地磁場(chǎng)測(cè)定實(shí)驗(yàn)201309

1、地磁場(chǎng)測(cè)定實(shí)驗(yàn)地磁場(chǎng)作為一種天然磁源，在軍事、航空、航海、工業(yè)、醫(yī)學(xué)、探礦等科研中有著重要用途。地磁場(chǎng) 的數(shù)值比較小，約10-5T量級(jí)，在直流磁場(chǎng)測(cè)量，特別是弱磁場(chǎng)測(cè)量中，往往需要知道其數(shù)值，并設(shè)法消除 影響。本實(shí)驗(yàn)采用坡莫合金磁阻傳感器測(cè)量地磁場(chǎng)磁感應(yīng)強(qiáng)度及其水平分量、垂直分量和地磁場(chǎng)的磁傾角。 由于磁阻傳感器體積小、靈敏度高、易安裝，因而在弱磁場(chǎng)測(cè)量方面有廣泛應(yīng)用前景。一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康牧私獯抛鑲鞲衅鞯母飨虍愋源抛栊?yīng)。掌握測(cè)量地磁場(chǎng)的定標(biāo)及測(cè)量原理和方法。熟練使用最小二乘法擬合。二、實(shí)驗(yàn)原理地球本身具有磁性，所以地球和近地空間之間存在著磁場(chǎng)，叫做地磁場(chǎng)。地磁場(chǎng)的強(qiáng)度和方向隨地點(diǎn)(甚 至隨時(shí)間)

2、而異。地磁場(chǎng)的北極、南極分別在地理南極、北極附近，彼此并不重合，如圖1所示，而且兩者 間的偏差隨時(shí)間不斷地在緩慢變化。地磁軸與地球自轉(zhuǎn)軸并不重合，有11。交角。在一個(gè)不太大的范圍內(nèi)， 地磁場(chǎng)基本上是均勻的，可用三個(gè)參量來表示地磁場(chǎng)的方向和大小(如圖2所示):磁偏角a，地球表面任一點(diǎn)的地磁場(chǎng)矢量所在垂直平面(圖2中B與Z構(gòu)成的平面，稱地磁子午面)，與地理子午面(圖2中X、Z構(gòu)成的平面)之間的夾角。X.磁傾角。，磁場(chǎng)強(qiáng)度矢量B與水平面(即圖2的矢量B和OX與OY構(gòu)成平面的夾角)之間的夾角。_水平分量B水平 地磁場(chǎng)矢量B在水平面上的投影。圖1地磁場(chǎng)的兩極圖5圖2地磁物的三個(gè)參量_測(cè)量地磁場(chǎng)的這三個(gè)參

3、量，就可確定某一地點(diǎn)地磁場(chǎng)B矢量的方向和大小。當(dāng)然這三個(gè)參量的數(shù)值隨 時(shí)間不斷地改變，但這一變化極其緩慢，極為微弱。物質(zhì)在磁場(chǎng)中電阻率發(fā)生變化的現(xiàn)象稱為磁阻效應(yīng)。對(duì)于鐵、鉆、鎳及其合金等磁性金屬，當(dāng)外加磁 場(chǎng)平行于金屬磁體內(nèi)部磁化方向時(shí)，電阻幾乎不隨外加磁場(chǎng)變化；當(dāng)外加磁場(chǎng)偏離金屬內(nèi)部磁化方向時(shí)， 金屬的電阻減小，這就是強(qiáng)磁金屬的各向異性磁阻效應(yīng)。HMC1021Z型磁阻傳感器是由長(zhǎng)而薄的坡莫合金(鐵鎳合金)制成一維磁阻微電路集成芯片(二維和三維 磁阻傳感器可以用于測(cè)量二維或三維磁場(chǎng))。利用半導(dǎo)體工藝，將鐵鎳合金薄膜附著在硅片上，如圖3所示。 薄膜的電阻率P()依賴于磁化強(qiáng)度M和電流I方向間的夾

4、角。，具有以下關(guān)系式p() = P+ (P - P)cos2 (1)其中P、P分別是電流I平行于M和垂直于M時(shí)的電阻率。當(dāng)沿著鐵鎳合金帶的長(zhǎng)度方向通以一定的 直流電流，而垂直于電流方向施加一個(gè)外界磁場(chǎng)時(shí)，合金帶自身的阻值會(huì)發(fā)生較大的變化，利用合金帶阻 值這一變化，可以測(cè)量磁場(chǎng)大小和方向。作為一種單邊封裝的磁場(chǎng)傳感器，HMC1021Z磁阻傳感器能測(cè)量與管腳平行方向的磁場(chǎng)。傳感器由四條 鐵鎳合金磁電阻組成一個(gè)非平衡電橋，非平衡電橋輸出部分接集成運(yùn)算放大器，將信號(hào)放大輸出。傳感器 內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖4所示。圖4中由于適當(dāng)配置的四個(gè)磁電阻電流方向不相同，當(dāng)存在外界磁場(chǎng)時(shí)，引起電阻 值變化有增有減。因而輸出電

5、壓Uuut可以用下式表示為Uout竺、R J玻莫合金薄膜圖4磁阻傳感器內(nèi)的惠斯通電橋圖3磁阻傳感器的構(gòu)造示意圖對(duì)于一定的工作電壓，如Ub = 5.00V，HMC1021Z磁阻傳感器輸出電壓U u與外界磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度成正比關(guān)系，(3)U = U 0 + KB式（3）中，K為傳感器的靈敏度，B為待測(cè)磁感應(yīng)強(qiáng)度。U0為外加磁場(chǎng)為零時(shí)傳感器的輸出量。由于亥姆霍磁線圈的特點(diǎn)是能在其軸線中心點(diǎn)附近產(chǎn)生較寬范圍的均勻磁場(chǎng)區(qū)，所以常用作弱磁場(chǎng)的 標(biāo)準(zhǔn)磁場(chǎng)。亥姆霍磁線圈公共軸線中心點(diǎn)位置的磁感應(yīng)強(qiáng)度為(4)B C旦R 53/2式（4）中N為線圈匝數(shù)，I為線圈流過的電流強(qiáng)度，R為亥姆霍磁線圈的平均半徑，M 0為

6、真空磁導(dǎo)率。三、實(shí)驗(yàn)儀器測(cè)量地磁場(chǎng)裝置如圖5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、亥姆霍 磁線圈、地磁場(chǎng)測(cè)定儀控制主機(jī)（包括數(shù)字式電壓表、5V直流電源等）。圖5傳感器特性測(cè)量裝置圖6用磁阻傳感器測(cè)量地磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)裝置四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容測(cè)量磁阻傳感器的靈敏度K（1）調(diào)整轉(zhuǎn)盤至水平，將磁阻傳感器放置在亥姆霍茲線圈公共軸線中點(diǎn)，并使管腳和磁感應(yīng)強(qiáng)度方向 平行。即把轉(zhuǎn)盤刻度調(diào)節(jié)到角度。=0。，使傳感器的感應(yīng)面與亥姆霍磁線圈軸線垂直。（2）接通儀器主機(jī)電源，主機(jī)恒流源逆時(shí)針旋至最小，磁阻傳感器輸出復(fù)位、調(diào)零。（3）將亥姆霍茲線圈串聯(lián)連接通入勵(lì)磁電流，用亥姆霍茲線圈產(chǎn)生磁場(chǎng)作為已知量，測(cè)量磁

7、阻傳感器 的靈敏度K。亥姆霍茲線圈每個(gè)線圈匝數(shù)N = 500匝，線圈的半徑r = 10 cm ；真空磁導(dǎo)率 M 0= 4n x 10-7 N/A2。亥姆霍茲線圈軸線上中心位置的磁感應(yīng)強(qiáng)度為（二個(gè)線圈串聯(lián)）：B =心=8 x 4n x 10-7 x 500 x i = 44.96 x 10-4 I（5）R 53/20.100 x 53/2式（5）中，B為磁感應(yīng)強(qiáng)度單位T （特斯拉）；I為通過線圈的電流，單位A （安培）。表1中，正向輸出電壓U1是指勵(lì)磁電流為正方向時(shí)測(cè)得的磁阻傳感器產(chǎn)生的輸出電壓，而反向七是 指勵(lì)磁電流為反向時(shí)，傳感器輸出電壓，U = （U1 - U2）/2。測(cè)正向和反向，目的是

8、消除地磁沿亥姆霍茲 線圈方向（水平）分量的影響。改變電流方向時(shí)，應(yīng)先調(diào)節(jié)電流輸出為零，再改變電流輸出方向。表1測(cè)量傳感器靈敏度xyx - y勵(lì)磁電流 I/mA磁感應(yīng)強(qiáng)度B/10-4T正向U1/mV反向U2/mV此.-u|21 /mV210.0020.0030.0040.0050.0060.0070.0080.00平均y = a0 + a1X，利用最小二乘法擬合得:X2 一x2x y x - y.;(x2 x2)(y 2 y2)得到該磁阻傳感器的靈敏度K = a1x、y的相關(guān)性如何?測(cè)量地磁場(chǎng)水平分供水平（1）將亥姆霍茲線圈與直流電源的連接線拆去，調(diào)整底板螺絲使轉(zhuǎn)盤至水平（可用水準(zhǔn)器指示）。（2

9、）調(diào)節(jié)角游標(biāo)對(duì)準(zhǔn)零刻度線9 = 0。，水平轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)裝置底盤，找到傳感器輸出電壓最大方向，此時(shí)傳感器管腳與地磁場(chǎng)磁感應(yīng)強(qiáng)度的水平分加水平的方向一致。記錄此時(shí)傳感器輸出最大電壓U1后，再旋轉(zhuǎn)帶有磁阻傳感器的內(nèi)轉(zhuǎn)盤，記錄傳感器輸出最小電壓七。由-U - U=KB水平，求得當(dāng)?shù)氐卮艌?chǎng)水平分砂水平。表2測(cè)量地磁場(chǎng)水平分量B傳感器的輸出電壓2/次數(shù)n正向U1/mV反向5Ui=胃 /mV123456U U-平均值U水平=i=1 1 /mV ；磁場(chǎng)強(qiáng)度的水平分量：B水平=令/T百分誤差E = 水平 理論x 100% b B 理論測(cè)量地磁場(chǎng)的磁傾角日；磁感應(yīng)強(qiáng)度B及垂直分量B垂直保持傳感器管腳與地磁場(chǎng)磁感應(yīng)強(qiáng)度

10、的水平分量方向一致將帶有磁阻傳感器的轉(zhuǎn)盤平面調(diào)整為鉛直，此時(shí)轉(zhuǎn)盤面處于地磁子午面方向，角游標(biāo)對(duì)準(zhǔn)零刻度 線；轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)盤，分別記下傳感器輸出最大和最小時(shí)轉(zhuǎn)盤指示值和水平面之間的夾邠1和F 2， 同時(shí)記錄此最大讀數(shù)U和%。由磁傾角。=(p 1 + P 2)/2計(jì)算p的值。由_ U J / 2 = KB，計(jì)算地磁場(chǎng)磁感應(yīng)強(qiáng)度B的 值。并計(jì)算地磁場(chǎng)的垂直分量B垂直=Bslnp。表3測(cè)量地磁場(chǎng)磁場(chǎng)強(qiáng)度B總傳感器的輸出電壓及磁傾角p次數(shù)n正向U1/mV反向U2/mVUi= 5 /mVi2P 1/P 2/OP j 捋 /123456Eq平均值U總=i=1/mVB總=K總燈；E - p百分誤差：E =些x

11、100%p p理論E pi平均值P = 4nB垂直=B 總-sin p /T1.2.六、測(cè)量地磁場(chǎng)水平分量，須將轉(zhuǎn)盤調(diào)節(jié)至水平；測(cè)量地磁場(chǎng)U總和磁傾角P時(shí)，須將轉(zhuǎn)盤面處于地磁子 午面方向。測(cè)量磁傾角應(yīng)記錄不同6值，傳感器輸出電壓U總，應(yīng)取6組P值，求其平均值。這是因?yàn)闇y(cè)量時(shí)，偏 差1。，U= U總cosl。= 0.998 U總變化很小，偏差4。，U在偏差1。至4。范圍U變化極小，實(shí)驗(yàn)時(shí)應(yīng)測(cè)出U變化很小P角的范圍，然后求得平均值P?？偪偹伎碱}=U嚴(yán)4。= 0.998 U總，所以五、注意事項(xiàng)磁阻傳感器和霍耳傳感器在工作原理和使用方法方面各有什么特點(diǎn)和區(qū)別？如果在測(cè)量地磁場(chǎng)時(shí)，在磁阻傳感器周圍較近處，放一個(gè)鐵釘，對(duì)測(cè)量結(jié)果將產(chǎn)生什么影響？為何坡莫合金磁阻傳感器遇到較強(qiáng)磁場(chǎng)時(shí)，其靈敏度會(huì)降低？用什么方法來恢復(fù)其原來的靈敏度?附錄：我國(guó)一些城市的地磁參量（地磁要素）地名地理位置磁偏角a（偏西）磁傾角0B水平(10 -4 T)測(cè)定年份北緯東經(jīng)齊齊哈爾47 22，123 59，7 34，64 27，0.2421916長(zhǎng)春43 51，126 36，