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通过尝试能够 控造磁阻传感器定标以及丈量地磁


更新时间:2019-11-22  浏览次数:

  尝试五 地磁场测定 一.概述 地磁场做为一种天然磁源,正在军事、航空、帆海、工业、医学、探矿等科研中有着 主要用处。 本仪器采用新型坡莫合金磁阻传感器丈量地磁场的主要参量, 通过尝试能够 控制磁阻传感器定标以及丈量地磁场程度分量和磁倾角的方式, 领会丈量弱磁场的一种 主要手段和尝试方式,本仪器取其他地磁场尝试仪(如正切电流计测地磁场尝试仪)比拟 具有以下长处: 1.尝试转盘颠末细心设想,可动弹,便利地调理程度和铅曲。内转盘相隔 180? , 具有两组逛标,如许既提高了丈量精度,又消弭了偏疼差。 2.新型磁阻传感器的活络度高达 50V/T,分辩率可达 10?7 ~ 10?8 T,不变性好。用本 仪器做尝试,便于学生控制新型传感器定标,及用磁阻传感器丈量弱磁场的方式,丈量 地磁场参量精确度高; 3.本仪器不只可测地磁场程度分量,并且能测出地磁场的大小取标的目的,这是正切电 流计等地磁场尝试仪所不克不及达到的。 本仪器可用于高校、中专的根本物理尝试、分析性设想性物理尝试及演示尝试。 二.仪器手艺要求 1.磁阻传感器 2.亥姆霍兹线.曲流电压表 工做电压 6V,活络度 50V/T 单只线mA 持续可调 量程 0—19.99mV,分辩率 0.01mV 5.丈量地磁场程度分量 6.丈量磁倾角 7.仪器的工做电压 三.仪器外型 不确定度小于 3% 不确定度小于 3% AC 220±10V 2 5 1 3 4 1、恒流源 2、数字电压表 4、亥姆霍磁线Z磁阻传感器输入输出引线 型 磁阻传感器取地磁场尝试仪 (以下尝试课本和尝试成果由复旦大学物理尝试讲授核心供给) 一.简介 地磁场的数值比力小,约 10?5 T 量级,但正在曲流磁场丈量,出格是弱磁场丈量中, 往往需要晓得其数值,并设法消弭其影响,地磁场做为一种天然磁源,正在军事、工业、 医学、 探矿等科研中也有着主要用处。 本尝试采用新型坡莫合金磁阻传感器丈量地磁场 磁强度及地磁场磁强度的程度分量和垂曲分量; 丈量地磁场的磁倾角, 从而掌 握磁阻传感器的特征及丈量地磁场的一种主要方式。 因为磁阻传感器体积小, 活络度高、 易安拆,因此正在弱磁场丈量方面有普遍使用前景。 二.尝试道理 物质正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标的目的时,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标的目的时,此类金属的电阻减小,这就是强磁金属的各向同性磁 阻效应。 HMC1021Z 型磁阻传感器由长而薄的坡莫合金(铁镍合金)制成一维磁阻微电集成 芯片(二维和三维磁阻传感器能够丈量二维或三维磁场)。它操纵凡是的半导体工艺,将 铁镍合金薄膜附着正在硅片上,如图 1 所示。薄膜的电阻率 ? (? ) 依赖于磁化强度 M 和电 流 I 标的目的间的夹角 ? ,具有以下关系式 ? (? ) ? ? ? ? ( ?∥ ? ? ? ) cos2 ? (1) 此中 ?∥ 、? ? 别离是电流 I 平行于 M 和垂曲于 M 时的电阻率。当沿着铁镍合金带的 -2- 长度标的目的通以必然的曲流电流,而垂曲于电流标的目的一个磁场时,合金带本身的 阻值会生较大的变化,操纵合金带阻值这一变化,能够丈量磁场大小和标的目的。同时制做 时还正在硅片上设想了两条铝制电流带,一条是置位取复位带,该传感器碰到强磁场 时,将发生磁畴饱和现象,也能够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, 弥补磁场中的弱磁场部门(当外加磁场较弱时,磁阻相对变化值取 磁强度成平方关系),使磁阻传感器输出显示线Z 磁阻传感器是一种单边封拆的磁场传感器,它能丈量取管脚平行标的目的的 磁场。传感器由四条铁镍合金磁电阻构成一个非均衡电桥,非均衡电桥输出部门接集成 运算放大器,将信号放大输出。传感器内部布局如图 2 所示。图 2 中因为恰当设置装备摆设的四 个磁电阻电流标的目的不不异,当存正在磁场时,惹起电阻值变化有增有减。因此输出电 压 U out 能够用下式暗示为 ? ?R ? U o u t? ? ? ?U b ? R ? (2) Vb 偏置磁场 电流 M +△ R R 铝合金带 θ I 外加磁场 玻莫合金薄膜 外加磁场 R -△ R – △ RR Vout +△ R R + 图 1 磁阻传感器的构制示企图 图 2 磁阻传感器内的惠斯通电桥 对于必然的工做电压,如 U b ? 5.00V ,HMC1021Z 磁阻传感器输出电压 U out 取外 -3- 界磁场的磁强度成反比关系, U out ? U 0 ? KB (3) (3)式中, K 为传感器的活络度, B 为待测磁强度。 U 0 为外加磁场为零时传感 器的输出量。 因为亥姆霍磁线圈的特点是能正在其轴线核心点附近发生较宽范畴的平均磁场区, 所以常用做弱磁场的尺度磁场。亥姆霍磁线圈公共轴线核心点的磁强度为 B? ? 0 NI 8 R 53 / 2 (4) (4)式中 N 为线圈匝数, I 为线圈流过的电流强度, R 为亥姆霍磁线 空磁导率。 四.尝试安拆 丈量地磁场安拆如图 3 所示。它次要包罗底座、转轴,带角刻度的转盘、磁阻传感 器的引线、 亥姆霍磁线圈、 地磁场测定仪节制从机(包罗数字式电压表、 5V 曲流电源等) 五.尝试内容 根基尝试内容 1.将磁阻传感器放置正在亥姆霍兹线圈公共轴线中点,并使管脚和磁强度标的目的平 -4- 行。 即传感器的面取亥姆霍磁线圈轴线垂曲。 用亥姆霍磁线圈发生磁场做为已知量, 丈量磁阻传感器的活络度 K 。 2.将磁阻传感器平行固定正在转盘上,调整转盘至程度(可用水准器)。程度扭转转 盘,找到传感器输出电压最大标的目的,这个标的目的就是地磁场磁强度的程度分量 B∥ 的 标的目的。记实此时传感器输出电压 U 1 后,再扭转转盘,记实传感器输出最小电压 U 2 ,由 U1 ? U 2 / 2 ? KB∥ ,求适当地地磁场程度分量 B∥ 。 3.将带有磁阻传感器的转盘平面调整为铅曲,并使安拆沿着地磁场磁强度程度 分量 B∥ 标的目的放置,只是标的目的转 900。动弹调理转盘,别离记下传感器输出最大和最小 ? ? 时转盘值和程度面之间的夹角 ?1 和 ? 2 ,同时记实此最大读数 U 1 和 U 2 。由磁倾角 ? ? (?1 ? ? 2 ) / 2 计较 ? 的值。 ? ? 4.由 U 1 ? U 2 / 2 ? KB ,计较地磁场磁强度 B 的值。并计较地磁场的垂曲分量 B? ? B sin ? 。 本尝试须留意:尝试仪器四周的必然范畴内不该存正在铁磁金属物体,以丈量 成果的精确性。 六.尝试数据例 亥 姆 霍 兹 线 圈 每 个 线 圈 匝 数 N ? 500 匝 , 线 圈 的 半 径 r ? 10cm ; 线 。 亥姆霍兹线圈轴线上核心的磁强度为(二个线 ? ? I ? 44.96 ? 10?4 I 3/ 2 3/ 2 R5 0.100? 5 式中, B 为磁强度单元 T (特斯拉); I 为通过线圈的电流,单元 A (安培)。 -5- 1. 上海复旦大学校园内,楼外空阔地,丈量地磁场参量。 a. 丈量传感器的活络度 K 表 1 中, 正向输出电压 U 1 是指励磁电流为正标的目的时测得的磁阻传感器发生的输出电 压,而反向 U 2 是指励磁电流为反向时,传感器输出电压, U ? (U1 ? U 2 ) / 2 。测正向和 反向两次,目标是消弭地磁沿亥姆霍兹线圈标的目的(程度)分量的影响。 表 1 室外空阔地上丈量传感器活络度 U / mV 磁强度 励磁电流 I / mA B / 10 T ?4 正向 反向 平均 U / mV U1 / mV 10.0 20.0 30.0 40.0 50.0 60.0 0.4496 0.8922 1.3488 1.7984 2.2480 2.6976 1.87 3.75 5.61 7.44 9.29 11.12 U2 / mV -1.88 -3.77 -5.65 -7.49 -9.37 -11.23 1.875 3.760 5.630 7.465 9.330 11.175 用 Casio ? 3600 计 算 器 进 行 最 小 二 乘 法 拟 合 , 得 到 该 磁 阻 传 感 器 的 灵 敏 度 K ? 41.28V / T ,相关系数为 0.99998。(传感器工做电压取 5V,活络度 K=41V/T,现产 品传感器采用工做电压为 6V,活络度约 50V/T) b. 丈量地磁场的程度分量 B// ;地磁场的磁强度 B总 ;地磁场的垂曲分量 B? ,磁 倾角 ? 。 -6- 方式: (1) 将亥姆霍兹线圈取曲流电源的毗连线) 把转盘刻度调理到角度 ? ? 0 ? 。 (3) 调理底板使磁阻传感器输出最大电压,同时调理底板上螺丝使转盘程度(用仪器配 套的水准仪调理程度)。 ? (4) 测地磁场程度分量:丈量输出电压 U // 和反向转 180? ,测地磁场程度分量 U // ,然 ? 后计较地磁场程度分量 B// ? U // / K ? (U // ? U // ) / 2 K 。 (5) 将转盘垂曲,此时转盘面为地磁子午面标的目的,动弹转盘角度,丈量地磁场的磁 强度 B总 和磁倾角 ? 。丈量磁倾角时须改变角度,求多次丈量的平均值。 表2 磁倾角 ? 值的丈量 44.0 2.03 48.0 2.03 44.5 2.03 48.5 2.03 45.0 2.03 49.0 2.02 46.0 2.03 ? U 总 / mV 43.0 2.02 47.0 2.03 43.5 2.03 47.5 2.03 ? U 总 / mV 间接丈量地磁场程度分量, U // ? 14.1mV , 计较得地磁场程度分量磁强度 B// ? 0.341?10?4 T ,拉菲二登录! 地磁场 U 总=20.3mV ,计较得地磁场磁强度 B总=0.491?10-4 T ,磁倾角 ? ? 46? ; 地磁场垂曲分量磁强度, ? ? B总 Sin? ? 0.491? 10?4 ? Sin460 ? 0.345? 10?4 T ,最 新上海地域地磁场程度分量为 B// ? 0.331?10?4 T ,磁倾角为 ? ? 46? 。误差小于 3% 。 2. 复旦大学物理楼三楼 311 室,丈量地磁场参量。 -7- 表 3 磁阻传感器的定标 磁 励磁电流 强度 I / mA U / mV 平均 正向 反向 U / mV B / 10 T ?4 U1 / mV 2.25 4.52 6.83 9.06 11.30 13.52 U2 / mV -2.38 -4.48 -6.77 -8.98 -11.13 -13.28 2.315 4.500 6.800 9.020 11.215 13.400 10.0 20.0 30.0 40.0 50.0 60.0 0.4496 0.8922 1.3488 1.7984 2.2480 2.6976 用 Casio ? 3600 计较器对 V ? B 曲线V / T ,相关系数为 0.99998。 表 4 地磁场丈量成果 电压 1 序号 2 3 4 5 平均 成果 U 总 U1 / mV U2 / mV 0.95 -3.41 0.08 -2.82 0.95 -3.41 0.08 -2.82 0.95 -3.42 0.08 -2.82 0.95 -3.41 0.08 -2.82 0.95 -3.41 0.08 -2.82 0.95 -3.41 0.08 -2.82 U总 ? 2.18 mV B= 0.441? 10?4 T B= ? U1 / mV U U // ? 1.45mV ? U 2 / mV 0.294? 10?4 T 测得复旦大学物理楼三楼物理尝试室,磁倾角 ? ? 47? 。 用本仪器丈量地磁场程度分量取 1985 年用正切电流计丈量复旦大学物理楼三楼地 -8- 磁场程度分量的成果 B// ? 0.291?10?4 T T 相当分歧, 这间接证明本仪器丈量成果是精确 的。 关于正切电流计丈量地磁场程度分量的尝试方式和丈量成果,请见贾玉润等从编, 大学物理尝试,复旦大学出书社,1987:256-258,成果正在 258 页[例]中列出。 表 5 分歧及分歧布局大楼地磁场程度分量丈量成果 复旦科技园区 2 号楼 丈量 校园内操场空位 物理楼三楼 五楼试制组 1959 年建制 2000 年建制 金属屏障环境 水泥地面无金属 地顶为钢筋水 全钢筋水泥布局 泥,墙为泥砖 测得地磁场程度分量 B// 磁倾角β 六.尝试留意事项 1.丈量地磁场程度分量,须将转盘调理至程度;丈量地磁场 U 总 和磁倾角 ? 时,须将 转盘面处于地磁子午面标的目的。 2. 丈量磁倾角应记实分歧 ? 时,传感器输出电压 U 总 ,应取 10 组 ? 值,求其平均值。 ? 这 是 因 为 测 量 时 , 偏 差 1 ? , U 总 ? U 总Cos1? ? 0.998U 总 变 化 很 小 , 偏 差 4 ? , ? U 总 ? U 总Cos 4 ? ? 0.998U 总 ,所以正在误差 1 ? 至 4 ? 范畴 U 总 变化极小,尝试时应测出 U 总 变 0.341×10 ? 4 T 46.0 ? 0.294×10 ? 4 T 46.0 ? 0.268×10 ? 4 T 46.0? 化很小 ? 角的范畴,然后求得平均值 ? 。 七.思虑题 -9- 1.磁阻传感器和霍耳传感器正在工做道理和利用方式方面各有什么特点和区别? 2.若是正在丈量地磁场时,正在磁阻传感器四周较近处,放一个铁钉,对丈量成果将发生 什么影响? 3.为何坡莫合金磁阻传感器碰到较强磁场时,其活络度会降低?用什么方式来恢复其 本来的活络度? 八. 1.贾玉润、王公治、凌偑玲从编。大学物理尝试,上海复旦大学,1987:492-493 2.鲁绍曾、现代计量学概论。,中国计量出书社,1987:492-493 3.黄一菲、郑神、吴亮、陆申龙,玻莫合金磁阻传感器的特征研究和使用、物理尝试。 第 22 卷第 4 期,2002 ,4:45-48 4.Honeywell 公司,固态传感器(磁阻传感器部门)仿单,2001 5.沈元华、陆申龙从编,根本物理尝试,:高档教育出书社,2003 6.黄德星。磁器件及其使用[M]。: 科学出书社,1987 7. 里夫、王秀琴等编著,常用物理手册、云南人平易近出书社、 1983、10:157- 158 - 10 - 附录 1:地磁场 地球本身具有磁性,所以地球和近地空间之间存正在着磁场,叫做地磁场。地磁场的 强度和标的目的随地址(以至随时间)而异。 地磁场的北极、 南极别离正在地舆南极、 北极附近, 相互并不沉合,如图 5 所示,并且两者间的误差随时间不竭地正在迟缓变化。地磁轴取 地球自转轴并不沉合,有 11 0 交角。 正在一个不太大的范畴内,地磁场根基上是平均的,可用三个参量来暗示地磁场的方 向和大小(如图 6 所示): (1) 磁偏角 ? ,地球概况任一点的地磁场矢量所正在垂曲平面(图 6 中 B// 取 Z 形成的平 面,称地磁子午面),取地舆子午面(图 6 中 X、Z 形成的平面)之间的夹角。 磁南极 地舆北极 α X B∥ O β y B⊥ B 地舆南极 磁北极 Z 图5 图6 ? ? (2) 磁倾角 ? ,磁场强度矢量 B 取程度面(即图 6 的矢量 B 和 OX 取 OY 形成平面的夹 角)之间的夹角。 ? (3) 程度分量 B// ,地磁场矢量 B 正在程度面上的投影。 ? 丈量地磁场的这三个参量, 就可确定某一地址地磁场 B 矢量的标的目的和大小。 当然这 - 11 - 三个参量的数值随时间不竭地正在改变,但这一变化极其迟缓,极为微弱。 附录 2:我国一些城市的地磁参量(地磁要素) 地舆 地名 北纬 沈阳 天津 太原 济南 郑州 西安 南京 上海 成都 武汉 安庆 47?22′ 43?51′ 41?50′ 39?56′ 39?05′.9 37?51′.9 36?39′.5 36?03′.4 34?45′ 34?16′ 32?03′.8 31?11′.5 30?38′ 30?37′ 30?32′ 东经 123?59′ 126?36′ 123?28′ 116?20′ 117?11′ 112?33′ 117?01′ 103?48′ 113?43′ 108?57′ 118?48′ 121?26′ 104?03′ 114?20′ 117?02′ D(偏西) 7?34′ 7?30′ 6?49′ 4?48′ 4?04′ 3?18′ 3?36′ 1?15′ 0?18′ 3?02′ 1?42′ 3?13′ 0?58′ 2?23′ 64?27′ 60?20′ 58?43′ 57?23′ 56?21′ 55?11′ 53?06′ 53?24′ 50?43′ 50?29′ 46?43′ 45?25′ 45?06′ 44?34′ 44?27′ 磁倾角 磁倾角 I (10 ? 4 T) 0.242 0.266 0.277 0.289 0.293 0.301 0.308 0.312 0.320 0.323 0.331 0.333 0.346 0.343 0.341 1911 1932 1932 1922 1936 1916 1932 1915 年份 1916 1916 程度强 B∥ 测定 - 12 - 杭州 南昌 长沙 福州 桂林 昆明 广州 30?16′ 28?42′.4 28?12′.8 26?02′.2 25?17′.7 25?04′.2 23?06′.1 120?08′ 115?51′ 112?53′ 119?11′ 110?12′ 102?42′ 113?28′ 2?59′ 1?51′ 0?50′ 1?43′ 0?05′ 0?04′ 0?47′ 44?05′ 41?49′ 41?11′ 27?28′ 36?13′ 35?19′ 31?41′ 0.337 0.349 0.352 0.355 0.366 0.372 0.375 1917 1917 1907 1917 1907 1911 上海复旦天欣科教仪器无限公司 FD-HMC-2 型磁阻传感器取地磁场尝试仪 拆 箱 清 单 日期: 名 称 数量 1台 您采办的产物取拆箱清单中能否合适,请验收。 年 月 日 备注 含电流源和数字电压表 含磁阻传感器和亥姆霍兹线套 - 13 - 3、电源线、橡焦叉头毗连线根 1只 1份 1份 红色 黑色 - 14 -


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