GT4515A磁阻傳感器與地磁場實驗儀應用

GT4515A磁阻傳感器與地磁場實驗儀說明書

一、概  述

地磁場作為一種天然磁源,在軍事、工業、醫學、等等中有著重要用途.地磁場的數值比較小,約10-⁵T量級,但在直流磁場測量,特別是弱磁場測量中,往往需要知道其數值,並設法消除其影響.本實驗採用新型坡莫合金磁阻傳感器測定地磁場磁感應強度及地磁場磁感應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.由於磁阻傳感器體積小,靈敏度高、易安裝,因而在弱磁場測量方面有廣泛應用前景.

二、實驗儀器及主要技術參數

圖1  GT4515A磁阻傳感器與地磁場實驗儀

主要技術參數：

(1) 磁阻傳感器   工作電壓最大值12V,典型值5V；靈敏度50V/T；量程－6.0～6 .0Gs.

(2) 數字式可調恆流源   4位半LED顯示,電流範圍0－300.0mA；穩定度≥0.1%,連續可調.

(3) 亥姆霍茲線圈   有效半徑100mm；單個線圈匝數500匝；二線圈中心間距100mm；溫升不大於10℃的最大負荷電流不小於0.5A.

(4) 角度盤   傳感器轉盤0－360度旋轉,配有遊標尺,精度為0.1度.

(5) 直流電壓表：4位半LED顯示,量程200.00mV,解析度0.001mV.

(6) 配有水平調節儀,便於水平位置調節.

三、實驗原理

1、磁電阻傳感器原理

物質在磁場中電阻率發生變化的現象稱為磁阻效應.對於鐵、鈷、鎳及其合金等磁性金屬,當外加磁場平行於磁體內部磁化方向時,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.

 HMC1021Z型 磁阻傳感器是由長而薄的坡莫合金(鐵鎳合金)製成一維磁阻微電路集成晶片(二維和三維磁阻傳感器可以測量二維或三維磁場).它利用通常的半導體工藝,將鐵鎳合金薄膜附著在矽片上,如圖2所示.薄膜的電阻率ρ(θ)依賴於磁化強度M和電流I方向間的夾角θ,具有以下關係式

                 (1)

其中ρ_H、分別是電流平行於M和垂直於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,而垂直於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.同時製作時還在矽片上設計了兩條鋁製電流帶,一條是置位與復位帶,該傳感器遇到強磁場感應時,將產生磁疇飽和現象,也可以用來置位或復位極性；另一條是偏置磁場帶,用於產生一個偏置磁場,補償環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強度成平方關係),使磁阻傳感器輸出顯示線性關係.

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.傳感器由四條鐵鎳合金磁電阻組成一個非平衡電橋,而非平衡電橋輸出後接到一集成運算放大器上,將信號放大輸出.傳感器內部結構如圖3所示.圖中由於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,引起電阻值變化有增有減.因而輸出電壓可以用下式表示  

              (2)

圖2 磁阻傳感器的構造示意圖         圖3 磁阻傳感器內的惠斯通電橋

對於一定的工作電壓,如Ub=5.00V,HMC1021Z磁阻傳感器輸出電壓Uout與外界磁場的磁感應強度成正比關係,

  Uout=U₀+KB                      (3)

式(3)中,K為傳感器的靈敏度,B為待測磁感應強度.U₀為外加磁場為零時傳感器的輸出量.

    由於亥姆霍茲線圈的特點是能在其軸線中心點附近產生較寬範圍的均勻磁場區,所以常用作弱磁場的標準磁場.亥姆霍茲線圈公共軸線中心點位置的磁感應強度為

(4)

式(4)中N為線圈匝數,I為線圈流過的電流強度,R為亥姆霍茲線圈的平均半徑,μ₀為真空磁導率.

2、亥姆霍茲線圈的磁場

(1) 載流圓線圈磁場

根據畢奧—薩伐爾定律,載流線圈在軸線(通過圓心並與線圈平面垂直的直線上某點的磁應強度為：

             

(5)

式中I為通過線圈的勵磁電流強度,N為線圈的匝數,R為線圈平均半徑,x為圓心到該點的距離,μ_O為真空磁導率.因此,圓心處的磁感應強度B_O為:

(6)

軸線外的磁場分布計算公式較複雜,這裡簡略.

亥姆霍茲線圈是一對匝數和半徑相同的共軸平行放置的圓線圈,兩線圈間的距離d正好等於圓形線圈的半徑R.這種線圈的特點是能在其公共軸線中點附近產生較廣的均勻磁場區,故在生產和科研中有較大的實用價值,其磁場合成示意圖如圖3所示.

根據霍爾效應：探測頭置於磁場中,運動的電荷受洛侖茲力,運動方向發生偏轉.在偏向的一側會有電荷積累,這樣兩側就形成電勢差．通過測電勢差就可知道其磁場的大小.

當兩通電線圈的通電電流方向一樣時,線圈內部形成的磁場方向也一致,這樣兩線圈之間的部分就形成均勻磁場.當探頭在磁場內運動時其測量的數值幾乎不變.當兩通電線圈電流方向不同時在兩線圈中心的磁場應為0.

圖4  亥姆霍茲線圈磁場分布圖

設Z為亥姆霍茲線圈中軸線上某點離中心點O處的距離,則亥姆霍茲線圈軸線上任點的磁感應強度為：

      

(7)

而在亥姆霍茲線圈軸線上中心O處磁感應強度BO為：

(8)

在I=0.50A、N=500、R=0.100m的實驗條件下,單個線圈圓心處的磁場強度為：

當兩圓線圈間的距離d正好等於圓形線圈的半徑R,組成亥姆霍茲線圈時,軸線上中心O處磁感應強度B_O為：

當兩圓線圈間的距離d不等於圓形線圈的半徑R時,軸線上中心O處磁感應強度BO按本實驗所述的公式(1-3)計算.在d=1/2R、R、2R時,相應的曲線見圖4.

一半徑為Ｒ,通以電流Ｉ的圓線圈,軸線上磁場的公式(5)

式中N₀為圓線圈的匝數,X為軸上某一點到圓心O的距離. 本實驗取Ｎ0＝500匝,I＝500mＡ,R＝100mm,圓心O處x＝0,可算得圓電流線圈磁感應強度B=1.57mT.(註：1mT=10Gs).

圖5　圓線圈間不同距離時軸線上的磁場分布圖

(2) 亥姆霍茲線圈

所謂亥姆霍茲線圈為兩個相同線圈彼此平行且共軸,使線圈上通以同方向電流I, 如圖3所示.理論計算證明：線圈間距a等於線圈半徑R時,兩線圈合磁場在軸上(兩線圈圓心連線)-a/2～a/2範圍內是比較均勻的,這時的亥姆霍茲線圈磁感應強度計算公式為

實驗取Ｎ0＝500匝,I＝500mＡ,R＝100mm,圓心O處x＝0,可算得圓電流線圈磁感應強度2.25mT.(註：1mT=10Gs).

我們實驗儀器的亥姆霍茲線圈紅色接線柱是接的內銅導線,黑色接線柱是外銅導線,可用右手法則判別磁場方向.

四、實驗內容及步驟

1、實驗內容：

(1) 了解磁阻傳感器測量磁場的基本原理.

(2) 學會用磁阻傳感器測定地磁場的方法.

(3) 了解地磁場的方向與強度.

2、實驗步驟：

(1) 測量磁阻傳感器的靈敏度K(用亥姆霍茲線圈產生的磁場作為已知量)

1) 將亥姆霍茲線圈與直流電源連接好.如圖6所示.

圖6 接線示意圖

2) 使磁阻傳感器的管腳和磁感應強度的方向平行,即轉盤刻度調節到角度θ=0^o.首先將轉盤調至水平,再輔助調節底板上螺絲使轉盤至水平(用水準儀指示).

3) 重複按下復位鍵5次以上,調節電流到零,電壓調零.

4) 依次調節勵磁電流到10mA,20 mA……300 mA,將電流換向開關分別撥到正向和反相,記錄下正向電壓讀數U_正和反向電壓讀數U_反,在讀數前,至少重複按下復位鍵5次以上,待讀數穩定不變之後讀取.

5) 平均電壓,利用逐差法計算出靈敏度.

勵磁電流

磁感應強度 B

測量電壓值

平均U/mA

U_正/mV

U_反/mV

10mA

 

 

 

 

20mA

 

 

 

 

30mA

 

 

 

 

40mA

 

 

 

 

50mA

 

 

 

 

(2) 測量地磁場的水平分量B_H,地磁場的磁感應強度B_總,地磁場的垂直分量B_⊥和磁傾角β

1) 將亥姆霍茲線圈與直流電源的連線拆去.

2) 首先將轉盤調至水平,再輔助調節底板上螺絲使轉盤至水平(用水準儀指示).旋轉轉盤,分別記下傳感器輸出的最大電壓U₁和最小電壓U₂,計算出當地地磁場的水平分量.

3) 把轉盤刻度調節到角度θ=0^o,調節底板使磁阻傳感器輸出最大電壓或最小電壓,(即就是將磁阻傳感器敏感軸方向與當地地磁場的水平分量B_H方向一直,無夾角),同時調節底板上螺絲使轉盤保持水平.

4) 將轉盤垂直,並保持裝置沿著當地地磁場的水平分量B_H方向放置(即僅僅只是轉盤的方向在豎直方向轉了90°),此時轉盤面為地磁子午面方向,轉動轉盤角度,分別記下傳感器輸出最大電壓和最小電壓時轉盤指示值β₁和β₂,同時記錄此最大讀數和最小讀數,並計算出當地地磁場的磁感應強度.

5) 磁傾角或由得出.

6) 地磁場的垂直分量.

選作實驗內容

用HMC1021Z型磁阻傳感器測量通電單線圈產生磁場分布,並與理論值進行比較.

五、實驗注意事項

使用磁性傳感器時,應儘量避免鐵質材料和可以產生磁性的材料在傳感器附近出現,注意我們的實驗是自己產生磁場並進行測量,注意相互間距離,即儀器之間的磁串擾.

六、思考題

1、磁阻傳感器的基本工作原理是怎樣的？

2、實驗的線圈裝置中心區域,即與磁阻傳感器相連的轉動盤,其方位如何調整？

3、該實驗中附帶的水平儀起什麼作用？如何調整？

4、該實驗所用的電源面板上分別有一調零旋鈕和輸出旋鈕各起什麼作用？如何調節？

5、在測量地磁場時,如有一枚鐵釘處於磁阻傳感器周圍,則對測量結果將產生什麼影響？

6、為何坡莫合金磁阻傳感器遇到較強磁場時,其靈敏度會降低？用什麼方法來恢復其原來的靈敏度？

7、實驗中,如何測出地磁場的傾角？

七．參考資料

1．賈玉潤、王公治、凌偑玲主編.大學物理實驗,上海復旦大學,1987：492-493

2．黃一菲、鄭神、吳亮、陸申龍,玻莫合金磁阻傳感器的特性研究和應用、物理實驗.第22卷第4期,2002 ,4：45-48

3．Honeywell公司,固態傳感器(磁阻傳感器部分)說明書,2001

4．沈元華、陸申龍主編,基礎物理實驗,北京：高等教育出版社,2003

5．黃德星.磁敏感器件及其應用[M].北京： 科學出版社,1987

實驗舉例

(1) 測量磁阻傳感器的靈敏度(用亥姆霍茲線圈產生的磁場作為已知量)

      2) 將亥姆霍茲線圈與直流電源連接好.如圖6所示.

3) 使磁阻傳感器的管腳和磁感應強度的方向平行,即轉盤刻度調節到角度θ=0^o.首先將轉盤調至水平,再輔助調節底板上螺絲使轉盤至水平(用水準儀指示).

4) 重複按下復位鍵5次以上,調節電流到零,電壓調零.

5) 依次調節勵磁電流到10mA,20 mA……300 mA,將電流換向開關分別撥到正向和反相,記錄下正向電壓讀數U_正和反向電壓讀數U_反,在讀數前,至少重複按下復位鍵5次以上,待讀數穩定不變之後讀取.測量正向和反向兩次,目的是消除地磁沿亥姆霍茲線圈方向(水平)分量的影響.

勵磁電流

磁感應強度

B/10^-4T

測量電壓值

平均U/mA

U_正/mV

U_反/mV

0

0

0

0

0

10mA

0.4496

2.30

-2.30

2.30

20mA

0.8922

4.60

-4.58

4.59

30mA

1.3488

6.89

-6.86

6.875

40mA

1.7984

9.18

-9.13

9.155

50mA

2.2480

11.44

-11.38

11.41

6)平均電壓,利用逐差法計算出靈敏度.霍爾靈敏度K＝50±1.5mV/mT.要求滿足這個誤差範圍內.

平均電壓,利用逐差法計算出靈敏度.

K1=(2.3-0)/(0.4496-0)=5.12mV/Gs

K2=(4.59-0)/(0.8922-0)=5.14 mV/Gs

K3=(6.875-0)/(1.3488-0)= 5.10mV/Gs

K4=(9.155-0)/(1.7984-0)= 5.09mV/Gs

K5=(11.41-0)/(2.248-0)=5.08 mV/Gs

K=(K1+K2+K3+K4+K5)/5=(5.12+5.14+5.1+5.09+5.08)/5=5.1 mV/Gs

由此可見,我們測量計算出來得靈敏度K滿足誤差要求,在我們要求的誤差範圍內.

(2) 測量地磁場的水平分量B_H,地磁場的磁感應強度B_總,地磁場的垂直分量B_⊥和磁傾角β

1) 將亥姆霍茲線圈與直流電源的連線拆去.

2) 首先將轉盤調至水平,再輔助調節底板上螺絲使轉盤至水平(用水準儀指示).旋轉轉盤,分別記下傳感器輸出的最大電壓U1和最小電壓U2,計算出當地地磁場的水平分量.

U1=-0.86mV        U2=2.46mV

=(2.46+0.86)/(2*5.1)=0.325Gs

3)把轉盤刻度調節到角度θ=0^o,調節底板使磁阻傳感器輸出最大電壓或最小電壓,(即就是將磁阻傳感器敏感軸方向與當地地磁場的水平分量B_H方向一直,無夾角),同時調節底板上螺絲使轉盤保持水平.

4) 將轉盤垂直,並保持裝置沿著當地地磁場的水平分量B_H方向放置(即僅僅只是轉盤的方向在豎直方向轉了90°),此時轉盤面為地磁子午面方向,轉動轉盤角度,分別記下傳感器輸出最大電壓和最小電壓時轉盤指示值β1和β2,同時記錄此最大讀數和最小讀數,並計算出當地地磁場的磁感應強度.

β1=40.7°β2=43.6° U』₁=-1.46mV     U』₂=3.01mV

=(3.01+1.46)/(2*5.1)=0.438Gs

5) 磁傾角或由得出.

＝(40.7°+43.6°)/2=42.2°

＝0.325/0.438=0.742   β=arccosB// /B總=42.1°

6) 地磁場的垂直分量.

＝0.438*sin42.1°=0.297Gs

我們這次測量得出的磁傾角測量的值雖然和參考值有一定的誤差,但是和計算的值非常接近.這足可以證明我們的操作和測量是正確的,誤差的產生可能還與周圍的磁場幹擾有關係.