FB520型三維亥姆霍茲線圈磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)儀說(shuō)明書(shū)

1、用集成霍爾元件測(cè)定亥姆霍茲FB5型三維亥姆霍茲線圈磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)儀）實(shí)義杭州精科儀器有限公司用集成霍爾元件測(cè)定載流圓線圈與亥姆霍茲線圈磁場(chǎng)在工業(yè)、國(guó)防、科研中都需要對(duì)磁場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量磁場(chǎng)的方法有不少，如沖擊電流 計(jì)法、霍耳效應(yīng)法、核磁共振法、天平法、電磁感應(yīng)法等等，本實(shí)驗(yàn)介紹霍爾效應(yīng)法測(cè)磁 場(chǎng)的方法，它具有測(cè)量原理簡(jiǎn)單，測(cè)量方法簡(jiǎn)便及測(cè)試靈敏度較高等優(yōu)點(diǎn)?！緦?shí)驗(yàn)?zāi)康摹?了解用霍爾效應(yīng)法測(cè)量磁場(chǎng)的原理，掌握FB520型三維亥姆霍茲線圈磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)儀的使用方法。2. 了解載流圓線圈的軸向磁場(chǎng)和徑向磁場(chǎng)分布情況。3測(cè)量載流圓線圈和亥姆霍茲線圈的軸線上的磁場(chǎng)分布。4.當(dāng)兩平行線圈的間距改變?yōu)?d二R / 2和

2、d = 2R時(shí)，測(cè)定其軸線上的磁場(chǎng)分布。【實(shí)驗(yàn)原理】1.載流圓線圈與亥姆霍茲線圈的磁場(chǎng)1）載流圓線圈磁場(chǎng)根據(jù)畢奧-薩伐爾定律一半徑為 R，通以直流電流I的圓線圈，其軸線上離圓線圈中 心距離為X米處的磁感應(yīng)強(qiáng)度的表達(dá)式為 ：2o * No * I *R B2（R2 +X2）3/2式中N 0為圓線圈的匝數(shù)，X為軸上某一點(diǎn)到圓心磁場(chǎng)的分布圖如圖1所示，是一條單峰的關(guān)于（2）亥姆霍茲線圈(1)O的距離，=4 二 10H/m,Y軸對(duì)稱(chēng)的曲線。A B勻強(qiáng)磁場(chǎng)OX圖丄載銃圓線圈的磁場(chǎng)分布o(jì)x圖2亥姆霍茲線圏的磁場(chǎng)分布通以同方向電流I，線圈間距等于線圈半徑（即 （理論計(jì)算也可以證明）：兩線圈合磁場(chǎng)在兩個(gè)完全相

3、同的圓線圈彼此平行且共軸， d =R）時(shí)，從磁感應(yīng)強(qiáng)度分布曲線可以看出， 中心軸線上（兩線圈圓心連線）附近較大范圍內(nèi)是均勻的，這樣的一對(duì)線圈稱(chēng)為亥姆霍茲 線圈，如圖2所示。從分布曲線可以看出，在兩線圈中心連線一段，出現(xiàn)一個(gè)平臺(tái)，這說(shuō) 明該處是勻強(qiáng)磁場(chǎng)。根據(jù)霍爾效應(yīng)可以知道，當(dāng)霍爾探頭放入磁場(chǎng)中時(shí)，由于運(yùn)動(dòng)電荷受到洛倫茲力作 用，電流方向會(huì)發(fā)生偏離，在某兩個(gè)端面之間產(chǎn)生的電勢(shì)差，通過(guò)電勢(shì)差的大小就可以測(cè) 量磁場(chǎng)的大小。當(dāng)亥姆霍茲線圈兩線圈通有方向一致的電流時(shí)，兩線圈形成的磁場(chǎng)方向也 一致，兩線圈之間就形成均勻磁場(chǎng)，霍爾探頭在該區(qū)域運(yùn)動(dòng)時(shí)其測(cè)量的數(shù)值幾乎不變。當(dāng) 然兩線圈通上相反方向電流，則其間的

4、磁場(chǎng)可以互相抵消為零。如果Z是亥姆霍茲線圈中心軸線上離中心O點(diǎn)的距離，則該點(diǎn)的磁由理論計(jì)算可知， 感應(yīng)強(qiáng)度：由該公式推論，當(dāng) Z R 2 R2=0時(shí)，即亥姆霍茲線圈中心軸中心點(diǎn)R2O的磁感應(yīng)強(qiáng)度為:(2)(3) N -I 8=A 0R532圖3是亥姆霍茲線圈兩線圈間隔距離等于R/2, R, 2R時(shí)線圈中心軸線上的磁感應(yīng)強(qiáng)度的分布特性曲線，從圖中可以看出幾種特性曲線的不同特點(diǎn)。202 -10 -8-6-4-2024681012 X(ca)圖$亥姆霍茲線圏間距改變時(shí)，磷場(chǎng)分布曲線【實(shí)驗(yàn)儀器】FB520型三維亥姆霍茲線圈磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)儀 。一. FB520三維線圈磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)信號(hào)源儀器背部為FB520交流電源

5、插座和電源開(kāi)關(guān)，以及配實(shí)驗(yàn)儀測(cè)試架的專(zhuān)用插座。儀器主機(jī)見(jiàn)圖4FB520三維亥姆霍茲線圈磁場(chǎng)圖4 FBP0型三維亥姆霍茲線圈磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)儀實(shí)物片1 勵(lì)磁電流I M輸出：直流0 0.500A恒流輸出連續(xù)可調(diào)，接到測(cè)試架的勵(lì)磁線圈，提 供實(shí)驗(yàn)用的勵(lì)磁電流。勵(lì)磁電流 |M輸出端連接到測(cè)試架線圈時(shí)，可以選擇接單個(gè)線圈或 雙線圈。接雙線圈時(shí)，將兩線圈串聯(lián)，即一個(gè)線圈的黑接線柱與另一線圈的紅接線柱相連。 另外兩端子接至實(shí)驗(yàn)儀的 IM端。2 由集成霍爾元件構(gòu)成的微特斯拉計(jì)：每臺(tái)儀器在出廠時(shí)，工作電流Is及集成霍爾元件輸出信號(hào)放大器都已配套調(diào)節(jié)好，只要用專(zhuān)用四芯連接線把實(shí)驗(yàn)儀與測(cè)試架連接。測(cè)量磁 感應(yīng)強(qiáng)度B可直接讀

6、數(shù)。使用前，在儀器位置方向確定后，在勵(lì)磁電流為零時(shí)，用調(diào)零旋 鈕調(diào)零。以消除地磁場(chǎng)及實(shí)驗(yàn)環(huán)境周?chē)碾s散磁場(chǎng)對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響。（提醒：集成霍爾元件工作電流出廠時(shí)已配對(duì)調(diào)好，如果把實(shí)驗(yàn)儀與測(cè)試架互換，將造成測(cè)試數(shù)據(jù)不準(zhǔn)，甚至出 現(xiàn)無(wú)法調(diào)零的情況，這時(shí)只要注意按儀器上的編號(hào)更正即可）。3換向開(kāi)關(guān)：用于改變磁場(chǎng)線圈勵(lì)磁電流 |M的方向。二. FB520三維亥姆霍茲線圈磁場(chǎng)測(cè)試架（本測(cè)試架的特點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)三維可靠調(diào)節(jié)）1亥姆霍茲線圈：如圖5所示，兩個(gè)圓線圈（1）、（2）安裝于底板（3） 上，其中圓線圈（1）為固定線圈， 圓線圈（2）可以沿底板移動(dòng)，從而調(diào)節(jié)兩線圈的間距，移動(dòng)范圍為：d =50 200mm ,操作

7、時(shí)，只需松開(kāi)圓線圈（2）底座上的緊固螺釘，就可以用雙手均勻地移動(dòng)圓線圈（2）,從而改變兩個(gè)圓線圈的間距，實(shí)驗(yàn)架上設(shè)有R, 2R, R/2等位置標(biāo)志，移到所需的位置后，再擰緊緊固螺釘。勵(lì)磁電流通過(guò)圓線圈后面的插孔接入，可以做單個(gè)線圈或雙線圈的 磁場(chǎng)分布。2.三維可移動(dòng)裝置：見(jiàn)圖5，滑塊（10）可以沿導(dǎo)軌（5）左右移動(dòng)，配合銅桿（8）的位置調(diào)節(jié)，可以改變集 成霍爾元件（4） X方向的位置坐標(biāo)，移動(dòng)距離：一 200mm。移動(dòng)時(shí)，用力要輕，速度不可過(guò)快，如果滑塊移動(dòng)時(shí)阻力太大或太松，則應(yīng)適當(dāng)調(diào)節(jié)滑塊上的螺釘（9）的松緊度；左右（即X方向）移動(dòng)不能影響前后方向即Y方向位置；必要時(shí)，可以鎖緊導(dǎo)軌（5）右端

8、的緊定螺釘（13）,防止Y方向位置發(fā)生改變。沿 Y方向輕推滑塊（10）,讓導(dǎo)軌（5） 沿導(dǎo)軌（6）均勻移動(dòng)，可使集成霍爾元件 Y方向的位置坐標(biāo)變化，移動(dòng)距離：_80mm ；這時(shí)，導(dǎo)軌（5）右端的緊定螺釘（13）應(yīng)處于松開(kāi)狀態(tài)。注意：這時(shí)不可左右方向用力， 以免改變集成霍爾元件 X方向的位置。 松開(kāi)緊固螺釘（12）,銅桿（8）可以沿導(dǎo)軌（7）上下移動(dòng)，移到所需的位置后，再擰緊緊固螺釘（12）,用于改變霍爾元件 Z方向的位置坐標(biāo)，移動(dòng)距離：_80mm。在進(jìn)行X方向位置移動(dòng)時(shí)，一般將 Z方向標(biāo)尺置于0點(diǎn)，這 樣保證集成霍爾元件正處于線圈中心軸線上。實(shí)驗(yàn)裝置在X,Y,Z方向均配有位置標(biāo)尺，是三維磁場(chǎng)測(cè)

9、量系統(tǒng)，可以方便地測(cè)量空間磁場(chǎng)的三維坐標(biāo)。3. 集成霍爾元件：裝置采用優(yōu)質(zhì)95A集成霍爾元件，特點(diǎn)是靈敏度高，溫度漂移小，作為微特斯拉計(jì)的 傳感器是非常好的選擇?？梢詫?duì)三維磁場(chǎng)分布進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量。集成霍爾元件（4）安裝于銅管（8）的左前端，導(dǎo)線從銅管中引出，連接到測(cè)試架后面板上的專(zhuān)用插座。改變圓線圈（2）的位置進(jìn)行磁場(chǎng)分布測(cè)量實(shí)驗(yàn)時(shí)， 為了讀數(shù)方便，應(yīng)該改變銅管（8） 的位置。松開(kāi)緊固螺釘（11）,移動(dòng)銅管至R, 2R, R/2的位置，對(duì)應(yīng)于圓線圈（2）在 R, 2R, R/2的位置，這樣做的優(yōu)點(diǎn)是移動(dòng)滑塊（ 10）時(shí)，X方向的讀數(shù)是以0位置為 對(duì)稱(chēng)的。如果不改變銅管（8）的位置，則應(yīng)對(duì) X方向

10、位置讀數(shù)進(jìn)行修正?！緦?shí)驗(yàn)內(nèi)容】1測(cè)量單個(gè)載流圓線圈（1）軸線上（X方向）磁場(chǎng)B1的分布： 用連接線將勵(lì)磁電流Im輸出端連接到圓線圈（1）,霍爾傳感器探頭的信號(hào)線連接到測(cè)試架后面板的專(zhuān)用四芯插座。緊固滑塊（10）,再擰緊緊固螺釘（12）。 開(kāi)機(jī)前，預(yù)熱10分鐘，調(diào)節(jié)FB520型霍爾法亥姆霍茲線圈磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)儀的電流調(diào)節(jié)，使勵(lì)磁電流Im =0.000A,在線圈磁場(chǎng)強(qiáng)度等于零的條件下，把特斯拉計(jì)調(diào)零（目的是消除地磁場(chǎng)和其他環(huán)境雜散干擾磁場(chǎng)以及不平衡電勢(shì)的影響），這樣特斯拉計(jì)就校準(zhǔn)好了。（注意：如果測(cè)量過(guò)程中改變了測(cè)試架位置方向，需重復(fù)調(diào)零步驟。） 調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流lM =0.500A，移動(dòng)X方向?qū)к壔瑝K（1

11、0）,以10mm為間隔距離測(cè)量單個(gè)線圈通電時(shí)軸線上各點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度，將數(shù)據(jù)記錄在表1,即圓線圈軸線上 B的分布圖，并繪出B1 X曲線。表 1 B1 X 關(guān)系 （lM = 0.500A ）載流圓線圈（1）軸線上磁場(chǎng)分布的數(shù)據(jù)記錄（坐標(biāo)原點(diǎn)設(shè)在圓線圈中心）軸向距離X （mm）磁感應(yīng)強(qiáng)度B 實(shí)（mT）相對(duì)誤差%-200-50-40-30-20-10010203040502002測(cè)量單個(gè)載流圓線圈 2軸線上（X方向）磁場(chǎng)B2的分布：表 2 B2 X 關(guān)系 （L = ： 0.500A ）載流圓線圈（1）軸線上磁場(chǎng)分布的數(shù)據(jù)記錄（坐標(biāo)原點(diǎn)設(shè)在圓線圈中心）軸向距離X （mm）磁感應(yīng)強(qiáng)度B 實(shí)（mT）相對(duì)誤差

12、%-200-50-40-30-20-1001020304050200（1）先松開(kāi)線圈（2）的固定螺絲，把兩線圈的距離調(diào)節(jié)到 d = R =100mm，組成亥姆霍 茲線圈。要達(dá)到這樣的設(shè)置只需要將銅管位置到 R處，Y方向?qū)к墸?），Z方向?qū)к墸?） 都置于（0），固定螺絲，這樣就可以將霍爾位于亥姆霍茲線圈的軸線上。（2）將線圈（1），（2）同向串聯(lián)，并通入勵(lì)磁電流|M。（3）與前相同，開(kāi)機(jī)前預(yù)熱10分鐘，調(diào)節(jié)FB520型亥姆霍茲線圈磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)儀的電流調(diào)節(jié)， 使勵(lì)磁電流IM = 0.000A ,在線圈磁場(chǎng)強(qiáng)度等于零的條件下，把特斯拉計(jì)調(diào)零。 調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流Im =0.5A，移動(dòng)X方向?qū)к?，?0mm為

13、間隔距離測(cè)量通電亥姆霍茲 線圈軸線上磁感應(yīng)強(qiáng)度。記錄數(shù)據(jù)填入表3,并繪出Br X曲線。表 3 BR X 關(guān)系 （lM 二 _0.500A）載流圓線圈（1）軸線上磁場(chǎng)分布的數(shù)據(jù)記錄（坐標(biāo)原點(diǎn)設(shè)在圓線圈中心）軸向距離X （mm）磁感應(yīng)強(qiáng)度B 實(shí)（mT）相對(duì)誤差%-200-50-40-30-20-10010203040502004.比較與驗(yàn)證磁場(chǎng)疊加原理:將表1和表2中的磁場(chǎng)強(qiáng)度B1, B2數(shù)據(jù)按X方向的坐標(biāo)位置相加，得到B1 B2，將B1, B2數(shù)據(jù)及B1 B2數(shù)據(jù)繪制在一起并與表 3的Br數(shù)據(jù)比較。（注：以下內(nèi)容選做）：*5 .測(cè)量?jī)删€圈不同距離時(shí)兩線圈軸線上各點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度：（1）移動(dòng)載流圓線

14、圈（2）到載流圓線圈（1）距離為50mm即d二R/2的地方，銅管位置也到R/2處，重復(fù)前敘內(nèi)容，并繪出 Br X曲線。表格自擬。/2（2）移動(dòng)載流圓線圈（2）到載流圓線圈（1）距離為200mm即d =2R地方，銅管位置也到 便2R處，重復(fù)前敘內(nèi)容，并繪出B2R X曲線。表格自擬。 將一起繪出Br X圖，B2R X圖和Br X圖，并進(jìn)行比較，分析總結(jié)出通電線圈軸線上各點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度的分布規(guī)律。*6 測(cè)量亥姆霍茲線圈 Y方向上磁感應(yīng)強(qiáng)度的分布：移動(dòng)載流圓線圈（2）與載流圓線圈（1）距離為100mm，銅管位置到 R '處，X向?qū)?軌（10）, Z向?qū)к墸?），均置零。調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流 g =0.

15、5A，移動(dòng)Y方向?qū)к墸悦?10mm為間隔距離測(cè)量一個(gè)數(shù)據(jù)，方法與前類(lèi)似，繪出B Y曲線。表格自擬。*7 測(cè)量亥姆霍茲線圈 Z方向上磁感應(yīng)強(qiáng)度的分布： 線圈，線圈（1）的距離，銅管位置均不變，X方向?qū)к墸?0）, Z方向?qū)к墸?）,均置零。調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流，lM =0.5A，移動(dòng)Z方向?qū)к?，以?0mm為間隔距離測(cè)量 一個(gè)數(shù)據(jù)，方法與前類(lèi)似，繪出B Z曲線。表格自擬。*8 測(cè)量亥姆霍茲線圈任意位置上磁感應(yīng)強(qiáng)度的分布：根據(jù)前敘內(nèi)容，測(cè)量線圈 ，線圈的不同距離，任意點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度，需要相應(yīng)調(diào) 節(jié)X, Y, Z方向的導(dǎo)軌，置集成霍爾傳感器于所需要測(cè)量的位置上?！靖戒洝縁B520型三維亥姆霍茲線圈磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)

16、儀使用說(shuō)明書(shū)一.用途及特點(diǎn)：1. 用途：FB520型三維亥姆霍茲線圈磁場(chǎng)測(cè)量實(shí)驗(yàn)儀設(shè)計(jì)有連續(xù)可調(diào)穩(wěn)壓、恒流電源。磁場(chǎng) 測(cè)定探頭采用高靈敏度 95A型集成霍爾傳感器，該儀器可用于研究載流圓線圈磁場(chǎng)分布、 亥姆霍茲線圈磁場(chǎng)分布。FB520型三維磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)儀由二部分組成：（1）磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)儀，（2）磁場(chǎng)測(cè)試架。2. 特點(diǎn)：（1）霍爾傳感器位置可做 X,Y,Z三維移動(dòng)，從而對(duì)亥姆霍茲線圈三維磁場(chǎng)分布情況進(jìn)行測(cè) 量和分析研究。（2）勵(lì)磁電源可以提供連續(xù)可調(diào)的勵(lì)磁電流，并用數(shù)字式電流表精確指示。（3）兩個(gè)圓線圈，按設(shè)計(jì)要求，右邊一個(gè)為固定線圈，左邊一個(gè)線圈可以沿導(dǎo)軌平移，以實(shí)現(xiàn)改變線圈間距，滿(mǎn)足實(shí)驗(yàn)需要。例如使

17、間距分別為：d=R, d=R/2及d=2R等。（4）采用高靈敏度95A型集成霍爾傳感器作為磁場(chǎng)探頭（注意：微特斯拉計(jì)的探頭每一臺(tái)都是專(zhuān)配的，需按編號(hào)配套使用，不得互換，否則將不能保證測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性）。(5) 微特斯拉計(jì)設(shè)計(jì)有補(bǔ)償電路，用以消除地磁場(chǎng)及環(huán)境雜散磁場(chǎng)對(duì)磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生的干擾。(注：儀器位置改變時(shí)，地磁場(chǎng)對(duì)探頭影響發(fā)生變化，應(yīng)重新對(duì)微特斯拉計(jì)進(jìn)行調(diào)零)。二主要性能指標(biāo)：1穩(wěn)壓恒流源輸出電流：?jiǎn)蝹€(gè)圓線圈可達(dá)0 0.900A，兩個(gè)圓線圈串聯(lián)時(shí)大于 0.400A且連續(xù)可調(diào)。2 磁場(chǎng)測(cè)試架機(jī)械結(jié)構(gòu)：其中左邊的一個(gè)線圈的位置可以調(diào)節(jié)，可滿(mǎn)足實(shí)驗(yàn)中改變線圈 間距的需要：在d=R、d=R/2、d =

18、2R等特定位置，測(cè)試架和導(dǎo)軌上均刻有標(biāo)志線， 可以方便地確定線圈位置。3 測(cè)試傳感器調(diào)節(jié)范圍：軸向：_ 20.0cm徑向：水平方向 二8.0cm，垂直方向 二8.0cm4圓線圈參數(shù)：線圈平均半徑 R= 0.100m，單只匝數(shù)：400匝；允許最大勵(lì)磁電流：1000mA5. 95A集成霍爾傳感器：線性測(cè)量范圍：-67mT 67mT，工作電壓DC4.5 5.5V。靈敏度：(，線性誤差1%，溫度誤差：:：0.06% / C6 微特斯拉計(jì)顯示精度：- 2T，分辨率：1lT7 電流表顯示精度：_2mA&儀器的工作環(huán)境：大氣壓強(qiáng)為：86 106kPa ,環(huán)境溫度：0 40 C ,相對(duì)濕度：2580%9外形尺寸(長(zhǎng)x寬x高)：FB520型三維亥姆霍茲線圈磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)儀：320 260 120mmFB520型三維亥姆霍茲線圈磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)儀測(cè)試架：800 275 270mm三儀器結(jié)構(gòu)：儀器由FB520型三維亥姆霍茲線圈磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)儀和測(cè)試架兩部分組成。參見(jiàn)圖4、圖5。1 FB520型霍爾法亥姆霍茲線圈磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)儀：(1) 由連續(xù)可調(diào)式直流勵(lì)磁恒流源，用數(shù)字式電流表指示勵(lì)磁電流，用鈕子式雙刀雙擲開(kāi) 關(guān)改變勵(lì)磁電流的方向。(2) 提供95A型集成霍爾傳感器工作電源，接收傳感器信號(hào)加以放大處理，對(duì)地磁場(chǎng)及環(huán)境雜散磁場(chǎng)