地磁場測定實驗

1、地磁場的測景一、實驗?zāi)康恼莆掌履辖鸫抛鑲鞲衅鞯亩?biāo)測量地磁場水平分量和磁傾角的方法二、實驗儀器FD-HMC-2型磁阻傳感器與地磁場實驗儀三、實驗原理地磁場作為一種天然磁源，在軍事、航空、工業(yè)、醫(yī)學(xué)、探礦等科研中有著重要用途。地磁場的數(shù)值比擬小，約105T量級，但在直流磁場測量，特別是弱磁場測量中，往往要知道其數(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量地磁場磁感應(yīng)強度及地磁場磁感應(yīng)強度的水平和垂直分量；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。由丁磁阻傳感器體積小，靈敏度高，

2、易安裝，因而在弱磁測量方面有廣泛應(yīng)用前景。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)。對丁鐵，鉆，銳及合金等磁性金屆，當(dāng)外加磁場平行與磁體內(nèi)部磁化方向時，電阻幾乎不隨外加磁場變化；當(dāng)外加磁場偏離金屆的內(nèi)部磁化方向時，此類金屆的電阻減小，這就是強磁金屆的各相異性磁阻效應(yīng)。HMC1021型磁阻傳感器由長而薄的坡莫合金鐵銳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和三維磁場。它利用通常的圖1磁阻傳感器的構(gòu)造示意圖圖2磁阻傳感器內(nèi)的惠斯通電橋半導(dǎo)體工藝，將鐵銳合金薄膜附著在硅片上，如圖1所示。薄膜的電阻率（）依賴丁磁化強度M和電流I方向問的火角，具有以下關(guān)系公式實用文檔.()(/

3、)cos2其中/、分別是電流I平行丁M和垂直丁M時的電阻率。當(dāng)沿著鐵銳合金帶長度方向通以一定的直流電流，而垂直丁電流方向施加一個外界磁場時，合金帶自身的阻值會發(fā)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，用丁產(chǎn)生一個偏置磁場，補償環(huán)境磁場中的弱磁場局部當(dāng)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。HMC1021型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場。傳感器

4、由四條鐵銳合金磁電阻組成一個非平衡電橋，非平衡電橋輸出局部接集成運算放大器，將信號放大輸出。傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。圖2中由丁適當(dāng)配置的四個磁電阻電流方向不相同，當(dāng)存在外界磁場時，引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RUoutH-)UbR對丁一定的工作電壓,如UbV,HMC1021Z磁阻傳感器輸出電壓Uout與外界磁場的磁感應(yīng)強度成正比關(guān)系UoutU0KB式中，K為傳感器的靈敏度，B為待測磁感應(yīng)強度。U。為外加磁場為零時傳感器的輸出量。本實驗先利用玄姆霍茲線圈產(chǎn)生的磁場對傳感器進(jìn)行定標(biāo)，求出傳感器的靈敏度K,然后，根據(jù)傳感器的電壓輸出，求地磁場。由丁玄姆霍茲線圈的特點

5、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(biāo)準(zhǔn)磁場。玄姆霍茲線圈公共軸線中心點位置的磁感應(yīng)強度為oNI8式中N為線圈匝數(shù)，I為線圈流過的電流強度，R為玄姆霍茲線圈的平均半徑，°為真空磁導(dǎo)率。本實驗玄姆霍茲線圈每個線圈匝數(shù)N=500匝，線圈的半徑R=10cmi真空磁導(dǎo)率04107N/A2玄姆霍茲線圈軸線上中心位置的磁感應(yīng)強度為二個線圈申聯(lián)80NIR532841075000.100532444.96104I式中,培。B為磁感應(yīng)強度，單位T特斯拉；I為通過線圈的電流，單位A安四、儀器簡介測量地磁場裝置如圖3所示。它主要包括底座，轉(zhuǎn)軸，帶角刻度的轉(zhuǎn)盤，磁阻傳感器的引線

6、，玄姆霍茲線圈，地磁場測定以控制主機包括數(shù)字式電壓表，5V直流電源等?？潭缺P可取水平和豎直方位。實、實驗內(nèi)容1.測量傳感器的靈敏度K1將磁阻傳感器放置在玄姆霍茲線圈公共軸線中點，并使管腳和玄姆霍茲線圈的磁感應(yīng)強度方向平行，即傳感器的感應(yīng)面與玄姆霍茲線圈軸線垂直，用水準(zhǔn)儀調(diào)整轉(zhuǎn)盤水平。管腳/圖3傳感器局部圖1.恒流源2.數(shù)字電壓表3.HMC1021Z磁阻傳感器輸入輸出引線4.亥姆霍茲線圈5.刻度盤2當(dāng)勵磁電流為零時，對數(shù)字電壓表調(diào)零。3分別測量I正向電壓值U1和反向電壓值U2,傳感器輸出電壓為U|5Uj/2。注意：先正向測量，后反向測量。正向測量完成后，一定先把電流減小到零，再把電流反向，以免電

7、流突然換向，玄姆霍茲線圈中心產(chǎn)生很大的感應(yīng)磁場。測正向和反向兩次，目的是消除地磁沿玄姆霍茲線圈方向水平分量的影響。4用玄姆霍茲磁線圈產(chǎn)生磁場作為量，根據(jù)UoutU°KB,用最小二乘法求出磁阻傳感器的靈敏度K。2.測量地磁場的水平分量B；地磁場的磁感應(yīng)強度B總；地磁場的垂直分量B,磁傾角。1將玄姆霍茲線圈與直流電源的連線拆去。2把轉(zhuǎn)盤刻度調(diào)節(jié)到角度0。3水平轉(zhuǎn)動玄姆霍茲線圈整體，同時用水準(zhǔn)儀調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)盤使其水平，找到傳感器輸出電壓最大方向即管腳所指方向，這個方向就是地磁場磁感應(yīng)強度的水平分量B的方向。4記錄傳感器輸出電壓最大時的U后，再旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)盤，記錄傳感器輸出最小電壓U，由B/U/U|/2

8、K,求得當(dāng)?shù)氐卮艌鏊椒至緽/05玄姆霍茲線圈整體不動，將轉(zhuǎn)盤平面調(diào)整為鉛直，此時轉(zhuǎn)盤面為地磁場子午面方向。轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)盤，分別記下傳感器輸出電壓最大和最小時轉(zhuǎn)盤的指示值和水平面之間的火角1和2,同時記錄此最大讀數(shù)Ui和U2應(yīng)為游標(biāo)零線與度盤豎直0度線所夾的小角。由磁傾角（12）/2計算的值。由U總UiU2/2KB總，計算地磁場磁感應(yīng)強度B總的值。并計算地磁場的垂直分量BB總Sin。因為磁傾角偏差1至4范圍，U總變化極小，所以要求測量4次。六、數(shù)據(jù)處理要求自己設(shè)計表格，并處理數(shù)據(jù)。七、思考題1.如果在測量地磁場時，在磁阻傳感器周圍較近處，放一個鐵釘，對測量結(jié)果將產(chǎn)生什么影響？2.為何坡莫合金磁阻傳感

9、器遇到較強磁場時，其靈敏度會降低？用什么方法來恢復(fù)其原來的靈敏度？附錄1:地磁場地球本身具有磁性，所以地球和近地空間之間存在著磁場，叫做地磁場。地磁場的強度和方向隨地點（甚至隨時間）而異。地磁場的北極、南極分別在地理南極、北極附近，彼此并不重合，如圖5所示，而且兩者間的偏差隨時間不斷地在緩慢變化。地磁軸與地球自轉(zhuǎn)軸并不重合，有110交角。在一個不太大的范圍內(nèi)，地磁場根本上是均勻的，可用三個參量來表示地磁場的方向和大?。ㄈ缦铝袌D所示）：1磁偏角，假設(shè)x指向北，y指向東，z表小垂直向下，那么地球外表任一點的地磁場欠量所在垂直平面（圖中B/與Z構(gòu)成的平面，稱地磁子牛面），與地理子午面（圖中X、Z構(gòu)成

10、的平面）之間的火角。磁傾角，磁場強度欠量B與水平面（即圖中欠量B和OX與OY構(gòu)成平面的火角）之間的火角B（3）水平分量B，地磁場欠量B在水平面上的投影。圖5圖5圖6圖6測量地磁場的這二個參量，就可確定某一地點地磁場B欠量的方向和大小。當(dāng)然這三個參量的數(shù)值隨時間不斷地在改變，但這一變化極其緩慢，極為微弱。附錄2:最小二乘法與線性擬合將實驗結(jié)果畫成圖線，可以形象地表示出物理規(guī)律，但圖線的表示往往不如用函數(shù)表示那樣明確和定量化。另外，人工擬合曲線有一定的主觀隨意性，不同的人用同一組測量數(shù)據(jù)作圖，其結(jié)果一般是不相同的，因而圖解法的結(jié)果往往不是最正確的、唯一的。在許多實驗中，X和y兩個物理量的測量總有一

11、個物理量的測量精度比另一個高，我們把測量精度較高的物理量作為自變量X,其誤差可忽略不計，而把精度較低的物理量作為因變量yo分析實驗數(shù)據(jù)，用數(shù)學(xué)分析的方法求出它們所滿足的經(jīng)驗公式，這個過程稱為回歸分析。它包括兩類問題：第一類是函數(shù)關(guān)系已經(jīng)確定，但式中的系數(shù)未知，在測量了n對x,yj值后，要求確定系數(shù)的最正確估計值，以便將函數(shù)具體化；第二類問題是y和x之間的函數(shù)關(guān)系未知，需要從n對X,y測量數(shù)據(jù)中尋找出它們之間的函數(shù)關(guān)系式，即經(jīng)驗公式。我們只討論第一類問題中的最簡單的函數(shù)關(guān)系，即一元線性方程的回歸問題或稱直線擬合問題。用實驗數(shù)據(jù)X,yiMi1,2,3,.n擬合一條直線，由丁存在誤差，實驗點不可能都

12、落在直線上。線性回歸是一種以最小二乘法原理為根底的實驗數(shù)據(jù)處理方法，它可以得到最正確、唯一的結(jié)果。其任務(wù)就是從實驗數(shù)據(jù)中求出一個誤差最小的最正確經(jīng)驗公式y(tǒng)axb。根據(jù)這一最正確經(jīng)驗公式作出的圖線雖然不一定能通過每一個實驗觀測點，但是它以最接近這些實驗點的方式平滑地穿過它們。最小二乘法的原理是：假設(shè)能找到一條最正確的擬合直線，那么這條擬合直線上各相應(yīng)的y值與測量點的縱坐標(biāo)（因變量）之偏差的平方和在所有擬合直線中應(yīng)是最小的。通過實驗測得的數(shù)據(jù)為當(dāng)xx1,x2,x3,.xn時，對應(yīng)的yy1,y2,y3,.yn。對每一個xi值，相對應(yīng)的乂和最正確經(jīng)驗公式y(tǒng)axb的y值之間存在一個偏差，即yiyyiaxb按最小二乘法原理，那么有n2(yiy)min式中，Vi為測量值，yaxii1b為估計值，即n2一(yiaxib)min使H為最小的條件是Ha0,°,°,n2(yiaxib)x