實驗6用磁阻傳感器測量地磁場實驗地磁場的數(shù)值比較小，約10-5T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(shù)值，并設(shè)法消除其影響，地磁場作為一種天然磁源，在軍事、工業(yè)、醫(yī)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定地磁場磁感應(yīng)強度及地磁場磁感應(yīng)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性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(yīng)用前景。［實驗?zāi)康模?、 掌握磁阻傳感器的特性。2、 了解測量地磁場的一種重要方法。［實驗儀器］測量地磁場裝置如圖6-1所示。它主要包括底座、轉(zhuǎn)軸，帶角刻度的轉(zhuǎn)盤、磁阻傳感器的引線、亥姆霍茲線圈、地磁場測定儀控制主機（包括數(shù)字式電壓表、5V直流電源等）圖6-1磁阻傳感器測量地磁場實驗裝置［實驗原理］物質(zhì)在磁場中電阻率發(fā)生變化的現(xiàn)象稱為磁阻效應(yīng)。對于鐵、鉆、鎳及其合金等磁性金屬，當外加磁場平行于磁體內(nèi)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(nèi)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(yīng)。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31-2所示。薄膜的電阻率P（0）依賴于磁化強度M和電流I方向間的夾角。，具有以下關(guān)系式p(p(0)=p+(p〃-p)cos20(1)其中p〃、p【分別是電流/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上設(shè)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(yīng)時，將產(chǎn)生磁疇飽和現(xiàn)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(chǎn)生一個偏置磁場，補償環(huán)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(yīng)強度成平方關(guān)系)，使磁阻傳感器輸出顯示線性關(guān)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(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖31-3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Uout可以用下式表示為圖6-2磁阻傳感器的構(gòu)造示意圖圖6-2磁阻傳感器的構(gòu)造示意圖圖6-3磁阻傳感器內(nèi)的惠斯登電橋?qū)τ谝欢ǖ墓ぷ麟妷海鏤.=5.00V，HMC1021Z磁阻傳感器輸出電壓U。成與外界磁場的磁感應(yīng)強度成正比關(guān)系，U=U0+KB (3)(3)式中，K為傳感器的靈敏度，B為待測磁感應(yīng)強度。U0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是能在其軸線中心點附近產(chǎn)生較寬范圍的均勻磁場區(qū)，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(yīng)強度為(4)B)空里(4)R 53/2(4)式中N為線圈匝數(shù)，I為線圈流過的電流強度，R為亥姆霍茲線圈的平均半徑，*為真空磁導率。［實驗內(nèi)容］磁阻傳感器的定標用儀器配套的水準儀調(diào)節(jié)刻度盤水平，并調(diào)節(jié)刻度盤調(diào)節(jié)旋鈕使轉(zhuǎn)盤刻度調(diào)節(jié)為。=0。。拆除亥姆霍茲線圈和直流電源連接線，地磁場測定儀調(diào)零。調(diào)節(jié)旋鈕，測出表1給出的勵磁電流值對應(yīng)的電壓值。測反向電壓時注意先將電流調(diào)至零后再打電流換向旋鈕。用亥姆霍茲線圈產(chǎn)生磁場作為已知量，測量磁阻傳感器的靈敏度K。地磁場水平分量的測量將磁阻傳感器平行固定在轉(zhuǎn)盤上，調(diào)整轉(zhuǎn)盤至水平(可用水準器指示)。調(diào)節(jié)刻度盤調(diào)節(jié)旋鈕，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(yīng)強度的水平分量B〃的方向。記錄此時傳感器輸出電壓U1后，再調(diào)節(jié)刻度盤調(diào)節(jié)旋鈕，記錄傳感器輸出最小電壓U2，由U1-U2|/2=KB〃，求得當?shù)氐卮艌鏊椒至緽〃。地磁傾角P和地磁場磁感應(yīng)強度B的測量調(diào)刻度盤和底座水平。轉(zhuǎn)底座使地磁場測定儀電壓讀數(shù)達最大或最小值，此時轉(zhuǎn)盤面與地磁子午面方向垂直。將帶有磁阻傳感器的轉(zhuǎn)盤平面調(diào)整為鉛直，轉(zhuǎn)動調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)盤角度，分別記下傳感器輸出最大和最小時轉(zhuǎn)盤指示值和水平面之間的夾角P1和P2，同時記錄此最大讀數(shù)U1和U2。由磁傾角P=(P1+P2)/2計算P的值。(3)由|U1-U2|/2=KB，計算地磁場磁感應(yīng)強度B的值。并計算地磁場的垂直分量B」=Bsinp。記錄實驗環(huán)境條件，整理好實驗儀器。本實驗須注意:實驗儀器周圍的一定范圍內(nèi)不應(yīng)存在鐵磁金屬物體，以保證測量結(jié)果的準確性。［數(shù)據(jù)與結(jié)果］亥姆霍茲線圈每個線圈匝數(shù)N=500匝，線圈的半徑r=10cm；真空磁導率扁=4kx10-7N/A2。亥姆霍茲線圈軸線上中心位置的磁感應(yīng)強度為（二個線圈串聯(lián)）B=冬=8X4脂10-7x500xI=44.96x10-41R53/2 0.100X53/2式中，B為磁感應(yīng)強度單位T；I為通過線圈的電流，單位A。測量傳感器的靈敏度K測出勵磁電流為10.0,20.0,30.0,40.0,50.0,60.0mA對應(yīng)的傳感器輸出電壓〃（注意正向和反向電壓），并算出^；接著用逐差法得到該磁阻傳感器的靈敏度K。測量地磁場的水平分量B；地磁場的磁感應(yīng)強度B總；地磁場的垂直分量B^，磁傾角p。直接測量地磁場水平分量，U〃=mV,計算得地磁場水平分量磁感應(yīng)強度B=T,//傳感器輸出最大和最小時轉(zhuǎn)盤指示值和水平面之間的夾角p］=和p2=；最大讀數(shù)u；=V和U2=V。計算得地磁場磁感應(yīng)強度B總=T，磁傾角p=；地磁場垂直分量磁感應(yīng)強度，B=B總Sinp=T,杭州地區(qū)地磁場水平分量為B=0.337x10-4T，磁傾角為p=46。數(shù)據(jù)處理結(jié)果表述用不確定度形式給出。［注意事項］測量地磁場水平分量，須將轉(zhuǎn)盤調(diào)節(jié)至水平；測量地磁場U總和磁傾角p時，須將轉(zhuǎn)盤面處于地磁子午面方向。切記不要用強磁場的物體和手觸碰磁阻傳感器。實驗過程中最好不要改變傳感器與主機的位置（為什么？）。［實驗報告］1、 記錄實驗所用的實驗儀器（型號或規(guī)格），實驗環(huán)境條件；2、 簡述實驗原理和實驗的操作過程，按數(shù)據(jù)處理要求，給出實驗測量結(jié)