武汉 安庆 杭州 南昌 长沙 福州 地理位置 北纬 47º22′ 43º51′ 41º50′ 39º56′ 39º05′.9 37º51′.9 36º39′.5 36º03′.4 34º45′ 34º16′ 32º03′.8 31º11′.5 30º38′ 30º37′ 30º32′ 30º16′ 28º42′.4 28º12′.8 26º02′.2 东经 123º59′ 126º36′ 123º28′ 116º20′ 117º11′ 112º33′ 117º01′ 103º48′ 113º43′ 108º57′ 118º48′ 121º26′ 104º03′ 114º20′ 117º02′ 120º08′ 115º51′ 112º53′ 119º11′ 磁偏角 (偏西) 7º34′ 7º30′ 6º49′ 4º48′ 4º04′ 3º18′ 3º36′ 1º15′ 0º18′ 3º02′ 1º42′ 3º13′ 0º58′ 2º23′ 2º59′ 1º51′ 0º50′ 1º43′ 磁倾角  º27′ 60º20′ 58º43′ 57º23′ 56º21′ 55º11′ 53º06′ 53º24′ 50º43′ 50º29′ 46º43′ 45º25′ 45º06′ 44º34′ 44º27′ 44º05′ 41º49′ 41º11′ 27º28′ 地磁场水平分量B//(T) 24.2 26.6 27.7 28.9 29.3 30.1 30.8 31.2 32.0 32.3 33.1 33.3 34.6 34.3 34.1 33.7 34.9 35.2 35.5 测定 年份 1916 1916 1936 1916 1932 1915 1932 1932 1922 1911 1917 1917 1907 1917 桂林 昆明 广州 25º17′.7 25º04′.2 23º06′.1 110º12′ 102º42′ 113º28′ 0º05′ 0º04′ 0º47′ 36º13′ 35º19′ 31º41′ 36.6 37.2 37.5 1907 1911 Ⅳ. 参考文献

1．大学物理实验.贾玉润,王公治,凌偑玲.上海:复旦大学出版社.1987. 2．现代计量学概论.鲁绍曾. 北京:中国计量出版社.1987.

3．玻莫合金磁阻传感器的特性研究和应用.黄一菲,郑神,吴亮,陆申龙.物理实验. 2002,22(4):45-48.

4．基础物理实验.沈元华,陆申龙主编.北京:高等教育出版社.2003. 5．磁敏感器件及其应用.黄德星.北京:科学出版社,1987.