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1、磁阻效应综合实验,大学物理实验中心,实验背景,磁阻效应综合实验背景,流量检测,地磁检测与导航,磁卡读取,1856年著名英国科学家开尔文爵士最先发现AMR现象。1971 年,美国科 学家亨特发明了电脑硬盘的AMR磁头，1985年由IBM投产，相关研究、技术和应用得到蓬勃发展。,电流测量,硬盘磁头,1. 各向异性磁电阻（AMR）效应的发现和应用,由德国物理学家、数学家、生理学家、心理学家赫尔曼冯亥姆霍兹（18211894）的名字命名，科研和生产中常用来制造小范围区域均匀磁场的器件，也可获得“零磁场”。,小型单轴型 、 中型三轴型、 大型矩形三轴型亥姆霍兹线圈,实验背景,2. 亥姆霍兹线圈及其种类,
2、磁阻效应综合实验背景,1. 实验目的,（1）了解各向异性磁阻效应原理和传感电路的组成。 （2）掌握应用各向异性磁阻效应测量弱磁场的方法。 （3）掌握亥姆霍兹线圈空间轴线上磁场的计算和测量方法。 （4）掌握用亥姆霍兹线圈的对磁阻传感器进行定标的方法。 （5）掌握用磁阻传感器测量地磁场的方法。,磁阻效应综合实验实验目的,巨磁阻（Giant Magneto Resistance）是一种层状结构，外层是超薄的铁磁材料（Fe,Co,Ni等），中间层是一个超薄的非磁性导体层（Cr,Cu,Ag等），这种多层膜的电阻随外磁场变化而显著变化，即巨磁阻效应。,2. 实验原理,当沿着铁镍合金带的长度方向通以一定的直
3、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。,（1）各向异性磁阻,R,R,I,I,M0,M0,易 磁 化 轴 方向,B,B,45o+,坡莫合金薄膜 （Ni80Fe20）,BM0,45o- ,R,I,R,I,M0,磁敏感,45o- ,45o+,M0,B,B,磁敏感,+ 输出电压U0 ,接地,电桥电压UE,45o附近为线性区域,b. 全桥式差动非平衡电桥,a. 磁电阻特性及线性化,磁阻效应综合实验实验原理,（1）各向异性磁阻,灵敏度：,待测磁场：,（单位： mVV-1mT-1）,磁阻传感器电桥实际结构,异号法消除各臂差
4、异导致的零差和地磁影响,U2,U1,（单位： mT）,c. 消除系统误差,磁阻效应综合实验实验原理,改变励磁电流的方向：,2. 实验原理,（1）各向异性磁阻,作用：测量前保持铁磁材料磁畴是沿易磁化轴方向，消除前一次测量强磁干扰带来的灵敏度下降。 实现方法：在传感器硅片上设置铝合金带，瞬间通过大直流脉冲电流，该电流产生的强磁场正好沿着沿易磁化轴方向，使磁畴排列整齐。,铝合金带电流方向,d. 易磁化轴的复位/反向置位,磁阻效应综合实验实验原理,2. 实验原理,（2）亥姆霍兹线圈,a. 载流圆线圈轴线上磁感应强度,由毕奥-萨伐尔定律,b. 亥姆霍兹线圈轴线上磁感应强度,亥姆霍兹线圈轴线上两线圈中点O
5、处：,磁阻效应综合实验实验原理,2. 实验原理,（2）亥姆霍兹线圈,c. 磁场叠加原理及亥姆霍兹线圈组成条件,两线圈同相连接，且d=R时，轴线上O点附近B均匀。,B0,B0,O,O,x,x,同相连接，d R,同相连接，d R,反相连接， d = R,磁阻效应综合实验实验原理,2. 实验原理,（3）用亥姆霍兹线圈定标磁阻传感器,a. 理论磁感应强度,式中真空导磁率0=410-7， N=520匝，R=80.0mm， IM单位为A，B理0单位为mT。,磁阻效应综合实验实验原理,切换励磁电流方向磁场反向各测量输出电压为U1 、 U2 ，则由异号法求得：,b. 测量磁阻传感器输出电压,c. 求磁阻传感器
6、灵敏度,（单位： mVV-1mT-1）,2. 实验原理,（4）用定标后的磁阻传感器测量磁场,磁阻效应综合实验实验原理,a. 切换励磁电流方向磁场反向各测量输出电压为U1 、 U2 ，则由 异号法求得：,b. 测量地磁场参数,式中S由先前定标求得,成都地磁参数公认值： 水平磁偏角：1o11.16 ； 水平分量：34.48uT； 竖直分量：36.43uT。 是相对于实验桌的水平磁偏角，相对于北极的水平磁偏角为 加上实验桌的方位角桌 。,磁阻效应综合实验实验内容,3. 实验内容,a. 用亥姆霍兹线圈磁场对磁阻传感器定标 b. 测量电源电压对传感器灵敏度的影响。 c. 测量单线圈、两线圈极性不同时轴线
7、磁感应强度分布。 d. 用磁阻效应传感器测量地磁场的大小和方位。,（1）实验测试内容,左红右黑连接 左黑右红连接 正接 亥姆霍兹线圈,励磁电流 IM,电桥电压UE,磁阻传感电压 U,去磁电路切换IM方向必须使用,电桥电压显示,a. 基本电路连接,（2）实验步骤及注意事项,3. 实验内容,磁阻效应综合实验实验内容,20.0mm,70.0mm,线圈半径 80mm,线圈匝数 520,b. 线圈放置方法,（2）实验步骤及注意事项,3. 实验内容,磁阻效应综合实验实验内容,c. 传感器标尺杆读数,亥姆霍兹线圈中心位置,元件在亥姆霍兹线圈中心位置时读数 120.0mm,以亥姆霍兹线圈中心为原点，元件的轴上
8、坐标x与左侧读数x的关系,（2）实验步骤及注意事项,3. 实验内容,磁阻效应综合实验实验内容,d. 其它注意事项,（2）实验步骤及注意事项,3. 实验内容,磁阻效应综合实验实验内容,测量时要避免强磁场、顺磁性物体靠近磁阻传感器，以免磁阻效应传 感器被磁化，造成灵敏度急剧下降； 注意使用“消磁”按钮对磁阻传感器消磁； 注意励磁电流不要随意增大到0.1A以上，否则磁阻传感器的灵敏度 将下降； 注意检查移动两个线圈的距离和位置是否满足亥姆霍兹线圈的条件。,3. 实验内容,a. 求不同电源电压下磁阻传感器的灵敏度S，数据及计算结果记入表13-1， 总结规律于表后。,（3）数据记录及处理,磁阻效应综合实
9、验实验内容,IM=0.100A， d=R=80.0mm，x=120.0mm，B理0= mT。,b. 证明磁场迭加原理，线圈 a、b、 a +b及a -b轴线传感电压测量值数据及计算结果记入表13-3，绘平滑曲线并总结规律于表后。,磁阻效应综合实验实验内容,UE=5.00V， IM=0.100A， d=R=80.0mm， xa =-40.0mm，xb =40.0mm， B理0= mT。,磁阻效应综合实验实验内容,续表13-3,将各处测得磁场 Ba+b与相应亥姆霍兹线圈磁场理论值 Ba +Bb进行对比； Ba-b 与Ba -Bb 进行对比，证明叠加原理。,c. 测定地磁场各方向的传感器输出电压Ux
10、+、Ux-、Uy+、Uy-、Uz+、Uz-，数据记录入表13-6，表后计算地磁场磁感应强度和水平偏向角、磁倾角，进行误差分析。,磁阻效应综合实验实验内容,UE=5.00V， B成都/= uT， B成都 = uT 。,3. 实验内容,（3）数据记录及处理,拓展实验,4. 拓展实验,（1）测量磁阻传感器的线性度。,（2）测量两线圈不同距离下轴线磁感应强度分布。,（3）测量亥姆霍兹线圈轴外磁场分布，测定一定不均匀度下的空间范围。,（4）研究其它仪器杂散磁场对实验的影响及其应对措施。,（5）用Maxwell电磁场仿真软件对实验用亥姆霍兹线圈进行建模，将仿真 空间磁场与实测磁场分布进行对比，研究仿真误差
11、和测量误差。,（6）用Maxwell电磁场仿真软件对三轴亥姆霍兹线圈进行建模，研究其空 间磁场分布特点。,（7）用Maxwell电磁场仿真软件对矩形亥姆霍兹线圈进行建模，并与常规 亥姆霍兹线圈空间磁场分布进行对比分析。,思考题与实验报告,5 思考题与实验报告,a. 如果大小恒定、方向可变的外加弱磁场（不导致灵敏度下降）与图13-1 中“磁敏感方向”相同或相反时，传感器电桥上每一个臂的坡莫合金薄 膜电阻如何变化？电桥输出电压如何变化？ b. 为什么测量各向异性磁阻传感器的输出电压时，要改变 B测为相反方向 （或改变励磁电流方向）各测量一次？ c. 为什么亥姆霍兹线圈轴线中点附近磁场是均匀的？本实
12、验两线圈之间距 离多少毫米、两线圈间及与电源如何连接时可以组成亥姆霍兹线圈？请 画出接线图。 d. 各向异性磁电阻为什么在电流方向与易磁化轴方向成45o时，电阻变化 R与易磁化轴方向垂直的磁敏感方向的待测磁感应强度B的大小成正比？ 定量推导R与B的函数关系。,（1）思考题,思考题与实验报告,5 思考题与实验报告,a. 求不同电源电压下磁阻传感器的灵敏度S，计算结果记入表13-1， 总结规律于表后。 b. 线圈a、b、 a +b及a -b轴线传感电压计算结果记入表13-3，绘平滑曲线 并总结规律于表后。将各处测得磁场 Ba+b与相应亥姆霍兹线圈磁场理论 值 Ba +Bb进行对比； Ba-b 与Ba -Bb 进行对比，证明叠加原理。 c. 测定地磁场各方向的传感器输出电压Ux、Uy、Uz计算结果记录入表13-6， 表后计算地磁场磁感应强度和水平偏向角、磁倾角，进行误差分析。,（2）实验报告,end,
