地磁场测定实验201309.docVIP

地磁场测定实验 地磁场作为一种天然磁源，在军事、航空、航海、工业、医学、探矿等科研中有着重要用途。地磁场的数值比较小，约T量级，在直流磁场测量，特别是弱磁场测量中，往往需要知道其数值，并设法消除影响。本实验采用坡莫合金磁阻传感器测量地磁场磁感应强度及其水平分量、垂直分量和地磁场的磁倾角。由于磁阻传感器体积小、灵敏度高、易安装，因而在弱磁场测量方面有广泛应用前景。 实验目的 了解磁阻传感器的各向异性磁阻效应。 掌握测量地磁场的定标及测量原理和方法。 熟练使用最小二乘法拟合。 实验原理 地球本身具有磁性，所以地球和近地空间之间存在着磁场，叫做地磁场。地磁场的强度和方向随地点(甚至随时间)而异。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，有交角。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)： 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。 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。 水平分量，地磁场矢量在水平面上的投影。 图1 地磁场的两极　 图2 地磁场的三个参量 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改变，但这一变化极其缓慢，极为微弱。 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，当外加磁场平行于金属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内部磁化方向时，金属的电阻减小，这就是强磁金属的各向异性磁阻效应。 HMC1021Z型磁阻传感器是由长而薄的坡莫合金(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用于测量二维或三维磁场)。利用半导体工艺，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发生较大的变化，利用合金带阻值这一变化，可以测量磁场大小和方向。 作为一种单边封装的磁场传感器，HMC1021Z磁阻传感器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4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，如，HMC1021Z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） 式（3）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量。 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（4）中为线圈匝数，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。 实验仪器 测量地磁场装置如图5所示。它主要包括底座、转轴，带角刻度的转盘、磁阻传感器的引线、亥姆霍磁线圈、地磁场测定仪控制主机(包括数字式电压表、5V直流电源等)。 图5 传感器特性测量装置 图6 用磁阻传感器测量地磁场实验装置 实验内容 测量磁阻传感器的灵敏度 调整转盘至水平，将磁阻传感器放置在亥姆霍兹线圈公共轴线中点，并使管脚和磁感应强度方向平行。即把转盘刻度调节到角度，使传感器的感应面与亥姆霍磁线圈轴线垂直。 接通仪器主机电源，主机恒流源逆时针旋至最小，磁阻传感器输出复位、调零。 将亥姆霍兹线圈串联连接通入励磁电流，用亥姆霍兹线圈产生磁场作为已知量，测量磁阻传感器的灵敏度。亥姆霍兹线圈每个线圈匝数匝，线圈的半径；真空磁导率。亥姆霍兹线圈轴线上中心位置的磁感应强度为(二个线圈串联)： （5） 式（5）中，为磁感应强度单位(特斯拉)；为通过线圈的电流，单位(安培)。 表1中，正向输出电压是指励磁电