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1、基础物理学研究性实验报告题 目：各向异性磁阻传感器（AMR）与地磁场测量第一作者：11111111 第二作者：22222222学 院：航空科学与工程学院专 业：飞行器设计与工程班 级：1105192013 年 5 月 14 日目录摘要 .1关键词 .1一、实验要求 .1二、实验原理 .1三、实验仪器介绍 .2四、实验内容 .41、测量前的准备工作 .42、磁阻传感器特性测量 .53、测量磁阻传感器的各向异性特性 .64、赫姆霍兹线圈的磁场分布测量 .75、地磁场测量 .10五、思考题 .10六、误差分析 .11七、AMR 传感器的应用举例 .11八、实验感想 .11参考文献 .12附录 原始实
2、验数据(影印版 ) .13北京航空航天大学研究性实验报告1各向异性磁阻传感器与磁场测量摘要：物质在磁场中电阻率发生变化的现象称为磁阻效应，磁阻传感器利用磁阻效应制成。磁阻传感器可用于直接测量磁场或磁场变化，如弱磁场测量。也可通过磁场变化测量其它物理量，如利用磁阻效应已制成各种位移、角度、转速传感器，广泛用于各类需要自动检测与控制的领域。磁阻元件的发展经历了半导体磁阻（MR） ，各向异性磁阻（AMR） ，巨磁阻（GMR） ，庞磁阻（CMR）等阶段。本实验研究 AMR 的特性并利用它对磁场进行测量。关键词：AMR，磁阻效应，电磁转换，磁场测量一、实验要求1熟悉和了解 AMR 的原理2测量磁阻传感器
3、的磁电转换特性和各向异性特性3测量赫姆霍兹线圈的磁场分布4测量地磁场磁场强度，磁倾角，磁偏角二、实验原理各向异性磁阻传感器 AMR（Anisotropic Magneto-Resistive sensors）由沉积在硅片上的坡莫合金（Ni 80 Fe20）薄膜形成电阻。沉积时外加磁场，形成易磁化轴方向。铁磁材料的电阻与电流和磁化方向的夹角有关，电流与磁化方向平行时电阻 Rmax最大，电流与磁化方向垂直时电阻 Rmin最小，电流与磁化方向成 角时，电阻可表示为：R = Rmin(R maxR min)cos2在磁阻传感器中，为了消除温度等外界因素对输出的影响，由 4 个相同的磁阻元件北京航空航天
4、大学研究性实验报告2构成惠斯通电桥，结构如图 1 所示。图 1 中，易磁化轴方向与电流方向的夹角为 45 度。理论分析与实验表明，采用 45 度偏置磁场，当沿与易磁化轴垂直的方向施加外磁场，且外磁场强度不太大时，电桥输出与外加磁场强度成线性关系。无外加磁场或外加磁场方向与易磁化轴方向平行时，磁化方向即易磁化轴方向，电桥的 4 个桥臂电阻阻值相同，输出为零。当在磁敏感方向施加如图 1所示方向的磁场时，合成磁化方向将在易磁化方向的基础上逆时针旋转。结果使左上和右下桥臂电流与磁化方向的夹角增大，电阻减小 R；右上与左下桥臂电流与磁化方向的夹角减小，电阻增大 R。通过对电桥的分析可知，此时输出电压可表
5、示为：UV bR/R （1）式中 Vb为电桥工作电压，R 为桥臂电阻，R/R 为磁阻阻值的相对变化率，与外加磁场强度成正比，故 AMR 磁阻传感器输出电压与磁场强度成正比，可利用磁阻传感器测量磁场。商品磁阻传感器已制成集成电路，除图 1 所示的电源输入端和信号输出端外，还有复位/反向置位端、补偿端两个功能性输入端口，以确保磁阻传感器的正常工作。复位/反向置位端的作用是：当 AMR 置于超过其线性工作范围的磁场中时，磁干扰可能导致磁畴排列紊乱，改变传感器的输出特性。此时按下复位/反向置位端，通过内部电路沿易磁化轴方向产生强磁场，使磁畴重新沿易磁化轴方向整齐排列，恢复传感器的使用特性。补偿端的作用
6、是：当 4 个桥臂电阻不严格相等，或是外界磁场干扰，使得被测磁场为零而输出电压不为零时，此时可调节补偿电流，通过内部电路在磁敏感方向产生磁场，用人为的磁场偏置补偿传感器的偏离。三、实验仪器介绍实验仪结构如图 2 所示，核心部分是磁阻传感器，辅以磁阻传感器的角度、位置调节及读数机构，赫姆霍兹线圈等组成。北京航空航天大学研究性实验报告3本仪器所用磁阻传感器的工作范围为6 高斯，灵敏度为 1mV/V/Guass。当磁阻电桥的工作电压为 1V，被测磁场磁感应强度为 1 高斯时，输出信号为1mV。磁阻传感器的输出信号通常须经放大电路放大后，再接显示电路，故由显示电压计算磁场强度时还需考虑放大器的放大倍数
7、。本实验仪电桥工作电压5V，放大器放大倍数 50，磁感应强度为 1 高斯时，对应的输出电压为 0.25 伏。赫姆霍兹线圈是由一对彼此平行的共轴圆形线圈组成。两线圈内的电流方向一致，大小相同，线圈之间的距离 d 正好等于圆形线圈的半径 R。这种线圈的特点是能在公共轴线中点附近产生较广泛的均匀磁场，根据毕奥萨伐尔定律，可以计算出赫姆霍兹线圈公共轴线中点的磁感应强度为： 003/285NIBR式中 N 为线圈匝数，I 为流经线圈的电流强度，R 为赫姆霍兹线圈的平均半径， 为真空中的磁导率。采用国际单位制时，由上式计算出mH/10470磁阻传感器盒传感器轴向移动锁紧螺钉传感器绕轴旋转锁紧螺钉传感器水平
8、旋转锁紧螺钉赫姆霍兹线圈传感器横向移动锁紧螺钉线圈水平旋转锁紧螺钉信号接口盒仪器水平调节螺钉图 2 磁场实验仪北京航空航天大学研究性实验报告4的磁感应强度单位为特斯拉（1 特斯拉10000 高斯） 。本实验仪N310，R0.14m，线圈电流为 1mA 时，赫姆霍兹线圈中部的磁感应强度为0.02 高斯。实验仪的前面板示意图如图 3 所示。恒流源为赫姆霍兹线圈提供电流，电流的大小可以通过旋钮调节，电流值由电流表指示。电流换向按钮可以改变电流的方向。补偿(OFFSET)电流调节旋钮调节补偿电流的方向和大小。电流切换按钮使电流表显示赫姆霍兹线圈电流或补偿电流。传感器采集到的信号经放大后，由电压表指示电
9、压值。放大器校正旋钮在标准磁场中校准放大器放大倍数。复位（R/S）按钮每按下一次，向复位端输入一次复位脉冲电流，仅在需要时使用。图 3 仪器前面板示意图北京航空航天大学研究性实验报告5四、实验内容1、测量前的准备工作连接实验仪与电源，开机预热 20 分钟。将磁阻传感器位置调节至赫姆霍兹线圈中心，传感器磁敏感方向与线圈轴线一致。调节赫姆霍兹线圈电流为零，按复位键恢复传感器特性，调节补偿电流以补偿地磁场等因素产生的偏离，使传感器输出为零。调节赫姆霍兹线圈电流至300mA（线圈产生的磁感应强度 6 高斯） ，调节放大器校准旋钮，使输出电压为1 .500 伏。2、磁阻传感器特性测量a. 测量磁阻传感器
10、的磁电转换特性磁电转换特性是磁阻传感器最基本的特性。磁电转换特性曲线的直线部分对应的磁感应强度，即磁阻传感器的工作范围，直线部分的斜率除以电桥电压与放大器放大倍数的乘积，即为磁阻传感器的灵敏度。按表 1 数据从 300mA 逐步调小赫姆霍兹线圈电流，记录相应的输出电压值。切换电流换向开关（赫姆霍兹线圈电流反向，磁场及输出电压也将反向） ，逐步调大反向电流，记录反向输出电压值。各测量值记录如下：表 1 AMR 磁电转换特性的测量线圈电流(mA)300 250 200 150 100 50 0 -50 -100 -150 -200 -250 -300磁感应强度(高斯)6 5 4 3 2 1 0 -1 -2 -3 -4 -5 -6输出电压(V)1.500 1.268 1.026 0.772 0.520 0.261 0.004 -0.258-0.514-0.765-1.007-1.239-1.461北京航空航天大学研究性实验报告6作图如下：由上图可知，传感器在-6 至 6 高斯范围内都处于线性工作状态。选取图中A，B 两点计算斜率：k= V/Gauss=0.2517 V/Gauss1.026+1.2394+5则传感器灵敏度为：K=k/(5V*50
