用磁阻传感器测量地磁场
地磁场的数值较小约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磁阻传感器测定地磁场磁感应强度及地磁磁感应强度的水平分量和垂直分量；测量地磁场的磁倾角。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]
1．了解磁阻传感器的特性；
2．掌握测量地磁场的一种重要方法。
[实验原理]
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。
HMC1021Z型磁阻传感器是由长而薄的坡莫合金(铁镍合金)制成的一维磁阻微电路集成芯片，其坡莫合金膜，如图1所示，该薄膜的电阻率r(q)依赖于磁化强度M和电流I方向的夹角q，具有以下关系式
(1)
其中
分别是电流I平行于M和垂直于M时的电阻率。当沿着坡莫合金膜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，坡莫合金膜的电阻值会发生较大的变化，利用这一变化，可以测量磁场的大小和方向。
HMC1021Z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构成一个非平衡直流电桥(关于直流电桥，请阅实验 )，非平衡电桥输出部分接集成运算放大器，将信号放大输出，如图5-50所示。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Uout可以用下式表示：
(2)
式中Ub是电桥的工作电压，DR/R是外磁场引起的磁电阻阻值的相对变化。
图2 磁阻传感器内的惠斯通电桥
对于一定的工作电压如Ub=5.00V，HMC1021Z磁阻传感器输出电压U与外界磁场的磁感应强度成线性关系，即
(3)
(3)式中，K为传感器的灵敏度，B为待测磁感应强度，U0为外加磁场为零时传感器的输出电压。
为了确定磁阻传感器的灵敏度，需要有一个标准磁场来定标。为此，可采用亥姆霍兹线圈(详见实验 )。亥姆霍兹线圈公共轴线中心点位置的磁感应强度B由下式给出：
(4)
(4)式中N为线圈匝数，I为线圈流过的电流强度，R为亥姆霍兹线圈的平均半径，m0为真空磁导率。
[实验装置]
测量地磁场装置如图3和图4所示。它主要包括底座、转轴，带量角器的转盘、磁阻传感器及引线、亥姆霍兹线圈及电源、地磁场测量仪(包括数字电压表、
5V直流电源及用于复位的电脉源)等。
实验步骤
一、准备
1. 亥姆霍兹线圈不通电,底座、转盘调水平，转盘置于零度。
2. 传感器是否调零无所谓。
二、定标（确定K值）
3. 给线圈接线，分别通10mA20mA….60mA,分别读出传感器输出电压。
4. 电流回零，换向后分别通10mA20mA….60mA,分别读出传感器输出电压。
5. 断电，拆线，按下复位键。
三、测量地磁场水平分量
6. 转动底座但转盘不转，找出传感器电压读数最大值和小值。
计算地磁场水平分量：
四、测量地磁场总B和磁顷角
7. 底座保持在传感器读数最大或最小方向，转盘竖直，转动内盘，分别记下传感器输出最大和最小时转盘指示值和水平面之间的夹角b1和b2，同时记录此最大读数
和
。由磁倾角
计算b值。
参考表格
表1中，正向输出电压
是指励磁电流为正方向时测得的磁阻传感器产生的输出电压，而反向
是指励磁电流为反向时，传感器输出电压，
。测正向和反向两次,目的是消除地磁沿亥姆霍兹线圈方向(水平)分量的影响。
表1测量传感器灵敏度
用
计算器进行最小二乘法拟合，得到该磁阻传感器的灵敏度
，相关系数为0.99998。(传感器工作电压取5V，灵敏度K=41V/T,现产品传感器采用工作电压为6V,灵敏度约50V/T)
表2 地磁场测量结果
表3 磁倾角
值的测量
3．将带有磁阻传感器的转盘平面调整为铅直，并使装置边缘L沿着地磁磁感应强度水平分量B//方向放置，只是方向转90°(怎样调节可以达到此要求？)。
4．由
，计算地磁场磁感应强度B的值。并计算地磁场的垂直分量
。
本实验须注意：
(1)实验仪器周围的一定范围内不应存在铁磁金属物体，以保证测量结果的准确性。
(2)本磁阻传感器遇强磁场时，会产生磁畴饱和现象，使灵敏度降低。这时应按“复位”按钮，可使它恢复到原灵敏度。
（3）测量地磁场水平分量，须将转盘调节至水平；测量地磁场
和磁倾角时，须将转盘面处于地磁子午面方向。
（4） 测量磁倾角应记录不同时，传感器输出电压，应取10组值，求其平均值。这是因为测量时，偏差
，
变化很小，偏差
，
,所以在偏差至范围变化极小，实验时应测出变化很小角的范围，然后求得平均值
。
[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．如果在测量地磁场时，在磁阻传感器周围较近处，放一个铁钉，对测量结果将产生什么影响？
3．为何坡莫合金磁阻传感器遇到较强磁场时，其灵敏度会降低？用什么方法可恢复其原来的灵敏度？
第二篇：[实验报告]磁阻传感器和地磁场的测量
磁阻传感器和地磁场的测量
一．实验目的
掌握磁阻传感器的特性。
掌握地磁场的测量方法。
二．实验原理
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。
HMC1021Z型磁阻传感器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6-8-1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
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。
HMC1021Z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6-8-2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
磁阻传感器的构造示意图 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，
上式中，
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量。
由于亥姆霍兹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。亥姆霍兹线圈公共轴线中心点位置的磁感应强度为：
上式中N为线圈匝数（500匝）；亥姆霍兹线圈的平均半径
；真空磁导率
。
三． 实验步骤
1、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。即传感器的感应面与亥姆霍兹线圈轴线垂直。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。
2、将磁阻传感器平行固定在转盘上，调整转盘至水平(可用水准器指示)。水平旋转转盘，找到传感器输出电压最大方向，这个方向就是地磁场磁感应强度的水平分量
的方向。记录此时传感器输出电压
后，再旋转转盘，记录传感器输出最小电压
，由
，求得当地地磁场水平分量。
3、将带有磁阻传感器的转盘平面调整为铅直，并使装置沿着地磁场磁感应强度水平分量方向放置，只是方向转900。转动调节转盘，分别记下传感器输出最大和最小时转盘指示值和水平面之间的夹角
和
，同时记录此最大读数
和
。由磁倾角
计算
的值。
4、由
，计算地磁场磁感应强度的值。并计算地磁场的垂直分量
。
四． 实验数据与数据处理
测量传感器灵敏度K
用最小二乘法拟合，得K=49.1V/T 相关系数为r=0.998
测量磁倾角
测得磁倾角为45
测量地磁场B
由
，
算得磁倾角为
=40
五． 实验结果
首先测得了磁阻传感器灵敏度K=49.1V/T，相关系数为r=0.998，所以最小二乘法拟合获得了比较理想的结果。 直接测磁倾角测得=45 。由，间接测得=40 。与参考数据44
相比，相对误差分别为1%，与11% ，后者误差较大。 测得武汉大学物理学院5楼处地磁场水平强度为0.305×10-4T， 与参考数据0.343×10-4T相比，相对误差为12% 。测得地磁场总强度为0.409×10-4。
六． 误差分析
由于在室内进行处理，周围的铁磁性物质及建筑物都会对地磁场造成影响。此外还有仪器误差，操作者所用的磁阻传感器接触不良，有时在同一个角度处两次测量会显示不同的值。