实验15 磁阻传感器与地磁场测量

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。地磁场的数值比较小，约T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、探矿等众多领域有着广泛的应用。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场的水平分量和垂直分量；测量地磁场的磁倾角。从而掌握磁阻传感器的特性及测量地磁场的一种方法。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的应用前景。

实验目的和学习要求

1. 了解什么是磁阻效应？磁阻效应的物理机制？

2．了解HMC1021Z型磁阻传感器的结构原理及特性；

3. 用磁阻传感器测定地磁场磁感应强度及地磁场的水平分量和地磁倾角。

实验原理

1.地磁场

地球磁场跟地球引力场一样，是一个地球物理场，它是由基本磁场与变化磁场两部分组成的。基本磁场是地磁场的主要部分，起源于地球内部，比较稳定，变化非常缓慢。变化磁场包括地磁场的各种短期变化，与电离层的变化和太阳活动等有关，并且很微弱。

地磁场也是一个向量场。描述空间某一点地磁场的强度和方向，需要3个独立的地磁要素。常用的地磁要素有7个，即地磁场总强度B，水平强度B∥，垂直强度B⊥，X和Y分别为B∥的北向和东向分量，α和β分别为磁偏角和磁倾角。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15-1.5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11o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空间某一点地磁场的方向和大小(如图15-1.6所示)：

磁偏角α：地球表面任一点的地磁场矢量所在垂直平面(图6中B∥与Z构成的平面，称地磁子午面)，与地理子午面(图6中X、Z构成的平面)之间的隔角。

磁倾角β：地磁场强度矢量B与水平面(即图6中的O-XY平面)之间的夹角。

水平分量B∥：地磁场矢量B在水平面上的投影。

测量地磁场的这三个参量，就可确定某一地点地磁场B矢量的方向和大小。当然这三个参量的数值随时间不断地在改变，但这一变化极其缓慢微弱。地球磁场不是孤立的，它受到外界扰动的影响，地球磁层是一个颇为复杂的问题，其中的物理机制有待于深入研究。随着科学技术的发展，人类渴望全面认识地球的强烈愿望将逐步成为现实。

2. 磁阻效应

磁阻效应是指置于磁场中的某些金属或半导体的电阻值随外加磁场变化而变化的现象。

同霍尔效应一样，磁阻效应也是由于载流子在磁场中受到洛伦兹力而产生的。如图所示的长方形半导体薄片（N型）处于图示方向的磁场中，设CD方向通有直流电流，半导体内的载流子将受到洛仑兹力的作用而发生偏转。在达到稳态时，某—速度的载流子所受到的电场力与洛伦兹力相等，载流子在A、B两端聚集产生霍尔电场，比该速度慢的载流子将向电场力方向偏转，比该速度快的载流子则向洛伦兹力方向偏转。这种偏转导致载流子的漂移路径增加。或者说，沿外加电场方向运动的载流子数减少，从而使电阻增加，这种现象称为磁阻效应。

若外加磁场与外加电场垂直，称为横向磁阻效应；若外加磁场与外加电场平行，称为纵向磁阻效应。一般情况下，载流子的有效质量的驰豫时间与方向无关，则纵向磁感强度不引起载流子偏移，因而无纵向磁阻效应。

目前，磁阻效应广泛用于磁传感、磁力计、电子罗盘、位置和角度传感器、车辆探测、GPS导航、仪器仪表、磁存储(磁卡、硬盘)等领域。尽管不同的磁阻装置有不同的灵敏度，但其电阻的相对变化率△R/R与外磁场的关系都是相似的，其关系如图所示。

可见磁阻效应对外磁场的极性不灵敏，即正负磁场的响应相同；在外加磁场较小时△R／R与磁场强度的平方成正比，之后有一段线性区域，但当外加磁场超过特定值时，响应趋于饱和。另外△R／R对总磁场的方向很灵敏，总磁场为外磁场与内磁场之和，而内磁场与磁阻薄膜的性质及几何形状有关。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。

3.磁阻传感器

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同时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15-1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

(15-1)

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，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直流电桥，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15-2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。因而输出电压可以用下式表示为 (15-2)

图15-4磁电阻的构造示意图　 图15-5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，

(15-3)

15-3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。

4.标准磁场

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。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由下式给出：

(15-4)

（15-4）式中为线圈匝数，为线圈流过的电流强度，为亥姆霍兹线圈的平均半径，为真空磁导率。真空磁导率=4π×10N/A。

实验装置

测量地磁场装置主要包括底座、转轴，带有角度刻度的转盘、磁阻传感器及引线、亥姆霍兹线圈、地磁场测定仪的控制主机(包括数字式电压表、5V直流电源等)

实验内容

1.测量磁阻传感器的灵敏度

① 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θ=0o，使传感器的感应面与亥姆霍兹线圈轴线垂直。

② 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。

③ 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。表15-1中正向输出电压U是指励磁电流正向输入时测得的磁阻传感器产生的输出电压，而反向U是指励磁电流为反向时传感器输出电压。测正向和反向两次的目的是消除地磁沿亥姆霍兹线圈轴线方向(水平)分量的影响。改变电流方向时，应先调解电流输出为零，再改变电流输入方向

=(U-U)/2。

④ 做图进行拟合，根据得出该磁阻传感器的灵敏度K。或用计算器进行最小二乘法拟合，根据得出该磁阻传感器的灵敏度K。

表15-1 测量磁阻传感器的灵敏度K

2．测量地磁场的水平分量B∥

① 将亥姆霍兹线圈与直流电源的连接线拆去；，调节底板上螺丝使转盘水平(可用水准器指示)。

② 调节角游标对准零刻度线（θ=0o）），水平转动实验装置底盘，找到传感器输出电压最大方向，此时传感器管脚与地磁场磁感应强度水平分量的方向一致。

③ 记录此时传感器输出最大电压后，再旋转带有磁阻传感器的内转盘约1800，找到传感器输出电压最小方向，记录传感器输出最小电压。

④ 由，求得当地地磁场水平分量。

3．测量地磁场的磁感应强度B总；地磁场的垂直分量B⊥及磁倾角β。

① 保持传感器管脚与地磁场磁感应强度的水平分量的方向一致；

② 将带有磁阻传感器的转盘平面调整为铅直，此时转盘面处于地磁子午面方向，角游标对准零刻度线；

③ 转动调节转盘，分别记下传感器输出最大读数和最小时读数，同时记录传感器输出最大和最小时转盘角度指示值和。

由磁倾角计算的值。由，计算地磁场磁感应强度B总的值。并计算地磁场的垂直分量。

* 测量磁倾角记录β时，应取多组不同数据，求其平均值。这是因为测量时，若偏差1o，传感器输出电压U总'=U总Cos1o=0.9998U总，变化很小；若偏差4o，则

U"总=UCos4o=0.998U。所以在偏差1o至4o范围U总变化极小，实验时应测出U变化很小时β角的范围，然后求得平均值。（请自行设计数据记录的表格）

实验参数数据

亥姆霍兹线圈每个线圈匝数N=500匝，线圈的半径r=10.00cm，

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)：

式中B为磁感应强度，单位T(特斯拉)；I为通过线圈的电流，单位A(安培)

思考题

1.什么是磁阻效应？简述磁阻效应的物理机制？

2.说明HMC1021Z磁阻传感器的结构特点和输出特性？

3.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？

4.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？

实验注意事项

1．测量地磁场水平分量，须将转盘调节至水平；测量地磁场B总和磁倾角β时，须将转盘面处于地磁子午面方向。

2． 实验仪器周围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。

3． 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。这时可按“复位”按钮使恢复到原灵敏度。

4. 带有磁阻传感器的转盘平面的水平和铅直调整要仔细到位，以免影响测量结果。

磁阻传感器与地磁场测量