新型磁阻传感器测量地磁场实验的教学探讨

2013-10-25徐友冬

大学物理实验 2013年3期

徐友冬

（淮海工学院，江苏连云港 222005）

地磁场作为一种天然磁源，在地球物理、军事、航空、航海、医学、探矿等领域中有着非常重要的用途。我们往往需要准确的知道地磁场的大小和方向。但是地磁场是一种很弱的磁场，数值约为10T量级，而且在地球上不同的地方，其大小和方向也有所不同，这就给精确测量带来了难度。以前一般是采用正切电流计来测定地磁场的水平分量［1］，由于仪器体积大，操作复杂，误差大，在科研中用的较少。

本文用一种新型磁阻传感器（HMC1021Z型）测量地磁场。由于这种磁阻传感器体积小，灵敏度高，易安装，而且其磁场线性范围为±6×10T，能检测到低至8.5×10T的磁场，所以在弱磁场的精确测量方面应用前景广泛。这种传感器不仅可准确的测地磁场的水平分量，而且可测出地磁场的大小和方向，这是正切电流计等方法所不能达到的。本文将用HMC1021Z型磁阻传感器来测量地磁场的主要参量。特别是笔者在确定地磁子午面方向和测量磁倾角上提出了新的实验方法，该方法测量误差小，精确度高，简单易行［2－6］。

1 磁阻传感器的工作原理

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［7］。

本实验采用Honeywell公司的一维磁阻传感器HMC1021Z。该型传感器是利用半导体工艺，将坡莫合金（铁镍合金）薄膜沉积在硅片上。薄膜的电阻依赖于电流与磁化方向之间的夹角。当电流与磁化方向平行时，电阻最大记为Rmax；当电流与磁化方向垂直时时，电阻最小记为Rmin；一般情况，电流与磁化方向夹角为θ时，电阻可用如下关系式表示

磁阻传感器由四个相同的铁镍合金磁电阻构成一个惠斯通电桥，内部结构如图1所示。

图1 磁阻传感器内的惠斯通电桥

惠斯通的工作电压为Vb，四个磁电阻中有电流流过。在电桥上施加一个偏置磁场，该磁场方向即为易磁化轴方向。若沿与易磁化轴垂直的方向（磁敏感方向或传感器的管脚方向）施加外磁场B，使得两个相对放置的电阻器的磁化方向朝着电流方向转动，引起这两个电阻阻值增大；另外两个相对放置的的电阻阻值减小。这样传感器的输出电压可表示为

上式中，V0为没有磁场或外加磁场方向与磁敏感方向垂直时传感器自身的漂移输出；K称为磁阻传感器的灵敏度，B为外部磁场在磁敏感方向（管脚方向）上的投影。显然，当外加磁场方向与管脚方向平行时电桥输出的电压达到极值。换句话说，当磁阻传感器的输出电压达到最大Vmax或最小Vmin时，管脚的方向即为外加磁场的方向。最大Vmax和最小Vmin分别可表示为

（4）和（5）两式相减可得所测磁感应强度

（4）和（5）两式相加可得到V0

由以上分析可知：施加一定的外加磁场，磁阻传感器的电压输出分别为V0和极值时管脚的方向相差90°。

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计量标准［2］。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μ0为真空磁导率；N为线圈匝数；R为线圈的半径；I为线圈流过的电流。实验中是通过用亥姆霍兹线圈产生的磁场作为已知量来给磁阻传感器定标的。

图2 磁阻传感器灵敏度的拟合直线图

2 用磁阻传感器测量地磁场强度

2.1 测量磁阻传感器的灵敏度

将磁阻传感器放在亥姆霍兹线圈公共轴线中点，并调节转盘刻度到θ＝0°使得磁阻传感器的管脚和磁感应强度的方向平行，而且调节底板上螺丝使转盘至水平（用水准仪指示）。调节亥姆霍兹线圈中的电流并同时记录相应的输出电压。实验中，亥姆霍兹每个线圈匝数N＝500匝，线圈的半径R＝0.1m，真空磁导率μ0＝4π×10T·m／A。测量结果见表1。

表1 传感器灵敏度的测定

表1中，V1和V2分别表示电流正向和反向时的输出电压。用Excel软件作B-的线性拟合，如图2所示。可得到灵敏度K为59.99V／T，其灵敏度高，线性度也很好。

2.2 测量地磁场强度

实验方法如下：

（1）将亥姆霍兹线圈与直流电源的连线拆去，并使装置远离主机。

（2）使转盘至水平（用水准仪指示），旋转转盘，分别记下传感器输出的最大电压V1和最小电压V2，计算出地磁场的水平分量／2K。

（3）把转盘刻度调节到角度θ＝0°，旋转底板使磁阻传感器输出最大电压U1和最小电压U2，继续旋转底板使电压输出到V0（U1＋U2）／2，再把装置底板转90°，此时传感器的管脚方向即为地磁场的水平分量的方向。

（5）地磁场的垂直分量B⊥＝B·sinβ。

在实验中，误差一个主要的来源是确定地磁场的子午面方向以及磁倾角。由于当磁阻传感器的管脚和外加磁场平行时，传感器输出电压达到极值，以前的方法［3－7］通过直接找到输出电压达到极值时所对应的位置，此时管脚的方向即为磁场的方向。但是在电压极值附近，角度变化是缓慢的，换句话说，在相当大的角度范围内，电压的极值没有变化，这就给测量带来了误差。减小误差的方法是取平均值。而在这篇文章里，笔者提出了一种新的可行的方法，基本思路是：先是找到输出电压V0＝（Vmax＋Vmin）／2所对应的位置即管脚方向与外加磁场垂直的位置，然后再把管脚方向转过90°，就能准确得到了外加磁场的方向。这种方法避免了电压极值附近角度变化缓慢的情况，测量的精确度提高了。