磁阻传感器与地磁场测量 刘金环.

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1 磁阻传感器与地磁场测量 刘金环

2 实验介绍 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。地磁场的数值比较小，约10-5T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、探矿等众多领域有着广泛的应用。

3 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的应用前景。

4 预习要点 1.什么是磁阻效应？ 2.磁阻传感器的结构原理及输出特性？ 3.了解地磁场的知识？
4. 如何用亥姆霍兹线圈其轴线中心点附近产生的均匀磁场作弱磁场的标准磁场，给磁阻传感器定标？

5 一、实验目的和学习要求 1. 了解什么是磁阻效应？磁阻效应的物理机制？ 2.了解HMC1021Z型磁阻传感器的结构原理及特性；
3. 用磁阻传感器测地磁场磁感应强度及地磁场的水平分量和地磁倾角。

6 二、实验原理 x B B∥ B⊥ y z β α 1.地磁场 地磁场是一个向量场。常用的地磁要素有7个，即地磁场总强度B，水平强度B∥，垂直强度B⊥，X和Y分别为B∥的北向和东向分量，α和β分别为磁偏角和磁倾角。 描述空间某一点地磁场的强度和方向，需要3个独立的地磁要素。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。

7 水平分量B∥：地磁场矢量B在水平面上的投影。 磁倾角β：地磁场强度矢量B与水平面(即图6中的O-XY平面)之间的夹角。
z β α 水平分量B∥：地磁场矢量B在水平面上的投影。 磁倾角β：地磁场强度矢量B与水平面(即图6中的O-XY平面)之间的夹角。 磁偏角α：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)之间的隔角。

8 2.磁阻效应 磁阻效应是指某些置于磁场中的金属或半导体的电阻值随外加磁场变化而变化的现象。许多金属、合金及金属化合物材料处于磁场中时，传导电子受到强烈磁散射，使电阻显著增大，这种现象称磁阻效应。同霍尔效应一样，磁阻效应也是由于载流子在磁场中受到洛伦兹力而产生的。

9 如图所示的长方形半导体薄片（N型）处于图示方向的磁场中，设CD方向通有直流电流，半导体内的载流子将受到洛仑兹力的作用而发生偏转，在A、B两端产生电荷积聚，因而产生霍尔电场。

10 如果将A、B端短接，霍尔电场将不存在，所有电子将向A端偏转，使电阻变得更大，因而磁阻效应加强。所以，可以看出，霍耳效应比较明显的样品，磁阻效应就小；反之，霍耳效应比较小的样品，磁阻效应就大。
通常以电阻率的相对改变量来表示磁阻 式中ρ0和ρB分别为无磁场和有磁场时的电阻率。

11 若外加磁场与外加电场垂直，称为横向磁阻效应；若外加磁场与外加电场平行，称为纵向磁阻效应。一般情况下，载流子的有效质量的驰豫时间与方向无关，则纵向磁感强度不引起载流子偏移，因而纵向磁阻效应不明显。
目前，磁阻效应广泛用于磁传感、磁力计、电子罗盘、位置和角度传感器、车辆探测、GPS导航、仪器仪表、磁存储(磁卡、硬盘)等领域。

12 不同的磁阻装置有不同的灵敏度，其电阻的相对变化率△R/R与外磁场的关系如图所示。

13 3.磁阻传感器 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。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所示。

14 薄膜的电阻率依赖于磁化强度M和电流I方向间的夹角θ，具有以下关系式
其中 、 分别是电流平行于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。

15 ※ 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直流电桥，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所示。

16 对于一定的工作电压，如U=5.00V，HMC1021Z磁阻传感器输出电压与外界磁场的磁感应强度成正比关系。
式中，K为传感器的灵敏度，B为外界磁场的磁感应强度，U0为外加磁场为零时传感器的输出量。用一个标准磁场对传感器进行定标，获得输出灵敏度K后，即可通过传感器的输出测量磁场强度。

17 4.标准磁场 ※为了确定磁阻传感器的灵敏度，需要有一个标准磁场来定标。由于亥姆霍兹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。亥姆霍兹线圈公共轴线中心点位置的磁感应强度由下式给出： 式中N为线圈匝数，I为线圈流过的电流强度，R为亥姆霍兹线圈的平均半径， μ0为真空磁导率。 真空磁导率μ0 =4π×10-7N/A2

18 三、实验内容 1.测量磁阻传感器的灵敏度K 用亥姆霍兹线圈轴线中心点附近产生的均匀磁场作为标准磁场给磁阻传感器定标，获得磁阻传感器的灵敏度K。

19  仪器主机恒流源逆时针旋至最小，亥姆霍兹线圈串联接入励磁电流，磁阻传感器输出复位、调零。
 将带有磁阻传感器的转盘水平放置，调节底板上螺丝使转盘水平(可用水准器指示)，把转盘刻度调节到角度θ=0o；  仪器主机恒流源逆时针旋至最小，亥姆霍兹线圈串联接入励磁电流，磁阻传感器输出复位、调零。  测正向和反向两次的目的是消除地磁沿亥姆霍兹线圈轴线方向(水平)分量的影响。改变电流方向时，应先调解电流输出为零，再改变电流输入方向。

20 励磁电流I/mA 磁感应强度B/10-4T U/mV 平均 10.00 20.00 30.00 40.00 50.00 60.00 正向
测量磁阻传感器的灵敏度K 励磁电流I/mA 磁感应强度B/10-4T U/mV 平均 正向 U1/mv 反向 U2/mv 10.00 20.00 30.00 40.00 50.00 60.00

21 记录此时传感器输出最大电压U1后，再旋转转盘，记录传感器输出最小电压U2，求得当地地磁场水平分量。
2.测量地磁场的水平分量B∥ ①保持磁阻传感器的转盘水平放置，拆去电流输入线； ②水平转动带有磁阻传感器的转盘，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水平分量的方向； 记录此时传感器输出最大电压U1后，再旋转转盘，记录传感器输出最小电压U2，求得当地地磁场水平分量。

22 3.测量地磁场的磁感应强度B，地磁场的垂直分量B⊥及磁倾角β
调节角游标对准零刻度线，水平转动实验装置的底盘，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的方向； 将转盘平面调整为铅直，此时转盘面处于地磁子午面方向，角游标对准零刻度线； 转动调节内转盘，分别记录传感器输出最大值U1’和最小值U2’，同时记下传感器输出最大和最小时转盘角度指示值β1和β2。

23 ※ 测量磁倾角记录β时，应取多组不同数据，求其平均值。这是因为测量时，若偏差1o，传感器输出电压变化很小；
U总’=U总Cos1o=0.9998U总 若偏差4o，则 U总“=U总Cos4o=0.998U总 所以在偏差1o至4o范围内，U总变化极小。实验时应测出U总变化很小时β角的范围，然后求得平均值。

24 由β=(β1+β2)/2计算磁倾角的值。 由 计算地磁场磁感应强度B的值。 由 计算地磁场的垂直分量。

25 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U总和磁倾角β时，须将转盘面处于地磁子午面方向。
2.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。 3.磁阻传感器遇强磁场时，会产生磁畴饱和现象使灵敏度降低，这时可按“复位”按钮使恢复到原灵敏度。磁阻传感器定标后，不可用复位键，必要时需重新定标。 4.带有磁阻传感器的转盘平面的水平和铅直调整要仔细到位，以免影响测量结果。

26 再见！