磁阻传感器以及磁场测量

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1、北航基础物理实验研究性报告各向异性磁阻传感器（用皿）与地磁场测量第一作者：13271138卢杨第二作者：13271127刘士杰所在院系：化学与环境学院2014年5月27日星期三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。磁场的测量可利用电磁感应，霍耳效应，磁阻效应等各种效应。其中磁阻效应法发展 最快，测量灵敏度最高。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，地 磁场测量，各种导航系统中的罗盘，计算机中的磁盘驱动器，各种磁卡机等等。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，各种接 近开关，隔离开关，广泛用于汽车

2、，家电及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：磁阻传感器；磁电转换；赫姆霍兹线圈；车辆检测；罗盘目录一、实验目的4二、实验原理4三、实验仪器介绍5四、实验内容81. 测量前的准备工作82. 磁阻传感器特性测量8a. 测量磁阻传感器的磁电转换特性8b. 测量磁阻传感器的各向异性特性93. 赫姆霍兹线圈的磁场分布测量9a. 赫姆霍兹线圈轴线上的磁场分布测量9b. 赫姆霍兹线圈空间磁场分布测量114. 地磁场测量12五、实验数据及数据处理131.

3、磁阻传感器特性测量13a. 测量磁阻传感器的磁电转换特性13b. 测量磁阻传感器的各向异性特性142. 赫姆霍兹线圈的磁场分布测量15a. 赫姆霍兹线圈轴线上的磁场分布测量15b. 赫姆霍兹线圈空间磁场分布测量163. 地磁场测量17六、误差分析与思考题171、误差分析172、思考题 18七、实验中注意事项及改进方法191、注意事项192、实验改进19八、总结与收获20九、原始数据照片20电桥电压Vb输出一电流方向易磁化 轴方向磁敏感 方向图1磁阻电桥一、实验目的1. 熟悉和了解AMR的原理2, 测量磁阻传感器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

4、，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(N、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R最小，电流与磁化方向成。角时，电阻可表示为：minR = R. +(R R.)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4

5、5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AR；右上与左下桥臂电 流与磁化方向的夹角减小，电阻增大ARo通过对电 桥的分析可知，此时输出电压可表示为：U = VbXAR/R(1)式中Vb为电桥工作电压，R为桥臂电阻，AR/R为磁阻阻值的相对变化率，与外加磁 场强度成正比，

6、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

7、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。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IV，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。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优。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

8、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，根据毕奥一萨伐尔定律，可以计算出赫姆霍兹线圈公共 轴线中点的磁感应强度为：B工.顼053/2 R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，七=4兀x 10 一 7 H / m为真空中的磁导率。采用国际单位制时，由上式计算出的磁感应强度 单位为特斯拉（1特斯拉= 10000高斯）。本实验仪N=310，R=0.14m，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。图3仪器前面板示意图恒流源为赫姆霍兹线圈

9、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。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

10、产生的偏离，使传感器输出为零。调节赫姆霍兹线圈电流至300曲（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优。2. 磁阻传感器特性测量a.测量磁阻传感器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。注意：电流换向后，必须按复位按键消磁。表

11、1 AMR磁电转换特性的测量线圈电流（mA）30025020015010050050100150200250300磁感应强度（高斯）6543210-1-2-3-4-5-6输出电压（V）数据处理要求：以磁感应强度为横轴，输出电压为纵轴，将上表数据作图，并确定所用传感器的线性工作范围及灵敏度。b.测量磁阻传感器的各向异性特性AMR只对磁敏感方向上的磁场敏感，当所测磁场与磁敏感方向有一定夹角。时，AMR 测量的是所测磁场在磁敏感方向的投影。由于补偿调节是在确定的磁敏感方向进行的，实 验过程中应注意在改变所测磁场方向时，保持AMR方向不变。将赫姆霍兹线圈电流调节至200曲，测量所测磁场方向与磁敏感方向

12、一致时的输出电 压。松开线圈水平旋转锁紧螺钉，每次将赫姆霍兹线圈与传感器盒整体转动10度后锁紧，松开传感器水平旋转锁紧螺钉，将传感器盒向相反方向转动10度（保持AMR方向不 变）后锁紧，记录输出电压数据于表2中。3. 赫姆霍兹线圈的磁场分布测量赫姆霍兹线圈能在公共轴线中点附近产生较广泛的均匀磁场。a.赫姆霍兹线圈轴线上的磁场分布测量根据毕奥一萨伐尔定律，可以计算出通电圆线圈在轴线上任意一点产生的磁感应强度 矢量垂直于线圈平面，方向由右手螺旋定则确定，与线圈平面距离为X的点的磁感应强 度为：|! R 212( R 2 + X2)3/2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

13、方向一致，大 小相同，线圈匝数为N,线圈之间的距离d正好等于圆形线圈的半径R，若以两线圈中点 为坐标原点，则轴线上任意一点的磁感应强度是两线圈在该点产生的磁感应强度之和：、 旦 NR 21旦 NR 21B =oR+oR2R 2 + (万 + X)23/22R 2 + (-X)23/20 16 1 x、1+1 x、1+( + )23/2 1+(3- )23/22R2R式中B0是X = 0时，即赫姆霍兹线圈公共轴线中点的磁感应强度。表3列出了 X取不 同值时B(X)/B0值的理论计算结果。调节传感器磁敏感方向与赫姆霍兹线圈轴线一致，位置调节至赫姆霍兹线圈中心以 =0)，测量输出电压值。已知R=14

14、0mm，将传感器盒每次沿轴线平移0.1R，记录测量数据。表3赫姆霍兹线圈轴向磁场分布测量B0= 4高斯位置X0.5R0.4R0.3R0.2R0.1R00.1R0.2R0.3R0.4R0.5RB(X)/B。计算值0.9460.970.990.991.0011.000.990.990.970.946B(X)测量值(V)B(X)测量值（高斯）数据处理要求：将表3数据作图，讨论赫姆霍兹线圈的轴向磁场分布特点。b.赫姆霍兹线圈空间磁场分布测量由毕奥一萨伐尔定律，同样可以计算赫姆霍兹线圈空间任意一点的磁场分布，由于赫 姆霍兹线圈的轴对称性，只要计算（或测量）过轴线的平面上两维磁场分布，就可得到空 间任意一点的磁场分布。理论分析表明，在X 0.2R，Y 0.2R的范围内，（B B ） /B小于百分之一，B/BX 00Y X小于万分之二，故可认为在赫姆霍兹线圈中部较大的区域内，磁场方向沿轴线方向，磁场 大小基本不变。按表4数据改变磁阻传感器的空间位置，记录X方向的磁场产生的电压匕，测量赫姆 霍兹线圈空间磁场分布。表4赫姆霍兹线圈空间磁场分布测量B =04高斯X00.05R0.1R0.15R0.2R0.25R0.3R