研究性實(shí)驗(yàn)報(bào)告-各向異性磁阻傳感器與磁場(chǎng)測(cè)量

1、基礎(chǔ)物理學(xué)研究性實(shí)驗(yàn)報(bào)告題 目：各向異性磁阻傳感器（AMR）與地磁場(chǎng)測(cè)量第一作者：1 第二作者：2學(xué) 院：航空科學(xué)與工程學(xué)院專(zhuān) 業(yè)：飛行器設(shè)計(jì)與工程班 級(jí)：1105192013年5月14日15 / 17文檔可自由編輯打印目錄摘要1關(guān)鍵詞1一、實(shí)驗(yàn)要求1二、實(shí)驗(yàn)原理1三、實(shí)驗(yàn)儀器介紹2四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容41、測(cè)量前的準(zhǔn)備工作42、磁阻傳感器特性測(cè)量53、測(cè)量磁阻傳感器的各向異性特性64、赫姆霍茲線圈的磁場(chǎng)分布測(cè)量75、地磁場(chǎng)測(cè)量10五、思考題10六、誤差分析11七、AMR傳感器的應(yīng)用舉例11八、實(shí)驗(yàn)感想11參考文獻(xiàn)12附錄原始實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)(影印版)13各向異性磁阻傳感器與磁場(chǎng)測(cè)量摘要：物質(zhì)在磁場(chǎng)中電阻率發(fā)

2、生變化的現(xiàn)象稱為磁阻效應(yīng)，磁阻傳感器利用磁阻效應(yīng)制成。磁阻傳感器可用于直接測(cè)量磁場(chǎng)或磁場(chǎng)變化，如弱磁場(chǎng)測(cè)量。也可通過(guò)磁場(chǎng)變化測(cè)量其它物理量，如利用磁阻效應(yīng)已制成各種位移、角度、轉(zhuǎn)速傳感器，廣泛用于各類(lèi)需要自動(dòng)檢測(cè)與控制的領(lǐng)域。磁阻元件的發(fā)展經(jīng)歷了半導(dǎo)體磁阻（MR），各向異性磁阻（AMR），巨磁阻（GMR），龐磁阻（CMR）等階段。本實(shí)驗(yàn)研究AMR的特性并利用它對(duì)磁場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量。關(guān)鍵詞：AMR，磁阻效應(yīng)，電磁轉(zhuǎn)換，磁場(chǎng)測(cè)量一、實(shí)驗(yàn)要求1 熟悉和了解AMR的原理2 測(cè)量磁阻傳感器的磁電轉(zhuǎn)換特性和各向異性特性3 測(cè)量赫姆霍茲線圈的磁場(chǎng)分布4 測(cè)量地磁場(chǎng)磁場(chǎng)強(qiáng)度，磁傾角，磁偏角二、實(shí)驗(yàn)原理各向異性磁阻傳

3、感器AMR（Anisotropic Magneto-Resistive sensors）由沉積在硅片上的坡莫合金（Ni80 Fe20）薄膜形成電阻。沉積時(shí)外加磁場(chǎng)，形成易磁化軸方向。鐵磁材料的電阻與電流和磁化方向的夾角有關(guān)，電流與磁化方向平行時(shí)電阻Rmax最大，電流與磁化方向垂直時(shí)電阻Rmin最小，電流與磁化方向成角時(shí)，電阻可表示為：R = Rmin(RmaxRmin)cos2在磁阻傳感器中，為了消除溫度等外界因素對(duì)輸出的影響，由4個(gè)相同的磁阻元件構(gòu)成惠斯通電橋，結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖1中，易磁化軸方向與電流方向的夾角為45度。理論分析與實(shí)驗(yàn)表明，采用45度偏置磁場(chǎng)，當(dāng)沿與易磁化軸垂直的方向施加外

4、磁場(chǎng)，且外磁場(chǎng)強(qiáng)度不太大時(shí)，電橋輸出與外加磁場(chǎng)強(qiáng)度成線性關(guān)系。無(wú)外加磁場(chǎng)或外加磁場(chǎng)方向與易磁化軸方向平行時(shí)，磁化方向即易磁化軸方向，電橋的4個(gè)橋臂電阻阻值相同，輸出為零。當(dāng)在磁敏感方向施加如圖1所示方向的磁場(chǎng)時(shí)，合成磁化方向?qū)⒃谝状呕较虻幕A(chǔ)上逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。結(jié)果使左上和右下橋臂電流與磁化方向的夾角增大，電阻減小R；右上與左下橋臂電流與磁化方向的夾角減小，電阻增大R。通過(guò)對(duì)電橋的分析可知，此時(shí)輸出電壓可表示為：UVb×R/R （1）式中Vb為電橋工作電壓，R為橋臂電阻，R/R為磁阻阻值的相對(duì)變化率，與外加磁場(chǎng)強(qiáng)度成正比，故AMR磁阻傳感器輸出電壓與磁場(chǎng)強(qiáng)度成正比，可利用磁阻傳感器測(cè)量磁

5、場(chǎng)。商品磁阻傳感器已制成集成電路，除圖1所示的電源輸入端和信號(hào)輸出端外，還有復(fù)位/反向置位端、補(bǔ)償端兩個(gè)功能性輸入端口，以確保磁阻傳感器的正常工作。復(fù)位/反向置位端的作用是：當(dāng)AMR置于超過(guò)其線性工作范圍的磁場(chǎng)中時(shí)，磁干擾可能導(dǎo)致磁疇排列紊亂，改變傳感器的輸出特性。此時(shí)按下復(fù)位/反向置位端，通過(guò)內(nèi)部電路沿易磁化軸方向產(chǎn)生強(qiáng)磁場(chǎng)，使磁疇重新沿易磁化軸方向整齊排列，恢復(fù)傳感器的使用特性。補(bǔ)償端的作用是：當(dāng)4個(gè)橋臂電阻不嚴(yán)格相等，或是外界磁場(chǎng)干擾，使得被測(cè)磁場(chǎng)為零而輸出電壓不為零時(shí)，此時(shí)可調(diào)節(jié)補(bǔ)償電流，通過(guò)內(nèi)部電路在磁敏感方向產(chǎn)生磁場(chǎng)，用人為的磁場(chǎng)偏置補(bǔ)償傳感器的偏離。三、實(shí)驗(yàn)儀器介紹實(shí)驗(yàn)儀結(jié)構(gòu)如圖

6、2所示，核心部分是磁阻傳感器，輔以磁阻傳感器的角度、位置調(diào)節(jié)及讀數(shù)機(jī)構(gòu)，赫姆霍茲線圈等組成。本儀器所用磁阻傳感器的工作范圍為±6高斯，靈敏度為1mV/V/Guass。當(dāng)磁阻電橋的工作電壓為1V，被測(cè)磁場(chǎng)磁感應(yīng)強(qiáng)度為1高斯時(shí)，輸出信號(hào)為1mV。磁阻傳感器的輸出信號(hào)通常須經(jīng)放大電路放大后，再接顯示電路，故由顯示電壓計(jì)算磁場(chǎng)強(qiáng)度時(shí)還需考慮放大器的放大倍數(shù)。本實(shí)驗(yàn)儀電橋工作電壓5V，放大器放大倍數(shù)50，磁感應(yīng)強(qiáng)度為1高斯時(shí)，對(duì)應(yīng)的輸出電壓為0.25伏。 磁阻傳感器盒傳感器軸向移動(dòng)鎖緊螺釘傳感器繞軸旋轉(zhuǎn)鎖緊螺釘傳感器水平旋轉(zhuǎn)鎖緊螺釘赫姆霍茲線圈傳感器橫向移動(dòng)鎖緊螺釘線圈水平旋轉(zhuǎn)鎖緊螺釘信號(hào)接口

7、盒儀器水平調(diào)節(jié)螺釘圖2 磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)儀赫姆霍茲線圈是由一對(duì)彼此平行的共軸圓形線圈組成。兩線圈內(nèi)的電流方向一致，大小相同，線圈之間的距離d正好等于圓形線圈的半徑R。這種線圈的特點(diǎn)是能在公共軸線中點(diǎn)附近產(chǎn)生較廣泛的均勻磁場(chǎng)，根據(jù)畢奧薩伐爾定律，可以計(jì)算出赫姆霍茲線圈公共軸線中點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度為：式中N為線圈匝數(shù)，I為流經(jīng)線圈的電流強(qiáng)度，R為赫姆霍茲線圈的平均半徑，為真空中的磁導(dǎo)率。采用國(guó)際單位制時(shí)，由上式計(jì)算出的磁感應(yīng)強(qiáng)度單位為特斯拉（1特斯拉10000高斯）。本實(shí)驗(yàn)儀N310，R0.14m，線圈電流為1mA時(shí)，赫姆霍茲線圈中部的磁感應(yīng)強(qiáng)度為0.02高斯。實(shí)驗(yàn)儀的前面板示意圖如圖3所示。恒流源為赫姆霍茲

8、線圈提供電流，電流的大小可以通過(guò)旋鈕調(diào)節(jié)，電流值由電流表指示。電流換向按鈕可以改變電流的方向。補(bǔ)償(OFFSET)電流調(diào)節(jié)旋鈕調(diào)節(jié)補(bǔ)償電流的方向和大小。電流切換按鈕使電流表顯示赫姆霍茲線圈電流或補(bǔ)償電流。圖3 儀器前面板示意圖傳感器采集到的信號(hào)經(jīng)放大后，由電壓表指示電壓值。放大器校正旋鈕在標(biāo)準(zhǔn)磁場(chǎng)中校準(zhǔn)放大器放大倍數(shù)。復(fù)位（R/S）按鈕每按下一次，向復(fù)位端輸入一次復(fù)位脈沖電流，僅在需要時(shí)使用。四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1、測(cè)量前的準(zhǔn)備工作連接實(shí)驗(yàn)儀與電源，開(kāi)機(jī)預(yù)熱20分鐘。將磁阻傳感器位置調(diào)節(jié)至赫姆霍茲線圈中心，傳感器磁敏感方向與線圈軸線一致。調(diào)節(jié)赫姆霍茲線圈電流為零，按復(fù)位鍵恢復(fù)傳感器特性，調(diào)節(jié)補(bǔ)償電流以

9、補(bǔ)償?shù)卮艌?chǎng)等因素產(chǎn)生的偏離，使傳感器輸出為零。調(diào)節(jié)赫姆霍茲線圈電流至300mA（線圈產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度6高斯），調(diào)節(jié)放大器校準(zhǔn)旋鈕，使輸出電壓為1 .500伏。2、磁阻傳感器特性測(cè)量a. 測(cè)量磁阻傳感器的磁電轉(zhuǎn)換特性磁電轉(zhuǎn)換特性是磁阻傳感器最基本的特性。磁電轉(zhuǎn)換特性曲線的直線部分對(duì)應(yīng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度，即磁阻傳感器的工作范圍，直線部分的斜率除以電橋電壓與放大器放大倍數(shù)的乘積，即為磁阻傳感器的靈敏度。按表1數(shù)據(jù)從300mA逐步調(diào)小赫姆霍茲線圈電流，記錄相應(yīng)的輸出電壓值。切換電流換向開(kāi)關(guān)（赫姆霍茲線圈電流反向，磁場(chǎng)及輸出電壓也將反向），逐步調(diào)大反向電流，記錄反向輸出電壓值。各測(cè)量值記錄如下：表1 AMR磁

10、電轉(zhuǎn)換特性的測(cè)量線圈電流(mA)300250200150100500-50-100-150-200-250-300磁感應(yīng)強(qiáng)度(高斯)6543210-1-2-3-4-5-6輸出電壓(V)1.5001.2681.0260.7720.5200.2610.004-0.258-0.514-0.765-1.007-1.239-1.461作圖如下：由上圖可知，傳感器在-6至6高斯范圍內(nèi)都處于線性工作狀態(tài)。選取圖中A，B兩點(diǎn)計(jì)算斜率：k= 1.026+1.2394+5V/Gauss=0.2517 V/Gauss則傳感器靈敏度為：K=k/(5V*50)=(0.2517/5*50)V/V/Gauss=1.01mV

11、/V/Gauss誤差主要來(lái)源：傳感器未嚴(yán)格處于線圈中心。3、測(cè)量磁阻傳感器的各向異性特性AMR只對(duì)磁敏感方向上的磁場(chǎng)敏感，當(dāng)所測(cè)磁場(chǎng)與磁敏感方向有一定夾角時(shí)，AMR測(cè)量的是所測(cè)磁場(chǎng)在磁敏感方向的投影。由于補(bǔ)償調(diào)節(jié)是在確定的磁敏感方向進(jìn)行的，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中應(yīng)注意在改變所測(cè)磁場(chǎng)方向時(shí)，保持AMR方向不變。將赫姆霍茲線圈電流調(diào)節(jié)至200mA，測(cè)量所測(cè)磁場(chǎng)方向與磁敏感方向一致時(shí)的輸出電壓。松開(kāi)線圈水平旋轉(zhuǎn)鎖緊螺釘，每次將赫姆霍茲線圈與傳感器盒整體轉(zhuǎn)動(dòng)10度后鎖緊，松開(kāi)傳感器水平旋轉(zhuǎn)鎖緊螺釘，將傳感器盒向相反方向轉(zhuǎn)動(dòng)10度（保持AMR方向不變）后鎖緊，記錄輸出電壓數(shù)據(jù)于表2中。測(cè)量數(shù)據(jù)記錄如下：表2 AMR

12、方向特性的測(cè)量 磁感應(yīng)強(qiáng)度4高斯夾角（度）0102030405060708090輸出電壓(V)1.0181.0050.9640.8990.8030.6740.5270.3550.168-0.019作圖如下：由圖可知，當(dāng)由0°增加到90°時(shí)，U逐漸減少到0，而而且減小的速率越來(lái)越快。主要誤差來(lái)源：測(cè)量過(guò)程中無(wú)法保證AMR方向不變及方向的準(zhǔn)確性。4、赫姆霍茲線圈的磁場(chǎng)分布測(cè)量赫姆霍茲線圈能在公共軸線中點(diǎn)附近產(chǎn)生較廣泛的均勻磁場(chǎng)。a. 赫姆霍茲線圈軸線上的磁場(chǎng)分布測(cè)量根據(jù)畢奧薩伐爾定律，可以計(jì)算出通電圓線圈在軸線上任意一點(diǎn)產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度矢量垂直于線圈平面，方向由右手螺旋定則確定

13、，與線圈平面距離為X1的點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度為：赫姆霍茲線圈是由一對(duì)彼此平行的共軸圓形線圈組成。兩線圈內(nèi)的電流方向一致，大小相同，線圈匝數(shù)為N，線圈之間的距離d正好等于圓形線圈的半徑R，若以兩線圈中點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，則軸線上任意一點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度是兩線圈在該點(diǎn)產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度之和：式中B0是X0時(shí)，即赫姆霍茲線圈公共軸線中點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度。表3列出了X取不同值時(shí)B(X)/B0值的理論計(jì)算結(jié)果。調(diào)節(jié)傳感器磁敏感方向與赫姆霍茲線圈軸線一致，位置調(diào)節(jié)至赫姆霍茲線圈中心（X0），測(cè)量輸出電壓值。已知R=140mm，將傳感器盒每次沿軸線平移0.1R，記錄測(cè)量數(shù)據(jù)。測(cè)量數(shù)據(jù)記錄如下：表3 赫姆霍茲線圈軸向磁場(chǎng)分布測(cè)量

14、B0 4高斯位置X-0.5R-0.4R-0.3R-0.2R-0.1R00.1R0.2R0.3R0.4R0.5RB(X)/B0計(jì)算值0.9460.9750.9920.9981.00011.0000.9980.9920.9750.946B(X)測(cè)量值(V)0.9831.0091.0221.0271.0271.0271.0261.0241.0150.9990.965B(X)測(cè)量值(高斯)3.9014.0044.0564.0754.0754.0754.0714.0634.0283.9643.829由圖可知，在中心附近，磁場(chǎng)強(qiáng)度變化很小，在遠(yuǎn)離中心附近處，離中心越遠(yuǎn)磁感應(yīng)強(qiáng)度變化越快。主要誤差來(lái)源：移動(dòng)

15、過(guò)程中難以保證每次移動(dòng)的距離為0.1R，且x=0處未嚴(yán)格處于線圈中心處。b赫姆霍茲線圈空間磁場(chǎng)分布測(cè)量由畢奧薩伐爾定律，同樣可以計(jì)算赫姆霍茲線圈空間任意一點(diǎn)的磁場(chǎng)分布，由于赫姆霍茲線圈的軸對(duì)稱性，只要計(jì)算（或測(cè)量）過(guò)軸線的平面上兩維磁場(chǎng)分布，就可得到空間任意一點(diǎn)的磁場(chǎng)分布。理論分析表明，在X £ 0.2R，Y £0.2R的范圍內(nèi)，（BXB0）/B0小于百分之一，BY/BX小于萬(wàn)分之二，故可認(rèn)為在赫姆霍茲線圈中部較大的區(qū)域內(nèi)，磁場(chǎng)方向沿軸線方向，磁場(chǎng)大小基本不變。按表4數(shù)據(jù)改變磁阻傳感器的空間位置，記錄X方向的磁場(chǎng)產(chǎn)生的電壓VX，測(cè)量赫姆霍茲線圈空間磁場(chǎng)分布。表4赫姆霍茲線圈

16、空間磁場(chǎng)分布測(cè)量 B0 4高斯 X VXY00.05R0.1R0.15R0.2R0.25R0.3R01.0231.0231.0241.0241.0241.0221.0190.05R1.0251.0251.0251.0251.0251.0231.0200.1R1.0261.0261.0271.0271.0271.0261.0230.15R1.0261.0261.0271.0291.0301.0311.0300.2R1.0261.0261.0271.0291.0321.0341.0350.25R1.0251.0251.0271.0291.0321.0341.0350.3R1.0231.0241.0

17、261.0291.0341.0381.041空間磁場(chǎng)分布特點(diǎn)：當(dāng)X處于00.15R，Y處于00.1R時(shí)，B基本不變 當(dāng)X處于00.1R時(shí)，隨著Y增大，B先增后減 當(dāng)X處于0.150.3R時(shí)，B隨Y增大而增大 當(dāng)Y處于00.15R時(shí)，隨著X增大，B先增后減 當(dāng)Y處于0.20.3R時(shí)，隨著X增大，B增大為了更加直觀的表示赫姆霍茲線圈空間磁場(chǎng)分布特點(diǎn)，做出三維圖如下：由圖可知，赫姆霍茲線圈空間磁場(chǎng)分布與上訴文字描述一致。5、地磁場(chǎng)測(cè)量地球本身具有磁性，地表及近地空間存在的磁場(chǎng)叫地磁場(chǎng)。地磁的北極，南極分別在地理南極，北極附近，彼此并不重合，可用地磁場(chǎng)強(qiáng)度，磁傾角，磁偏角三個(gè)參量表示地磁場(chǎng)的大小和方向

18、。磁傾角是地磁場(chǎng)強(qiáng)度矢量與水平面的夾角，磁偏角是地磁場(chǎng)強(qiáng)度矢量在水平面的投影與地球經(jīng)線（地理南北方向）的夾角。在現(xiàn)代數(shù)字導(dǎo)航儀等系統(tǒng)中，通常用互相垂直的三維磁阻傳感器測(cè)量地磁場(chǎng)在各個(gè)方向的分量，根據(jù)矢量合成原理，計(jì)算出地磁場(chǎng)的大小和方位。本實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)用單個(gè)磁阻傳感器測(cè)量地磁場(chǎng)的方法。將赫姆霍茲線圈電流調(diào)節(jié)至零，將補(bǔ)償電流調(diào)節(jié)至零，傳感器的磁敏感方向調(diào)節(jié)至與赫姆霍茲線圈軸線垂直（以便在垂直面內(nèi)調(diào)節(jié)磁敏感方向）。調(diào)節(jié)傳感器盒上平面與儀器底板平行，將水準(zhǔn)氣泡盒放置在傳感器盒正中，調(diào)節(jié)儀器水平調(diào)節(jié)螺釘使水準(zhǔn)氣泡居中，使磁阻傳感器水平。松開(kāi)線圈水平旋轉(zhuǎn)鎖緊螺釘，在水平面內(nèi)仔細(xì)調(diào)節(jié)傳感器方位，使輸出最大（如

19、果不能調(diào)到最大，則需要將磁阻傳感器在水平方向轉(zhuǎn)動(dòng)180度后再調(diào)節(jié)）。此時(shí)，傳感器磁敏感方向與地理南北方向的夾角就是磁偏角。松開(kāi)傳感器繞軸旋轉(zhuǎn)鎖緊螺釘，在垂直面內(nèi)調(diào)節(jié)磁敏感方向，至輸出最大時(shí)轉(zhuǎn)過(guò)的角度就是磁傾角，記錄此角度。記錄輸出最大時(shí)的輸出電壓值U1后，松開(kāi)傳感器水平旋轉(zhuǎn)鎖緊螺釘，將傳感器轉(zhuǎn)動(dòng)180度，記錄此時(shí)的輸出電壓U2，將U=(U1U2)/2 作為地磁場(chǎng)磁感應(yīng)強(qiáng)度的測(cè)量值（此法可消除電橋偏離對(duì)測(cè)量的影響）。表5 地磁場(chǎng)的測(cè)量磁傾角（度）磁感應(yīng)強(qiáng)度U1(V)U2(V)U=(U1U2)/2(V)B=U/0.25(高斯)65°0.246-0.1940.2200.88主要誤差來(lái)源：周

20、圍環(huán)境磁性物質(zhì)的影響五、思考題推導(dǎo)公式一：VbabR+RR+RR-RR-R-+如圖所示，Ua= VbR-R+R+R(R+R)= Vb2R(R+R) UC= VbR-R+R+R(R-R)= Vb2R(R-R) 則輸出電壓為：U= Uac= Ua-Uc= Vb2R(R+R)- Vb2R(R-R)= VbRR六、誤差分析1、傳感器未嚴(yán)格處于線圈中心。2、測(cè)量過(guò)程中無(wú)法保證AMR方向不變及方向的準(zhǔn)確性。3、移動(dòng)過(guò)程中難以保證每次移動(dòng)的距離為0.1R，且x=0處未嚴(yán)格處于線圈中心處。4、外界環(huán)境中的磁性物質(zhì)的的干擾，如隨身攜帶的鐵磁性物質(zhì)、手機(jī)等，還有周?chē)慕ㄖ挠绊憽Ｆ?、AMR傳感器的應(yīng)用舉例 1、AMR傳感器可以用來(lái)檢測(cè)車(chē)輛是否存在，用于停車(chē)場(chǎng)的車(chē)位指示，讓司機(jī)選擇車(chē)停在何處，其原理是利用AMR傳感器探測(cè)車(chē)輛對(duì)地磁場(chǎng)的擾動(dòng)，從而識(shí)別車(chē)輛。2、可用于熱水器等的流量監(jiān)測(cè)（槳葉旋轉(zhuǎn)的檢測(cè)）原理：當(dāng)