实验五-地磁场测定.docx

实验五 地磁场测定一．概述 地磁场作为一种天然磁源，在军事、航空、航海、工业、医学、探矿等科研中有着 重要用途本仪器采用新型坡莫合金磁阻传感器测量地磁场的重要参量，通过实验可以 掌握磁阻传感器定标以及测量地磁场水平分量和磁倾角的方法，了解测量弱磁场的一种 重要手段和实验方法，本仪器与其他地磁场实验仪（如正切电流计测地磁场实验仪）相比 具有以下优点：1．实验转盘经过精心设计，可自由转动，方便地调节水平和铅直内转盘相隔180 ， 具有两组游标，这样既提高了测量精度，又消除了偏心差2 •新型磁阻传感器的灵敏度高达50V/T，分辨率可达10-7〜10-8T ,稳定性好用本 仪器做实验，便于学生掌握新型传感器定标，及用磁阻传感器测量弱磁场的方法，测量 地磁场参量准确度高；3．本仪器不仅可测地磁场水平分量，而且能测出地磁场的大小与方向，这是正切电 流计等地磁场实验仪所不能达到的本仪器可用于高校、中专的基础物理实验、综合性设计性物理实验及演示实验二．仪器技术要求1．磁阻传感器工作电压6V ,灵敏度50V/T2．亥姆霍兹线圈单只线圈匝数 N=500 匝，半径 10cm.3．直流恒流源输出电流 0—200.0mA 连续可调4．直流电压表量程 0—19.99mV，分辨率 0.01mV5．测量地磁场水平分量 不确定度小于 3%6．测量磁倾角7．仪器的工作电压不确定度小于 3%AC 220±10V三．仪器外型2513EJL34、亥姆霍磁线1、恒流源2、数字电压表3、HMC1021Z磁阻传感器输入输出引线5、刻度盘FD-HMC-2 型 磁阻传感器与地磁场实验仪（以下实验讲义和实验结果由复旦大学物理实验教学中心提供）一．简介地磁场的数值比较小，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量地磁场 磁感应强度及地磁场磁感应强度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重要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应用前景二．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1所示薄膜的电阻率p（9）依赖于磁化强度M和电 流I方向间的夹角9，具有以下关系式p （9） = p + （p - p ）cos2 9 （ 1）丄 〃 丄其中p、p分别是电流I平行于M和垂直于M时的电阻率当沿着铁镍合金带的〃 丄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2 所示图2 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U可以用下式表示为outUoutX Ub(2)电铝合金带+out++外加磁场玻莫合金薄膜偏置磁场外加磁场图1 磁阻传感器的构造示意图图 2 磁阻传感器内的惠斯通电桥对于一定的工作电压，如U二5.00V , HMC1021Z磁阻传感器输出电压U 与外b out界磁场的磁感应强度成正比关系，U 二 U + KB ( 3 )out 0(3) 式中，K为传感器的灵敏度，B为待测磁感应强度U°为外加磁场为零时传感 器的输出量。

由于亥姆霍磁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磁线圈公共轴线中心点位置的磁感应强度为4)B 3丄R 53/2(4 )式中N为线圈匝数，I为线圈流过的电流强度，R为亥姆霍磁线圈的平均半径， 卩为真空磁导率0四．实验装置测量地磁场装置如图 3 所示它主要包括底座、转轴，带角刻度的转盘、磁阻传感器的引线、亥姆霍磁线圈、地磁场测定仪控制主机(包括数字式电压表、5V直流电源等)五．实验内容基本实验内容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磁线圈轴线垂直用亥姆霍磁线圈产生磁场作为已知量， 测量磁阻传感器的灵敏度K2．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 B 的〃方向记录此时传感器输出电压U后，再旋转转盘，记录传感器输出最小电压U，由12U -U 1/2 = KB ，求得当地地磁场水平分量B1 1 2 // 〃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B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0和0 ，同时记录此最大读数U '和U’由磁倾角1 2 1 20二（0 +0 ）/2计算0的值124 •由U - U ' /2 = KB，计算地磁场磁感应强度B的值并计算地磁场的垂直分量1 2B = B sin 0丄本实验须注意：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 结果的准确性六．实验数据例亥姆霍兹线圈每个线圈匝数N二500匝，线圈的半径 r = 10cm ;真空磁导率 p =4兀 x 10-7 N / A20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）8 卩 NI 8 x 4k x 10-7 x 500B = o = x I = 44.96 x 10-41R53/2 0.100 x 53/2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）1. 上海复旦大学校园内，楼外空旷地，测量地磁场参量a. 测量传感器的灵敏度 K表1中，正向输出电压U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 1压，而反向U是指励磁电流为反向时，传感器输出电压，U二（U -U ）/2。

测正向和2 1 2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 室外空旷地上测量传感器灵敏度励磁电流I / mA磁感应强度B/10 -4 TU / mV平均U /mV正向U / mV1反向U / mV210.00.44961 . 87-1.881.87520.00.89223.75-3.773.76030.01.34885.61-5.655.63040.01.79847.44-7.497.46550.02.24809.29-9.379.33060.02.697611.12-11.2311.175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二41.28V/T，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）b•测量地磁场的水平分量b ;地磁场的磁感应强度B ;地磁场的垂直分量b，磁// 总 丄倾角0方法：(1) 将亥姆霍兹线圈与直流电源的连接线拆去2) 把转盘刻度调节到角度9 = 03) 调节底板使磁阻传感器输出最大电压，同时调节底板上螺丝使转盘水平(用仪器配套的水准仪调节水平)。

4) 测地磁场水平分量:测量输出电压U和反向转180测地磁场水平分量U ，然// //后计算地磁场水平分量B = U /K = (U -U ')/2K// // // //(5) 将转盘垂直，此时转盘面为地磁子午面方向，转动转盘角度，测量地磁场的磁感应强度B总和磁倾角0测量磁倾角时须改变角度，求多次测量的平均值总表 2 磁倾角 0 值的测量043.043.544.044.545.046.0U / mV 总2.022.032.032.032.032.03047.047.548.048.549.0U / mV 总2.032.032.032.032.02直接测量地磁场水平分量，U = 14.1mV，//计算得地磁场水平分量磁感应强度B = 0.341 x 10-4T，//地磁场U =20.3mV，计算得地磁场磁感应强度B =0.491 x 10-4T，磁倾角0 = 46 总总地磁场垂直分量磁感应强度，B = B^Sin0 = 0.491 x 10-4 x Sin46 0.345 x 10-4T ,最总新上海地区地磁场水平分量为B = 0.331 x 10-4T，磁倾角为0 = 46误差小于3%。

//2. 复旦大学物理楼三楼311 室，测量地磁场参量表 3 磁阻传感器的定标励磁电流I / mA磁感应强度B/10 -4 TU / mV平均U / mV正向U / mV1反向U / mV210.00.44962.25-2.382.31520.00.89224.52-4.484.50030.01.34886.83-6.776.80040.01.79849.06-8.989.02050.02.248011.30-11.1311.21560.02.697613.52-13.2813.400用Casio - 3600计算器对V - B直线拟合得：K二49.37V/T，相关系数为0.99998表 4 地磁场测量结果电压 序号、12345平均结果U总U / mV0.950.950.950.950.950.95U总=B=0.441 x 10 -4 TU寸mV-3.41-3.41-3.42-3.41-3.41-3.412.18mVUU；/ mV0.080.080.080.080.080。