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磁阻传感器与地磁场测量 Ⅰ. 关于地磁场的简介 地球本身具有磁性，所以地球和近地空间之间存在着磁场，称为地磁场。地磁场的强度和方向随地点不同(甚至随时间)而不相同。地磁场的北极、南极分别在地理南极、北极附近，彼此并不重合，如图1所示，而且两者间的偏差随时间不断地在缓慢变化。地磁轴与地球自转轴并不重合，大约有11°交角。 在一个不太大的范围内，地磁场基本上是均匀的，可用三个参量来表示地磁场的方向和大小(如图2所示)： 图1 地理南、北极与地磁南、北极 图2 地磁场的磁偏角、磁倾角和水平分量 (1) 磁偏角，地球表面任一点的地磁场矢量所在垂直平面(图2中与z构成的平面，称地磁子午面)，与地理子午面(图2中x、z构成的平面)之间的夹角。 (2) 磁倾角，磁场强度矢量与水平面(即图2的矢量和Ox与Oy构成平面的夹角)之间的夹角。 (3) 水平分量，地磁场矢量在水平面上的投影。 测量地磁场的这三个参量，就可确定某一地点地磁场矢量的方向和大小。当然这三个参量的数值随时间不断地在改变，但这一变化极其缓慢，极为微弱。 Ⅱ. 本实验的方法介绍 一． 实验方法 利用磁阻传感器测量弱磁场的方法，实现地磁场水平分量的测量，并测出地磁场的大小与方向。 二． 实验所用的设备及材料 磁阻传感器与地磁场实验仪。 三． 实验的构思及原理 物质在磁场中电阻率发生变化的现象称为磁阻效应。对于铁、钴、镍及其合金等磁性金属，当外加磁场平行于磁体内部磁化方向时，电阻几乎不随外加磁场变化；当外加磁场偏离金属的内部磁化方向时，此类金属的电阻减小，这就是强磁金属的各向异性磁阻效应。 磁阻传感器由长而薄的玻莫合金(铁镍合金)制成一维磁阻微电路集成芯片(二维和三维磁阻传感器可以测量二维或三维磁场)。它利用通常的半导体工艺，将铁镍合金薄膜附着在硅片上，如图3所示。薄膜的电阻率依赖于磁化强度和电流方向间的夹角，具有以下关系式： （1） 其中、分别是电流平行于和垂直于时的电阻率。当沿着铁镍合金带的长度方向通以一定的直流电流，而垂直于电流方向施加一个外界磁场时，合金带自身的阻值会生较大的变化，利用合金带阻值这一变化，可以测量磁场大小和方向。同时制作时还在硅片上设计了两条铝制电流带，一条是置位与复位带，该传感器遇到强磁场感应时，将产生磁畴饱和现象，也可以用来置位或复位极性；另一条是偏置磁场带，用于产生一个偏置磁场，补偿环境磁场中的弱磁场部分（当外加磁场较弱时，磁阻相对变化值与磁感应强度成平方关系），使磁阻传感器输出显示线性关系。 磁阻传感器是一种单边封装的磁场传感器，它能测量与管脚平行方向的磁场。传感器由四条铁镍合金磁电阻组成一个非平衡电桥，非平衡电桥输出部分接集成运算放大器，将信号放大输出。传感器内部结构如图4所示。图中由于适当配置的四个磁电阻电流方向不相同，当存在外界磁场时，引起电阻值变化有增有减。因而输出电压可以用下式表示为 ： (2) 图3 磁阻传感器的构造示意图 图4磁阻传感器内的惠斯通电桥 对于一定的工作电压，磁阻传感器输出电压与外界磁场的磁感应强度成正比关系： （3） （3）式中，为传感器的灵敏度，为待测磁感应强度。为外加磁场为零时传感器的输出电压 。 由于亥姆霍磁线圈的特点是能在其轴线中心点附近产生较宽范围的均匀磁场区，所以常用作弱磁场的标准磁场。亥姆霍磁线圈公共轴线中心点位置的磁感应强度为： （4） 式中为单只线圈匝数，为线圈流过的电流强度，为亥姆霍磁线圈的平均半径，为真空磁导率。 Ⅲ. 本实验的要求 一． 实验任务 1．了解和掌握磁阻传感器的工作原理并测定其灵敏度 2．测量地磁场的水平分量、总磁感强度和垂直分量 二． 实验操作前思考题 1. 磁阻传感器和霍耳传感器在工作原理和使用方法方面各有什么特点和区别？ 2．本实验中有哪些需要特别注意的操作要求？ 三． 实验提示 1. 亥姆霍兹线圈按串联方式连接，磁阻传感器放置在亥姆霍兹线圈公共轴线中点，使传感器的管脚和磁感应强度方向平行。即使传感器的感应面与亥姆霍磁线圈轴线垂直。用亥姆霍磁线圈产生的磁场作为已知的标准磁感应强度，测定并计算出（磁阻传感器）地磁场实验仪的灵敏度。以上步骤完成后，拆除亥姆霍磁线圈的励磁电流连接线。测量过程中，采用测正向和反向二次测量，目的是为了消除地磁场水平分量对亥姆霍兹线圈磁场产生的影响。此外，采用正向、反向二次测量还可以在计算时抵消毫伏表初读数，从而消除毫伏表初读数对测量值的影响。也就是说毫伏表可以不必调零。正向输出电压是指亥姆霍兹线圈励磁电流为正方向时