线性磁场装置的研制及实验研究

周佳妮，钱翼刚，尚 荣

(上海工程技术大学，上海 201620)

线性磁场因其磁感应强度与位移成线性关系，从而有了重要的应用前景，特别在传感领域［1］，如测量微小位移和形变［2］等，也可将线性磁场应用于制造线性磁力［3］，拓宽其应用前景。本装置通过两个环形通电线圈获取线性磁场，并且可以通过改变线圈匝数、线圈半径、电流强度等参量来改变磁感应强度的线性响应关系，从而使线性磁场在未来的应用方面具有良好的适应性与灵活性。

1 线性磁场装置及原理

实验将两匝数及半径相同的环形线圈，相向平行同轴放置，两线圈之间的距离等于线圈半径，通以大小相同，方向相反的电流。用霍尔传感器［4-6］配以高灵敏度数字式毫特仪［7］，测量线圈中心轴线上的磁感应强度，米尺确定霍尔传感器位置。

单一载流线圈通过线圈圆心并与线圈平面垂直的直线上某点的磁感应强度为

其中，μ0为真空磁导率，R为线圈的平均半径，X为该点到线圈圆心的距离，N为线圈匝数，I为通过线圈的电流。

设两线圈间轴线中点为坐标原点，Z为本装置轴线上某点到原点的距离，根据磁场迭加原理，该点的磁感应强度为两线圈在此处磁感应强度的线性迭加［8］，即

对此函数用计算机软件几何画板作图，发现在坐标原点附近，磁感应强度B与Z成线性关系，见图1。

图1 磁感应强度B与Z的函数图像

2 实验分析

本实验装置采用两匝数N=500及半径R=10.00 cm的环形线圈，通以200 mA电流，配以霍尔传感器磁感应强度测定仪和米尺，测得实验数据见表1，用origin软件作图见图2。

表1 磁感应强度B与Z的实验数据

图2 B与Z的函数关系图

将此组数据选择函数B=a+bZ进行线性拟合，得

表2 不同Z围内的相关系数

从表2和图2可知，当z取值越接近于中心0点处，B-Z函数的线性相关度越高。当Z的绝对值大于4.00 cm时，B-Z函数点有明显偏离线性函数的趋势，故所取最佳线性段区域在两线圈轴线上Z属于 －4.00 cm到 +4.00 cm之间。

3 结 论

本文研制的线性磁场实验装置在两环形线圈之间的共轴上可获得很好的线性磁场，越接近于坐标原点处，线性越好。因为线圈之间的距离正好等于圆形线圈的半径R，故增加R的大小，即可相应扩大B-Z函数的线性段区域。同时可以根据具体应用所需精度要求，适当选取改变线圈的匝数和电流的大小，进一步提高磁场线性响应程度。在未来的传感器应用方面，该线性磁场装置仪器具有良好的适应性与灵活性。

［1］张宝贵.巨磁电阻传感器在磁场线性测量领域中的应用［J］.电子世界，2013，(20):56.

［2］刘荣先，李凡，崔守鸷.霍尔式直线小位移传感器的设计［J］.扬州大学学报:自然科学版，2013，(04):47-50.

［3］姚孝寒.差分磁场结构线性磁力分析及实验［J］.机电工程技术，2010，(07):59-60+144+194.

［4］饶益花.霍尔传感器及其在物理实验中的应用［J］.大学物理实验，2004，(03):1-3.

［5］杨春振，石茂林.基于新型霍尔传感器的高精度直流隔离传送与检测［J］.大学物理实验，2013，3:48-51.

［6］尹少英，杨幼桐.霍尔传感器法测量金属线胀系数［J］.大学物理实验，2012，2:20-22.

［7］张欣.高灵敏度数字式毫特仪的研制及在亥姆霍兹线圈磁场测量中的应用［J］.大学物理实验，2001，(4):34-38.

［8］马文蔚.物理学(上册)［M］.5版，北京:高等教育出版社，2006，1:234-256.