地磁場水平分量的測量知識講解

1、地磁場水平分量的測地磁場水平分量的測量地磁場的數(shù)值比較小，約 10 5T數(shù)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(xué)、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?！緦嶒?zāi)康摹?. 掌握各向異性磁阻傳感器的原理和特性2. 了解各向異性磁阻傳感器測量磁場的基本原理3. 學(xué)會用磁阻傳感器測定地

2、磁場【實驗儀器】地磁場實驗儀、底座、轉(zhuǎn)軸，帶角度刻度的轉(zhuǎn)盤、磁阻傳感器的引線、亥姆霍磁線圈【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、鈷、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)。磁阻傳感器由長而薄的玻莫合金 （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(dǎo)體工藝，將鐵鎳合金薄膜附著在硅片上，如圖1所示。薄膜的電阻率（）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：2（

3、）（/ ）cos（1）其中/、 分別是電流I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(fù)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(fù)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。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

4、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2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，弓I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：RUout Ub對于一定的工作電壓，如Ub 5.00V , FB525型磁阻傳感器輸出電壓 U與外界磁場的磁感應(yīng)強度成正比關(guān)系：電流鋁合金帶外加磁場玻莫合金幫腹f偏晝磁場外加磁場Vout1磁阻傳感器旳構(gòu)造示意圖圖2碼阻傳感器內(nèi)的惠斯登電橋(3)Uout Uo KB(3)式中，K為傳感器的靈敏度，B為待測磁感應(yīng)強度。 Uo為外加磁場為零時傳感器

5、的輸出電壓 。由于亥姆霍磁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。亥姆霍磁線圈公共軸線中心點位置的磁感應(yīng)強度為：(4)8 0 ?N ?153/2R式中N為單只線圈匝數(shù),I為線圈流過的電流強度,R為亥姆霍磁線圈的平均半徑,為真空磁導(dǎo)率。如下圖1所示為磁阻傳感器與地磁場實驗儀外形及功能分布圖。W® 0 ©1測區(qū)平合底產(chǎn)一 2，節(jié)角度姐示專盤Y取粗傳感器,麻座術(shù)平調(diào)節(jié)JttL &賊電流攜岡開關(guān)廠型磁電流描示.牧字電啟左 $勵貞電流謁箏肇WL號載字唱壓衰10披了電出莪調(diào)寧板機 n L1JUJ®電咸首出蔓座B礪粗低鹽器口

6、1訛療及悔描吉魯冷科宓Ik座 14復(fù)杓技常1數(shù)字電壓盍訓(xùn)專攜向開關(guān)圖1磁阻傳感器與地磁場實驗儀外形及功能分布圖【實驗內(nèi)容】1 先將亥姆霍茲線圈按串聯(lián)方式連接，磁阻傳感器放置在亥姆霍茲線圈公共軸線中點，使傳感器的管腳和磁感應(yīng)強度方向平行。即使傳感器的感應(yīng)面與亥姆霍磁線圈軸線 垂直。用亥姆霍磁線圈產(chǎn)生的磁場作為已知的標準磁感應(yīng)強度，測定并計算出（磁阻傳 感器）地磁場實驗儀的靈敏度K。以上步驟完成后，拆除亥姆霍磁線圈的勵磁電流連接線。2 磁阻傳感器已經(jīng)平行固定在轉(zhuǎn)盤上，先利用水準器指示，調(diào)節(jié)地磁場實驗儀的底 腳螺絲，把轉(zhuǎn)盤調(diào)節(jié)到水平狀態(tài)。然后左右水平旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)盤，尋找到傳感器輸出電壓最大的方向，這個方向

7、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Ui后，再旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)盤180左右，尋找到傳感器輸出最大負電壓的方向，記錄傳感器輸出電 壓U2（負值），由u, U2 /2 K B/，求得當?shù)氐卮艌鏊椒至?B/。3 將帶有磁阻傳感器的轉(zhuǎn)盤平面調(diào)整為鉛直，并使裝置沿著地磁場磁感應(yīng)強度水平分量B/方向放置，只是方向轉(zhuǎn) 90。轉(zhuǎn)動調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)盤，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,和2，同時記錄此最大讀數(shù) U,和U2。由磁傾角（12）/2計算的值。僅供學(xué)習(xí)與交流，如有侵權(quán)請聯(lián)系網(wǎng)站刪除謝謝24 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 BB ?sin ?！咀⒁馐马棥?.為了保證測量結(jié)果的準確性，實驗儀器周圍一定范圍內(nèi)不應(yīng)存在鐵磁性金屬物體。2 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B和磁傾角時，須將轉(zhuǎn)盤面處于地磁子午面方向。3. 測量磁傾角應(yīng)記錄不同時，傳感器輸出電壓 U總，應(yīng)取不少于6組 值，求其平均值。這是因為測量時，偏差1 , U總U總？Cos10.9998U總變化很小，偏差4 , U總 U總？ Cos4 0.998U總，所以在偏差1至4范圍U總變化極小，實驗 時應(yīng)測出U總變化很小 角的范圍，然后求得平均值一?！舅伎碱}