磁阻效應(yīng)實(shí)驗(yàn)

1、FD-MR-II磁阻效應(yīng)實(shí)驗(yàn)儀使用說(shuō)明一、概述磁阻器件由于靈敏度高、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)在工業(yè)、交通、儀器儀表、醫(yī)療器械、探礦等領(lǐng)域應(yīng)用十分廣泛，如：數(shù)字式羅盤(pán)、交通車輛檢測(cè)，導(dǎo)航系統(tǒng)、偽鈔檢測(cè)、位置測(cè)量等。其中最典型的銻化銦（InSb）傳感器是一種價(jià)格低廉、靈敏度高的磁電阻，有著十分重要的應(yīng)用價(jià)值。本實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容豐富，使用兩種材料的傳感器：利用砷化鎵（GaAs）霍耳傳感器測(cè)量磁感應(yīng)強(qiáng)度，研究銻化銦（InSb）磁阻傳感器在不同的磁感應(yīng)強(qiáng)度下的電阻大小。學(xué)生可觀測(cè)半導(dǎo)體的霍耳效應(yīng)和磁阻效應(yīng)兩種物理規(guī)律，具有研究性和設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)，可用于理工科大學(xué)的基礎(chǔ)物理實(shí)驗(yàn)和設(shè)計(jì)性綜合物理實(shí)驗(yàn)，

2、也可用于演示實(shí)驗(yàn)。二、儀器簡(jiǎn)介儀器裝置如下圖所示：1固定及引線銅管； 2. U型矽鋼片；3銻化銦（InSb）磁阻傳感器； 4. 砷化鎵(GaAs)霍耳傳感器；5電磁鐵直流電流源顯示； 6. 磁鐵直流電流源調(diào)節(jié)；7數(shù)字電壓顯示； 8. 銻化銦磁阻傳感器電流調(diào)節(jié)；9電磁鐵磁場(chǎng)強(qiáng)度大小顯示； 10. 電磁鐵磁場(chǎng)強(qiáng)度大小調(diào)零；11. 1和2是給銻化銦傳感器提供小于3mA直流恒流電流源；3和4是給砷化鎵傳感器提供電壓源；5和6是砷化鎵傳感器測(cè)量電磁鐵間隙磁感應(yīng)強(qiáng)度大小；7為懸空；12單刀雙向開(kāi)關(guān)；13. 單刀雙向開(kāi)關(guān)接線柱。 為 航空插頭說(shuō)明三、技術(shù)指標(biāo)1雙路直流電源：直流電源：電流0500A連續(xù)可調(diào)，

3、數(shù)字電流表顯示輸出電流大小。直流電源II：輸出電流03A連續(xù)可調(diào)，供銻化銦傳感器的工作電流。電流與所選取的外接電阻的乘積小于2V。2數(shù)字式毫特儀：測(cè)量范圍00.5T，分辨率0.0001T，準(zhǔn)確度為1%。四、實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目1用于測(cè)定通過(guò)電磁鐵的電流Im和磁鐵間隙中磁感應(yīng)強(qiáng)度B的關(guān)系，觀測(cè)GaAs霍耳元件的霍耳效應(yīng)。2在不同磁感應(yīng)強(qiáng)度區(qū)域，研究InSb磁阻元件的電阻值變化R/R(0)與磁感應(yīng)強(qiáng)度B的關(guān)系，求出經(jīng)驗(yàn)公式。3外接信號(hào)發(fā)生器，可用于深入研究磁電阻的交流特性（倍頻效應(yīng)），觀測(cè)其特有的物理現(xiàn)象。五、注意事項(xiàng)1需將傳感器固定在磁鐵間隙中，不可彎折。2不要在實(shí)驗(yàn)儀附近放置具有磁性的物品。3不得外接傳感

4、器電源。4開(kāi)機(jī)后需預(yù)熱10分鐘，再進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。5外接電阻應(yīng)大于200歐姆。銻化銦磁電阻傳感器的測(cè)量及應(yīng)用【實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?. 測(cè)量銻化銦傳感器的電阻與磁感應(yīng)強(qiáng)度的關(guān)系。2. 作出銻化銦傳感器的電阻變化與磁感應(yīng)強(qiáng)度的關(guān)系曲線。3. 對(duì)此關(guān)系曲線的非線性區(qū)域和線性區(qū)域分別進(jìn)行擬合?！緦?shí)驗(yàn)原理】一定條件下，導(dǎo)電材料的電阻值R隨磁感應(yīng)強(qiáng)度B的變化規(guī)律稱為磁阻效應(yīng)。如圖1所示，當(dāng)半導(dǎo)體處于磁場(chǎng)中時(shí)，導(dǎo)體或半導(dǎo)體的載流子將受洛侖茲力的作用，發(fā)生偏轉(zhuǎn)，在兩端產(chǎn)生積聚電荷并產(chǎn)生霍耳電場(chǎng)。如果霍耳電場(chǎng)作用和某一速度載流子的洛侖茲力作用剛好抵消，那么小于或大于該速度的載流子將發(fā)生偏轉(zhuǎn)，因而沿外加電場(chǎng)方向運(yùn)動(dòng)的載流子數(shù)量

5、將減少，電阻增大，表現(xiàn)出橫向磁阻效應(yīng)。若將圖1中a端和b端短路，則磁阻效應(yīng)更明顯。通常以電阻率的相對(duì)改變量來(lái)表示磁阻的大小，即用/（0）表示。其中（0）為零磁場(chǎng)時(shí)的電阻率，設(shè)磁電阻在磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的磁場(chǎng)中電阻率為（B），則=（B）-（0）。由于磁阻傳感器電阻的相對(duì)變化率R/R（0）正比于/（0），這里R=R（B）-R（0），因此也可以用磁阻傳感器電阻的相對(duì)改變量R/R（0）來(lái)表示磁阻效應(yīng)的大小。圖1 磁阻效應(yīng)圖2所示實(shí)驗(yàn)裝置，用于測(cè)量磁電阻的電阻值R與磁感應(yīng)強(qiáng)度B之間的關(guān)系。實(shí)驗(yàn)證明，當(dāng)金屬或半導(dǎo)體處于較弱磁場(chǎng)中時(shí)，一般磁阻傳感器電阻相對(duì)變化率R/R（0）正比于磁感應(yīng)強(qiáng)度B的平方，而在強(qiáng)磁場(chǎng)中

6、R/R（0）與磁感應(yīng)強(qiáng)度B呈線性關(guān)系。磁阻傳感器的上述特性在物理學(xué)和電子學(xué)方面有著重要應(yīng)用。如果半導(dǎo)體材料磁阻傳感器處于角頻率為的弱正弦波交流磁場(chǎng)中，由于磁電阻相對(duì)變化量R/R（0）正比于B2，則磁阻傳感器的電阻值R將隨角頻圖2 測(cè)量磁電阻實(shí)驗(yàn)裝置那么磁阻傳感器的電阻R 將隨角頻率2作周期性變化。即在弱正弦波交流磁場(chǎng)中，磁阻傳感器具有交流電倍頻性能。若外界交流磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度B為 B=B0COSt （1） （1）式中，B0為磁感應(yīng)強(qiáng)度的振幅，為角頻率，t為時(shí)間。設(shè)在弱磁場(chǎng)中 R/R(0)=KB2 （2）（2）式中，K為常量。由（1）式和（2）式可得R(B)=R(0)+R=R(0)+R(0)&#

7、215;R/R(0) =R(0)+R(0)KB02COS2t=R(0)+R(0)KB02+R(0)KB02COS2t （3）（3）式中，R(0)+R(0)KB02為不隨時(shí)間變化的電阻值，而R(0)KB02cos2t為以角頻率2作余弦變化的電阻值。因此，磁阻傳感器的電阻值在弱正弦波交流磁場(chǎng)中，將產(chǎn)生倍頻交流電阻阻值變化?！緦?shí)驗(yàn)儀器】實(shí)驗(yàn)采用FD-MR-II型磁阻效應(yīng)實(shí)驗(yàn)儀，圖3為該儀器示意圖 圖3 FD-MR-II磁阻效應(yīng)實(shí)驗(yàn)儀 FD-MR-II型磁阻效應(yīng)驗(yàn)儀包括直流雙路恒流電源、0-2V直流數(shù)字電壓表、電磁鐵、數(shù)字式毫特儀（GaAs作探測(cè)器）、銻化銦（InSb）磁阻傳感器、電阻箱、雙向單刀開(kāi)關(guān)

8、及導(dǎo)線等組成。儀器連接如圖形3所示。倍頻效應(yīng)實(shí)驗(yàn)圖4 觀察磁阻傳感器倍頻效應(yīng)ABDRSNV磁阻分壓 電磁鐵分壓圖5李薩如圖形磁阻效應(yīng)測(cè)量?jī)x器使用方法1直流勵(lì)磁恒流源與電磁鐵輸入端相聯(lián)，調(diào)節(jié)輸入電磁鐵的電流大小，改變電磁鐵間隙中磁感應(yīng)強(qiáng)度的大??； 2按圖2所示將銻化銦（InSb）磁阻傳感器與電阻箱串聯(lián)，并與可調(diào)直流電源相接，數(shù)字電壓表的一端連接磁阻傳感器電阻箱公共接點(diǎn)，另一端與單刀雙向開(kāi)關(guān)的刀口處相連。3調(diào)節(jié)通過(guò)電磁鐵的電流，測(cè)量通過(guò)銻化銦磁阻傳感器的電流值及磁阻器件兩端的電壓值，求磁阻傳感器的電阻值R，求出R/R(0)與B的關(guān)系?！緦?shí)驗(yàn)內(nèi)容】1必做內(nèi)容：在銻化銦磁阻傳感器電流或電壓保持不變的條

9、件下，測(cè)量銻化銦磁阻傳感器的電阻與磁感應(yīng)強(qiáng)度的關(guān)系。作R/R（0）與B的關(guān)系曲線，并進(jìn)行曲線擬合。（實(shí)驗(yàn)時(shí)注意GaAs和InSb傳感器工作電流應(yīng)小于3m A）。2選做內(nèi)容：如圖4所示，將電磁鐵的線圈引線與正弦交流低頻發(fā)生器輸出端相接；銻化銦磁阻傳感器通以2.5m A直流電，用示波器觀察磁阻傳感器兩端電壓與電磁鐵兩端電壓形成的李薩如圖形，證明在弱正弦交流磁場(chǎng)情況下，磁阻傳感器具有交流正弦倍頻特性。【實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)】（注：以下數(shù)據(jù)不作為儀器驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)，僅供實(shí)驗(yàn)時(shí)參考）測(cè)得取樣電阻 R=298.9， 令電壓U=298.9mV；則電流I=1.00mA； 表1電磁鐵InSbBR/R(0)對(duì)應(yīng)關(guān)系I/mAU/mv

10、B/mTR/R/R(0)0395.10.0395.109.9396.110.0396.10.00319400.520.0400.50.01429406.830.0406.80.03038415.040.04150.05047425.150.0425.10.07656436.360.0436.30.10466449.070.04490.13494491.5100.0491.50.244141552.1150.0552.10.397188590.3200.0590.30.494236623.9250.0623.90.580284655.6300.0655.60.659332688.3350.068

11、8.30.742381722.5400.0722.50.829430758.0450.0758.00.919479793.5500.0793.51.0081在B<0.06T時(shí)：令R/R(0)kBn ，則ln(R/R(0)=n lnB+lnk經(jīng)直線擬合得n1.97，可知在B<0.06T時(shí)磁阻變化率R/R(0)與磁感應(yīng)強(qiáng)度B成二次函數(shù)關(guān)系在B<0.06T時(shí)，擬合得到 R/R(0)=29.2B2 2B>0.12T時(shí)： 令R/R(0)k1Bn1 ，則ln(R/R(0)=n1 lnB+lnk1經(jīng)直線擬合得n1=0.8，可知在B>0.12時(shí)磁阻變化率R/R(0)與磁感應(yīng)強(qiáng)度B

12、成一次函數(shù)關(guān)系在B>0.12T時(shí)，擬合得到 R/R(0)=1.72B+0.14 相關(guān)系數(shù) r=0.9996圖6 R/R與B關(guān)系曲線圖RR【思考題】1什么叫做磁阻效應(yīng)？霍耳傳感器為何有磁阻效應(yīng)？2銻化銦磁阻傳感器在弱磁場(chǎng)中電阻值與磁感應(yīng)強(qiáng)度的關(guān)系和在強(qiáng)磁場(chǎng)中時(shí)有何不同？這兩種特性有什么應(yīng)用？【參考資料】1劉仲娥 張維新 宋永祥 敏感元件與應(yīng)用 青島海洋大學(xué)出版社 1993.62吳楊 婁捷 陸申龍 銻化銦磁阻傳感器特性測(cè)量及應(yīng)用研究物理實(shí)驗(yàn) 第21卷第10期.2001.10：46-483沈元華 陸申龍 基礎(chǔ)物理實(shí)驗(yàn) 北京高等教育出版社2003電子羅盤(pán)目錄概述 產(chǎn)品功能與簡(jiǎn)介 原理 特點(diǎn) 應(yīng)用

13、場(chǎng)合編輯本段概述    電子羅盤(pán)電子羅盤(pán)，也叫數(shù)字指南針，是利用地磁場(chǎng)來(lái)定北極的一種方法。古代稱為羅經(jīng)，現(xiàn)代利用先進(jìn)加工工藝生產(chǎn)的磁阻傳感器為羅盤(pán)的數(shù)字化提供了有力的幫助?，F(xiàn)在一般有用磁阻傳感器和磁通門(mén)加工而成的電子羅盤(pán)。雖然GPS在導(dǎo)航、定位、測(cè)速、定向方面有著廣泛的應(yīng)用，但由于其信號(hào)常被地形、地物遮擋，導(dǎo)致精度大大降低，甚至不能使用。尤其在高樓林立城區(qū)和植被茂密的林區(qū)，GPS信號(hào)的有效性僅為60%。并且在靜止的情況下，GPS也無(wú)法給出航向信息。為彌補(bǔ)這一不足，可以采用組合導(dǎo)航定向的方法。電子羅盤(pán)產(chǎn)品正是為滿足用戶的此類需求而設(shè)計(jì)的。它可以對(duì)GPS信號(hào)進(jìn)行有效補(bǔ)償，保證導(dǎo)

14、航定向信息100%有效，即使是在GPS信號(hào)失鎖后也能正常工作，做到“丟星不丟向”。 編輯本段產(chǎn)品功能與簡(jiǎn)介    電子羅盤(pán)電子羅盤(pán)可以分為平面電子羅盤(pán)和三維電子羅盤(pán)。平面電子羅盤(pán)要求用戶在使用時(shí)必須保持羅盤(pán)的水平，否則當(dāng)羅盤(pán)發(fā)生傾斜時(shí)，也會(huì)給出航向的變化而實(shí)際上航向并沒(méi)有變化。雖然平面電子羅盤(pán)對(duì)使用時(shí)要求很高，但如果能保證羅盤(pán)所附載體始終水平的話，平面羅盤(pán)是一種性價(jià)比很好的選擇。三維電子羅克服了平面電子羅盤(pán)在使用中的嚴(yán)格限制，因?yàn)槿S電子羅盤(pán)在其內(nèi)部加入了傾角傳感器，如果羅盤(pán)發(fā)生傾斜時(shí)可以對(duì)羅盤(pán)進(jìn)行傾斜補(bǔ)償，這樣即使羅盤(pán)發(fā)生傾斜，航向數(shù)據(jù)依然準(zhǔn)確無(wú)誤。有時(shí)為了克服溫度漂移，

15、羅盤(pán)也可內(nèi)置溫度補(bǔ)償，最大限度減少傾斜角和指向角的溫度漂移。 編輯本段原理三維電子羅盤(pán)由三維磁阻傳感器、雙軸傾角傳感器和MCU構(gòu)成。三維磁阻傳感器用來(lái)測(cè)量地球磁場(chǎng)，傾角傳感器是在磁力儀非水平狀態(tài)時(shí)進(jìn)行補(bǔ)償；MCU處理磁力儀和傾角傳感器的信號(hào)以及數(shù)據(jù)輸出和軟鐵、硬鐵補(bǔ)償。該磁力儀是采用三個(gè)互相垂直的磁阻傳感器，每個(gè)軸向上的傳感器檢測(cè)在該方向上的地磁場(chǎng)強(qiáng)度。向前的方向稱為x方向的傳感器檢測(cè)地磁場(chǎng)在x方向的矢量值；向左或Y方向的傳感器檢測(cè)地磁場(chǎng)在Y方向的矢量值；向下或Z方向的傳感器檢測(cè)地磁場(chǎng)在Z方向的矢量值。每個(gè)方向的傳感器的靈敏度都已根據(jù)在該方向上地磁場(chǎng)的分矢量調(diào)整到最佳點(diǎn)，并具有非常低的橫軸靈敏

16、度。傳感器產(chǎn)生的模擬輸出信號(hào)進(jìn)行放大后送入MCU進(jìn)行處理。磁場(chǎng)測(cè)量范圍為±2Gauss。通過(guò)采用12位A/D轉(zhuǎn)換器，磁力儀能夠分辨出小于1mGauss的磁場(chǎng)變化量，我們便可通過(guò)該高分辨力來(lái)準(zhǔn)確測(cè)量出200-300mGauss的X和Y方向的磁場(chǎng)強(qiáng)度，不論是在赤道上的向上變化還是在南北極的更低值位置。 僅用地磁場(chǎng)在X和Y的兩個(gè)分矢量值便可確定方位值： Azimuth=arcTan(Y/X) 該關(guān)系式是在檢測(cè)儀器與地表面平行時(shí)才成立。當(dāng)儀器發(fā)生傾斜時(shí)，方位值的準(zhǔn)確性將要受到很大的影響，該誤差的大小取決于儀器所處的位置和傾斜角的大小。為減少該誤差的影響，采用雙軸傾角傳感器來(lái)測(cè)量俯仰和側(cè)傾角，

17、這個(gè)俯仰角被定義為由前向后方向的角度變化；而側(cè)傾角則為由左到右方向的角度變化。電子羅盤(pán)將俯仰和側(cè)傾角的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換計(jì)算，將磁力儀在三個(gè)軸向上的矢量在原來(lái)的位置“拉”回到水平的位置。 標(biāo)準(zhǔn)的轉(zhuǎn)換計(jì)算式如下： Xr=Xcos+Ysinsin-Zcossin Yr=Xcos+Zsin 這里Xr和Yr為要轉(zhuǎn)換到水平位置的值 為俯仰角 為側(cè)傾角 從以上這三個(gè)計(jì)算公式可以看出，在整個(gè)補(bǔ)償技術(shù)中Z軸向的矢量扮演一個(gè)非常重要的角色。要正確運(yùn)用這些值，俯仰和側(cè)傾角的數(shù)字必須時(shí)刻更新。采用雙軸寬線性量程范圍、高分辨率、溫漂系數(shù)低的陶瓷基體電解質(zhì)傳感器來(lái)測(cè)量俯仰角和側(cè)傾角，傾角數(shù)值經(jīng)過(guò)電路板上的溫度傳感器補(bǔ)償后得出的。 編輯本段特點(diǎn)總結(jié)一下,典型的數(shù)字羅盤(pán)具有以下特點(diǎn): 1 三軸磁阻傳感器測(cè)量平面地磁場(chǎng)，雙軸傾