1、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，具有两组游标，这样既提高了测量精度，又消除了偏心差。802新型磁阻传感器的灵敏度高达 50V/T，分辨率可达 T，稳定性好。用8710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
2、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 0200.0mA 连续可调4直流电压表 量程 019.99mV，分辨率 0.01mV- 1 -5测量地磁场水平分量 不确定度小于 3%6测量磁倾角 不确定度小于 3%7仪器的工作电压 AC 22010V三仪器外型123HMC102Z4、
3、 亥 姆 霍 磁 线 圈 512 45- 2 -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 T 量级，但在直流磁场测量，特别是弱磁场测量中，510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
4、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 依赖于磁化强度 和)(M电流 方向间的夹角 ，具有以下关系式I（1）2cos)()(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 I
5、M- 3 -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，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
6、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 可以用下式表示为outU(2)boutUR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 ，HMC1021Z 磁阻传感器输出电压 与VUb0.5 outU铝 合 金 带玻 莫 合 金 薄 膜外 加 磁 场电 流 外 加 磁 场 +Vout偏 置 磁 场R+R+- R-Vb- 4 -外界磁场的磁感应强度成正比关系，（3） KBUout0（3）式中， 为传感器的灵敏度， 为待测磁感应强度。
7、为外加磁场为零时传感K0U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）2/3058RNIB（4）式中 为线圈匝数， 为线圈流过的电流强度， 为亥姆霍磁线圈的平均半径，I R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- 5 -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
8、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 的B方向。记录此时传感器输出电压 后，再旋转转盘，记录传感器输出最小电压 ，由1U2U，求得当地地磁场水平分量 。KBU2/1 B3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 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 和 ，同时记录此最大读数 和 。由磁倾角12 1U2计算
9、 的值。2/)(14由 ，计算地磁场磁感应强度 的值。并计算地磁场的垂直分量KBUB。sinB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 匝，线圈的半径 ;真空磁导率50Ncm10r。270/14AN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)IIB 42/372/30 1096.510.485RI - 6 -式中， 为磁感应强度单位 (特斯拉)； 为通过线圈的电流，单位 (安培)。BTI A1. 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 是指励
10、磁电流为正方向时测得的磁阻传感器产生的输出1U电压，而反向 是指励磁电流为反向时，传感器输出电压， 。测正2 2/)(1U向和反向两次,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 mVU/励磁电流 mAI/磁感应强度 TB410/正向 /1反向 /2平均 mVU/10.0 0.4496 187 -1.88 1.87520.0 0.8922 3.75 -3.77 3.760 30.0 1.3488 5.61 -5.65 5.630 40.0 1.7984 7.44 -7.49 7.46550.0 2.2480 9.29 -9.37 9.330 60
11、.0 2.6976 11.12 -11.23 11.175用 计算器进行最小二乘法拟合，得到该磁阻传感器的灵敏度360Casio，相关系数为 0.99998。(传感器工作电压取 5V，灵敏度 K=41V/T,现产TVK/28.41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 ；地磁场的磁感应强度 ；地磁场的垂直分量 ,/B总BB- 7 -磁倾角 。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 。0(3) 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:
12、测量输出电压 和反向转 ，测地磁场水平分量 ，然/U180/U后计算地磁场水平分量 。KKB2/)(/ (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 和磁倾角 。测量磁倾角时须改变角度，求多次测量的平均值。总B表 2 磁倾角 值的测量直接测量地磁场水平分量， ，mVU1.4/计算得地磁场水平分量磁感应强度 ，TB4/03地磁场 ,计算得地磁场磁感应强度 ,磁倾角 ；mVU3.20总 419.总 4643.0 43.5 44.0 44.5 45.0 46.0mVU/总 2.02 2.03 2.03 2.03 2.03 2.0347.0 47.5 48.0
13、48.5 49.0/总 2.03 2.03 2.03 2.03 2.02- 8 -地磁场垂直分量磁感应强度, ,最4109.SinB TSin40135.6新上海地区地磁场水平分量为 ，磁倾角为 。误差小于 。T4/103.%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 mVU/励磁电流 mAI/磁感应强度 TB410/正向 /1反向 /2平均V/10.0 0.4496 2.25 -2.38 2.31520.0 0.8922 4.52 -4.48 4.500 30.0 1.3488 6.83 -6.77 6.800 40.0 1.7984 9.06 -8.98
14、 9.020 50.0 2.2480 11.30 -11.13 11.215 60.0 2.6976 13.52 -13.28 13.400 用 计算器对 直线拟合得： ，相关系数为 0.99998。360CasioBVTVK/37.49- 9 -表 4 地磁场测量结果测得复旦大学物理楼三楼物理实验室，磁倾角 。47用本仪器测量地磁场水平分量与 1985 年用正切电流计测量复旦大学物理楼三楼地磁场水平分量的结果 T 相当一致，这间接证明本仪器测量结果是B4/1029.准确的。关于正切电流计测量地磁场水平分量的实验方法和测量结果，请见贾玉润等主编，大学物理实验，复旦大学出版社，1987：256-
15、258，结果在 258 页 例中列出。表 5 不同位置及不同结构大楼地磁场水平分量测量结果测量位置 校园内操场空地 物理楼三楼复旦科技园区 2 号楼五楼试制组金属屏蔽情况 水泥地面无金属1959 年建造地顶为钢筋水泥，墙为泥砖2000 年建造全钢筋水泥结构测得地磁场水平分量 /B0.34110 T40.29410 T40.26810 T4电压 序号1 2 3 4 5 平均 结果mVU/10.95 0.95 0.95 0.95 0.95 0.95总 2-3.41 -3.41 -3.42 -3.41 -3.41 -3.41总UmV18.2B= T410./10.08 0.08 0.08 0.08
16、0.08 0.08mVU2-2.82 -2.82 -2.82 -2.82 -2.82 -2.82/45.B= 41029.- 10 -磁倾角 46.0 46.0 46.0六实验注意事项1测量地磁场水平分量，须将转盘调节至水平；测量地磁场 和磁倾角 时，须总U将转盘面处于地磁子午面方向。2. 测量磁倾角应记录不同 时，传感器输出电压 ，应取 10 组 值，求其平均值。总这是因为测量时，偏差 ， 变化很小，偏差 ，1总总总 UCosU98.01 4,所以在偏差 至 范围 变化极小，实验时应测出 变总总总 CosU98.04 4总 总U化很小 角的范围，然后求得平均值 。七思考题1磁阻传感器和霍耳传
17、感器在工作原理和使用方法方面各有什么特点和区别？2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？3为何坡莫合金磁阻传感器遇到较强磁场时，其灵敏度会降低？用什么方法来恢复其原来的灵敏度？八参考资料1贾玉润、王公治、凌偑玲主编。大学物理实验，上海复旦大学，1987 ：492-4932鲁绍曾、现代计量学概论。北京，中国计量出版社，1987 ：492-4933黄一菲、郑神、吴亮、陆申龙，玻莫合金磁阻传感器的特性研究和应用、物理实验。第 22 卷第 4 期，2002 ，4 ：45-484Honeywell 公司，固态传感器 (磁阻传感器部分)说明书，2001- 11
18、-5沈元华、陆申龙主编，基础物理实验，北京：高等教育出版社，20036黄德星。磁敏感器件及其应用M。北京： 科学出版社，19877 里夫、王秀琴等编著，常用物理常数手册、云南人民出版社、1983、10：157158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在着磁场，叫做地磁场。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 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 交角。01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地磁场的方向和大小(如图 6 所示)：(1)
19、 磁偏角 ，地球表面任一点的地磁场矢量所在垂直平面(图 6 中 与 Z 构成的平 /B面，称地磁子午面)，与地理子午面(图 6 中 X、Z 构成的平面)之间的夹角。- 12 -BX y5 6(2) 磁倾角 ，磁场强度矢量 与水平面( 即图 6 的矢量 和 OX 与 OY 构成平面的夹BB角)之间的夹角。(3) 水平分量 ，地磁场矢量 在水平面上的投影。/B测量地磁场的这三个参量，就可确定某一地点地磁场 矢量的方向和大小。当然B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，极为微弱。附录 2:我国一些城市的地磁参量( 地磁要素)地理位置地名北纬 东经磁倾角D(偏西)磁倾角 I水平强 B
20、(10 T)4测定年份齐齐哈尔 4722 12359 734 6427 0.242 1916长春 4351 12636 730 6020 0.266 1916沈阳 4150 12328 649 5843 0.277 北京 3956 11620 448 5723 0.289 1936- 13 -天津 3905.9 11711 404 5621 0.293 1916太原 3751.9 11233 318 5511 0.301 1932济南 3639.5 11701 336 5306 0.308 1915兰州 3603.4 10348 115 5324 0.312 郑州 3445 11343 018
21、 5043 0.320 1932西安 3416 10857 302 5029 0.323 1932南京 3203.8 11848 142 4643 0.331 1922上海 3111.5 12126 313 4525 0.333 成都 3038 10403 058 4506 0.346 武汉 3037 11420 223 4434 0.343 安庆 3032 11702 4427 0.341 1911杭州 3016 12008 259 4405 0.337 1917南昌 2842.4 11551 151 4149 0.349 1917长沙 2812.8 11253 050 4111 0.352
22、 1907福州 2602.2 11911 143 2728 0.355 1917桂林 2517.7 11012 005 3613 0.366 1907昆明 2504.2 10242 004 3519 0.372 1911广州 2306.1 11328 047 3141 0.375 上海复旦天欣科教仪器有限公司- 14 -FD-HMC-2 型磁阻传感器与地磁场实验仪装 箱 清 单您购买的产品与装箱清单中是否符合，请验收。日期： 年 月 日名 称 数量 备注1、FD-HMC-2 主机 1 台 含电流源和数字电压表2、实验装置架 1 套含磁阻传感器和亥姆霍兹线圈3、电源线 1 根4、橡焦叉头连接线 2 根 红色5、橡焦叉头连接线 2 根 黑色6、水平仪 1 只7、仪器使用说明书 1 份8、合格证 1 份
