物理实验
20xx年5月5日 Applied Science and Technology May. 2013
磁场测量
磁场测量
作 者：邓建儒
学号：2012141441300
（四川省成都市——四川大学——电气信息学院）
邮编：610225
摘 要：在工业生产和科学研究的许多领域都要涉及到磁场测量问题，如磁探矿、地质勘探、磁性材料研究、磁导航、同位素分离、电子束和离子束加工装置、受控热核反应以及人造地球卫星等，因此，对磁场的测定和研究，具有极其深刻的理论和现实意义。“霍尔效应法测量磁场分布”测量“螺线管轴线上各点霍尔电压值和磁场强度”以及“不同励磁电流下螺线管中点霍尔电压值和磁场强度”。“用亥姆霍兹线圈测量磁场分布”能得出磁阻传感器的灵敏度S；并证明磁场迭加原理。“各向异性磁阻传感器测量地磁场”测量传感器分别朝向x+、x-、y+、y-、z+、z-六个方向的输出电压，能计算出地磁场磁感应强度和水平偏向角、磁倾角。从实验中可以得出：通电螺线管的磁场分布情况是磁场强度从螺线管两端向中心逐渐增强，螺线管两端的外侧也分布有磁场，且磁场强度的变化率在螺线管两侧端口处为最大，中心处最小。随着励磁电流强度的增加，电压和磁感应强度也做线性增加。磁场在亥姆霍兹线圈中的分布为：磁场强度从两线圈中心位置向两边逐渐减弱，通进线圈的电流方向不论方向相同还是方向相反，磁场分布规律都是如此，且两个线圈单独所产生磁场强度的代数和等于两个线圈同时产生的磁场强度，符合磁场叠加原理。用各向异性磁阻传感器测量地磁场测定出地磁场强度为0.45mT，磁倾角为54.58?。 关键词：霍尔效应；异号法；亥姆霍兹线圈；磁场叠加原理；磁阻传感器；灵敏度
Measurement of magnetic field (Chengdu City,Sichuan Province,China——Sichuan University——College of electrical information )
Abstract：In many fields of industrial production and scientific research ,We will run into many Magnetic field measurement,Such as magnetic prospecting, geological prospecting, magnetic materials, magnetic navigation, isotope separation, electron beam and ion beam processing apparatus, controlled thermonuclear reaction as well as the artificial earth satellite ,so,Study on the determination of the magnetic field has the extremely profound theoretical and practical significance."Magnetic field" includes three experiments:Hall effect measurement of magnetic field distribution;Helmholtz coil and the magnetic field distribution;Measurement of anisotropic magneto resistive sensor field."Holzer effect measure magnetic field distribution" measured "solenoid axis of each point on the Holzer voltage and magnetic field intensity" and "under different excitation current solenoid midpoint Holzer voltage and magnetic field strength", by changing the current direction and the direction of the magnetic field, record the voltage value, using the formula calculated Holzer voltage and magnetic field theory, and then analysis the experimental values and theoretical , and calculated errors."With Helmholtz coil measurement of magnetic field distribution" deduce sensitivity of magneto resistive sensor S; and prove the magnetic field superposition principle. "The output voltage measurement of anisotropic magneto resistive sensor field" measuring sensor respectively toward x+, x-, y+, y-, z+, z- six direction, and then using the formula to calculate the bias magnetic field magnetic induction intensity and horizontal angle, inclination, and analysis errors.From the three experimental magnetic field measurement,we can drawn that: the magnetic field distribution of solenoid magnetic field intensity increased gradually from both ends to the center solenoid, solenoid at both ends of the lateral distribution has a magnetic field, and the variation of magnetic field intensity at the rate of two port solenoid is maximum, the center is minimum . With the increase of the exciting current intensity, voltage and magnetic induction intensity also increased linearly. The magnetic field distribution in the Helmholtz coil are as follows: the magnetic field strength gradually weakened from the center to both sides of the two coil, coil current direction regardless of the direction of the same or opposite direction, magnetic field distribution is so, and the two coil generates a magnetic field strength alone the generation number and equal to the two coil and the magnetic field strength, comply with the superposition principle of magnetic field. Anisotropic magnetoresistive sensor for measuring the magnetic field measured magnetic field Deng jian ru
作者：邓建儒 磁场测定 四川大学电气信息学院 strength 0.45mT, dip into 54.58°.
Keywords: Hall effect；opposite sign；Helmholtz coils；superposition principle；Magneto resistive sensor；sensitivity 引言：1879年，24岁的美国物理学家霍耳在研究载流导体在磁场中所受力的性质时，发现了一种电磁
效应，即如果在电流的垂直方向加上磁场，则在与电流和磁场都垂直的方向上将建立一个电场。这一效应称为霍耳效应。用霍耳元件作探头制成的磁场测量仪器，其测量范围宽、精度高，且频率响应宽。既可测大范围的均匀场，也可测不均匀场或某点的磁场。霍耳元件是一种利用霍耳效应通过把磁信号形式转变为电信号形式以实现信号检测的半导体器件。具有响应快、工作频率高、功耗低等特点。集成开关型霍耳传感器是将霍耳器件、硅集成电路、放大器、开关三极管集成在一起的一种单片集成传感器，可作为开关电路满足自动控制和检测的要求，如应用于转速测量、液位控制、液体流量检测、产品计数、车辆行程检测等。通过研究霍耳效应还可测得霍耳系数，由此能判断材料的导电类型、载流子浓度及载流子迁移率等重要参数，因此霍耳效应也是研究半导体材料的一个重要实验。
近年来，在科研和工业中，磁阻效应被广泛地应用于弱磁场测量。应用领域覆盖了磁场传感和磁力计、电子罗盘、线性和角位置传感器，车辆探测，GPS导航等许多领域，在信息技术中，也广泛用于磁卡感应等信息检测。磁场综合实验仪采用的各向异性磁阻效应传感器灵敏度达到1.0 mV/V/Oe，分别率达到8.5nT，可以准确测量0.000～0.6000mT的磁感应强度。因此，用它探测载流线圈及亥姆霍兹线圈的磁场，准确度比用霍尔元件高。
在地磁场的测定中，地磁场的数值比较小，约10?5T量级，但在直流磁场测量，特别是弱磁场测量中，往往需要知道其数值，并设法消除其影响，地磁场作为一种天然磁源，在军事、工业、医学、探矿等科研中也有着重要用途。本实验采用新型坡莫合金材料制作的各向异性磁阻传感器测定地磁场磁感应强度的大小及方向。从而掌握磁阻传感器的特性及测量地磁场的一种重要方法。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。应用领域覆盖了磁场传感和磁力计、电子罗盘、线性和角位置传感器，车辆探测，GPS导航等许多领域，在信息技术中，也广泛用于磁卡感应等信号检测。
磁场测量综合实验【实验数据及分析】 1．数据记录参考表格
实验仪器编号： XD-HRS21，线圈匝数：N=3535匝，线圈长度：L=152.2mm， 线圈平均直径：D=19.3mm，励磁电流：IM=0.200A，霍尔灵敏度K=230 mV/mA/T 霍耳工作电流：IH=5.00mA.
表1-1 螺线管轴线上各点霍尔电压测量值和磁场强度计算值及误差 零差（IM=0.000A时）：U01=-00.8mV，U02=01.1mV，U03=01.1mV，U04=-00.8mV
1 霍耳效应法测量磁场分布
磁场测量
表1-2 不同励磁电流下螺线管中点霍尔电压测量值和磁场强度计算值及误差 零差（IM=0.000A时）：U01= -00.8mV，U02= 01.1mV，U03= 01.1mV，U04= -00.8mV
2．数据处理
（1）根据式（1-6）计算UH，再根据式（1-3）计算B值，在坐标纸上绘制B~X曲线，分析螺线管轴线磁场的分布规律。
图1-1 B~X曲线
（2）把记录的螺线管长度L、直径D、匝数n和励磁电流I代入计算长直螺线管磁感应强度B的公式
作者：邓建儒 磁场测定 四川大学电气信息学院
B??0
2nI(cos?2?cos?1) （1-8）
其中在螺线管中心处（X=75.0mm）的理论值简化为
B理?
螺线管轴线上端点（X =0.0mm）处的理论值简化为
（1-9）
B理?
（1-9）
图1-2
（3）B～
IM曲线
图1-3 磁感应强度与励磁电流的关系
分析：随着励磁电流强度的增加，磁感应强度也随之增加，且励磁电流强度和磁感应强度呈线性关系。
磁场测量
（4）IH～UH曲线
图1-4 电流与霍尔电压的关系曲
分析：霍尔电压强度随电流强度的增加而增加，且呈线性关系。
磁场测量综合实验2 亥姆霍兹线圈及磁场分布
【实验数据及分析】
（1）磁阻传感器的灵敏度S：
E=5.00V，IM=0.100A，d==80.0mm，U1= 21.8mV，U2= -25.0mV，U= 23.4mV，S= -1.18(m·A)/N。
（2）磁场迭加原理。线圈a、b及a+b轴线传感电压测量值及磁感应强度计算表: E=5.00V，IM=0.100A，d==80.0mm，a=-40.0mm，b=40.0mm，S= -1.18(m·A)/N。
表2-1
（3）改变一个线圈的电流方向后，线圈a、b及a+b轴线传感电压测量值及磁感应强度计算表:
作者：邓建儒 磁场测定 四川大学电气信息学院
E=5.00V，IM=0.100A，d==80.0mm，a=-40.0mm，b=40.0mm，S= -1.18(m·A)/N。
图2-1
磁场测量
图2-2
分析：磁场真正实现完全叠加的位置极少，大部分位置都不完全满足理论叠加原理，但从总体磁场分布情况来讲，磁场大致符合叠加原理。极少位置符合的原因可能是那些区域受外界磁场干扰程度较其它地方小，而其余不完全符合理论叠加原理但大致符合该原理的位置则可能受到外磁场的干扰，如其它亥姆霍兹线圈所产生的磁场或地磁场干扰。
（4）z=60.0mm时，线圈a+b轴线上传感电压测量值及磁感应强度计算表:
E=5.00V，IM=0.100A，d=60.0mm<，a=-30.0mm，b=30.0mm，S= -1.34(m·A)/N。
z=100.0mm时，线圈a+b轴线上传感电压测量值及磁感应强度计算表:
E=5.00V，IM=0.100A，d=100.0mm>，a=-50.0mm，b=50.0mm，S= -1.02(m·A)/N。
磁场测量综合实验3 各向异性磁阻传感器测量地磁场
【实验数据及分析】
E=5.00V，IM=0.000A，d==80.0mm，a=-40.0mm，b=40.0mm，S= -1.18(m·A)/N
表3-1 X、Y、Z三方向电压值
作者：邓建儒 磁场测定 四川大学电气信息学院
由U?
UU2?U1U2?U1
? B? 得： ESES2
Bx??(?1.4?0.2)?(5?1.18)?0.20(mT) Bx??0.20?0.02(mT)
By??(?1.8?0.3)?(5?1.18)?0.25(mT) By??0.25?0.02(mT) Bz??(?2.3?0.4)?(5?1.18)?0.32(mT) Bz??0.32?0.02(mT)
22
B//?Bx?By?0.22?0.252?0.32(mT) B?//?0.32?0.02(mT)
U//?(?2.3)2?0.42?1.92(mV) U?//?1.92?0.02(mV)
??arctg
ByBx
?arctg(0.25?0.2)?51.34? ??=51.34??0.03?
22
?Bz?0.322?0.322?0.45（mT）地磁场的大小B?B// B??0.45?0.02(mT)
磁倾角??arctg
Uz
?arctg(2.7?1.92)?54.58? U//
???54.58??0.03?
实验结论：通电螺线管的磁场分布情况是磁场强度从螺线管两端向中心逐渐增强，螺线管两端的外侧也分布有磁场，且磁场强度的变化率在螺线管两侧端口处为最大，中心处最小。随着励磁电流强度的增加，电压和磁感应强度也做线性增加。磁场在亥姆霍兹线圈中的分布如下：磁场强度从两线圈中心位置向两边逐渐减弱，通进线圈的电流方向不论方向相同还是方向相反，磁场分布规律都是如此，且两个线圈单独所产生磁场强度的代数和大致等于两个线圈同时产生的磁场强度，符合磁场叠加原理。用各向异性磁阻传感器测量地磁场测定出地磁场强度为0.45mT，磁倾角为54.58?。
磁场测量 参考文献（References）：林其壬，赵佑民，《磁路设计原理》【M】，北京，机械工业出版社，1987,85~89 作者简介：邓建儒，男，20岁，四川大学电气信息学院2012级204班学生
学号：2012141441300
联系电话：158xxxxxxxx
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