实验五-地磁场测定分解

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8710~10T，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0.01mV-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AC220±10V三．仪器外型1、恒流源2、数字电压表3、HMC1021Z磁阻传感器输入输出引线4、亥姆霍磁线圈5、刻度盘12345-2-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510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)(依赖于磁化强度M和电流I方向间的夹角，具有以下关系式2cos)()(∥（1）其中∥、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-3-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outU可以用下式表示为boutURRU(2)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VUb00.5，HMC1021Z磁阻传感器输出电压outU与外界铝合金带玻莫合金薄膜外加磁场电流θＩＭ外加磁场–+Vout偏置磁场R+△RR+△RR-△RR-△RVb-4-磁场的磁感应强度成正比关系，KBUUout0（3）（3）式中，K为传感器的灵敏度，B为待测磁感应强度。0U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2/3058RNIB（4）（4）式中N为线圈匝数，I为线圈流过的电流强度，R为亥姆霍磁线圈的平均半径，0为真空磁导率。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。-5-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K。2．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1U后，再旋转转盘，记录传感器输出最小电压2U，由∥KBUU2/21，求得当地地磁场水平分量∥B。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1和2，同时记录此最大读数1U和2U。由磁倾角2/)(21计算的值。4．由KBUU2/21，计算地磁场磁感应强度B的值。并计算地磁场的垂直分量sinBB。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500N匝，线圈的半径cm10r;真空磁导率270/104AN＝。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)IIB42/372/301096.445100.050010485RNI8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)。-6-1.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1U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压，而反向2U是指励磁电流为反向时，传感器输出电压，2/)(21UUU。测正向和反向两次,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励磁电流mAI/磁感应强度TB410/mVU/平均mVU/正向mVU/1反向mVU/210.00.44961．87-1.881.87520.00.89223.75-3.773.76030.01.34885.61-5.655.63040.01.79847.44-7.497.46550.02.24809.29-9.379.33060.02.697611.12-11.2311.175用3600Casio计算器进行最小二乘法拟合，得到该磁阻传感器的灵敏度TVK/28.41，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总B；地磁场的垂直分量B,磁倾角。-7-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: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KUUKUB2/)(/////////。(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总B和磁倾角。测量磁倾角时须改变角度，求多次测量的平均值。表2磁倾角值的测量直接测量地磁场水平分量，mVU1.14//，计算得地磁场水平分量磁感应强度TB4//10341.0，地磁场mVU3.20＝总,计算得地磁场磁感应强度TB410491.0－总＝,磁倾角46；地磁场垂直分量磁感应强度,410491.0SinB总TSin4010345.046,最新上海地区地磁场水平分量为TB4//10331.0，磁倾角为46。误差小于%3。43.043.544.044.545.046.0mVU/总2.022.032.032.032.032.0347.047.548.048.549.0mVU/总2.032.032.032.032.02-8-2.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mAI/磁感应强度TB410/mVU/平均mVU/正向mVU/1反向mVU/210.00.44962.25-2.382.31520.00.89224.52-4.484.50030.01.34886.83-6.776.80040.01.79849.06-8.989.02050.02.248011.30-11.1311.21560.02.697613.52-13.2813.400用3600Casio计算器对BV直线拟合得：TVK/37.49，相关系数为0.99998。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。电压序号12345平均结果总UmVU/10.950.950.950.950.950.95总UmV18.2B=T410441.0mVU/2-3.41-3.41-3.42-3.41-3.41-3.41UmVU/10.080.080.080.080.080.08//UmV45.1B=T410294.0mVU/2-2.82-2.82-2.82-2.82-2.82-2.82-9-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TB4//10291.0T相当一致，这间接证明本仪器测量结果是准确的。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，1987：256-258，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//B0.341×104T0.294×104T0.268×104T磁倾角β46.046.046.0º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；测量地磁场总U和磁倾角时，须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，传感器输出电压总U，应取10组值，求其平均值。这是因为测量时，偏差1，总总总UCosUU998.01变化很小，偏差4，总总总UCosUU998.04,所以在偏差1至4范围总U变化极小，实验时应测出总U变化很小角的范围，然后求得平均值。七．思考题-10-1．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？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，