實驗五地磁場測定

1、實驗五 地磁場測定一概述地磁場作為一種天然磁源，在軍事、航空、航海、工業(yè)、醫(yī)學、探礦等科研中有著重要用途。本儀器采用新型坡莫合金磁阻傳感器測量地磁場的重要參量，通過實驗可以掌握磁阻傳感器定標以及測量地磁場水平分量和磁傾角的方法，了解測量弱磁場的一種重要手段和實驗方法，本儀器與其他地磁場實驗儀(如正切電流計測地磁場實驗儀)相比具有以下優(yōu)點：1實驗轉盤經過精心設計，可自由轉動，方便地調節(jié)水平和鉛直。內轉盤相隔，具有兩組游標，這樣既提高了測量精度，又消除了偏心差。 2新型磁阻傳感器的靈敏度高達50V/T，分辨率可達T，穩(wěn)定性好。用本儀器做實驗，便于學生掌握新型傳感器定標，及用磁阻傳感器測量弱磁場的方

2、法，測量地磁場參量準確度高；3本儀器不僅可測地磁場水平分量，而且能測出地磁場的大小與方向，這是正切電流計等地磁場實驗儀所不能達到的。本儀器可用于高校、中專的基礎物理實驗、綜合性設計性物理實驗及演示實驗。二儀器技術要求1磁阻傳感器 工作電壓 6V，靈敏度50V/T2亥姆霍茲線圈 單只線圈匝數(shù)N=500匝，半徑10cm.3直流恒流源 輸出電流0200.0mA 連續(xù)可調4直流電壓表 量程019.99mV，分辨率0.01mV5測量地磁場水平分量 不確定度小于3%6測量磁傾角 不確定度小于3%7儀器的工作電壓 AC 22010V三儀器外型FD-HMC-2型 磁阻傳感器與地磁場實驗儀(以下實驗講義和實驗結

3、果由復旦大學物理實驗教學中心提供)一簡介地磁場的數(shù)值比較小，約T量級，但在直流磁場測量，特別是弱磁場測量中，往往需要知道其數(shù)值，并設法消除其影響，地磁場作為一種天然磁源，在軍事、工業(yè)、醫(yī)學、探礦等科研中也有著重要用途。本實驗采用新型坡莫合金磁阻傳感器測量地磁場磁感應強度及地磁場磁感應強度的水平分量和垂直分量；測量地磁場的磁傾角，從而掌握磁阻傳感器的特性及測量地磁場的一種重要方法。由于磁阻傳感器體積小，靈敏度高、易安裝，因而在弱磁場測量方面有廣泛應用前景。二實驗原理 物質在磁場中電阻率發(fā)生變化的現(xiàn)象稱為磁阻效應。對于鐵、鈷、鎳及其合金等磁性金屬，當外加磁場平行于磁體內部磁化方向時，電阻幾乎不隨外

4、加磁場變化；當外加磁場偏離金屬的內部磁化方向時，此類金屬的電阻減小，這就是強磁金屬的各向異性磁阻效應。 HMC1021Z型磁阻傳感器由長而薄的坡莫合金(鐵鎳合金)制成一維磁阻微電路集成芯片(二維和三維磁阻傳感器可以測量二維或三維磁場)。它利用通常的半導體工藝，將鐵鎳合金薄膜附著在硅片上，如圖1所示。薄膜的電阻率依賴于磁化強度和電流方向間的夾角，具有以下關系式 （1） 其中、分別是電流平行于和垂直于時的電阻率。當沿著鐵鎳合金帶的長度方向通以一定的直流電流，而垂直于電流方向施加一個外界磁場時，合金帶自身的阻值會生較大的變化，利用合金帶阻值這一變化，可以測量磁場大小和方向。同時制作時還在硅片上設計了

5、兩條鋁制電流帶，一條是置位與復位帶，該傳感器遇到強磁場感應時，將產生磁疇飽和現(xiàn)象，也可以用來置位或復位極性；另一條是偏置磁場帶，用于產生一個偏置磁場，補償環(huán)境磁場中的弱磁場部分(當外加磁場較弱時，磁阻相對變化值與磁感應強度成平方關系)，使磁阻傳感器輸出顯示線性關系。 HMC1021Z磁阻傳感器是一種單邊封裝的磁場傳感器，它能測量與管腳平行方向的磁場。傳感器由四條鐵鎳合金磁電阻組成一個非平衡電橋，非平衡電橋輸出部分接集成運算放大器，將信號放大輸出。傳感器內部結構如圖2所示。圖2中由于適當配置的四個磁電阻電流方向不相同，當存在外界磁場時，引起電阻值變化有增有減。因而輸出電壓可以用下式表示為 (2)

6、 圖1磁阻傳感器的構造示意圖 圖2磁阻傳感器內的惠斯通電橋對于一定的工作電壓，如，HMC1021Z磁阻傳感器輸出電壓與外界磁場的磁感應強度成正比關系， （3） （3）式中，為傳感器的靈敏度，為待測磁感應強度。為外加磁場為零時傳感器的輸出量。 由于亥姆霍磁線圈的特點是能在其軸線中心點附近產生較寬范圍的均勻磁場區(qū)，所以常用作弱磁場的標準磁場。亥姆霍磁線圈公共軸線中心點位置的磁感應強度為 （4）（4）式中為線圈匝數(shù)，為線圈流過的電流強度，為亥姆霍磁線圈的平均半徑，為真空磁導率。四實驗裝置 測量地磁場裝置如圖3所示。它主要包括底座、轉軸，帶角刻度的轉盤、磁阻傳感器的引線、亥姆霍磁線圈、地磁場測定儀控制

7、主機(包括數(shù)字式電壓表、5V直流電源等)五實驗內容基本實驗內容1將磁阻傳感器放置在亥姆霍茲線圈公共軸線中點，并使管腳和磁感應強度方向平行。即傳感器的感應面與亥姆霍磁線圈軸線垂直。用亥姆霍磁線圈產生磁場作為已知量，測量磁阻傳感器的靈敏度。2將磁阻傳感器平行固定在轉盤上，調整轉盤至水平(可用水準器指示)。水平旋轉轉盤，找到傳感器輸出電壓最大方向，這個方向就是地磁場磁感應強度的水平分量的方向。記錄此時傳感器輸出電壓后，再旋轉轉盤，記錄傳感器輸出最小電壓，由，求得當?shù)氐卮艌鏊椒至俊?將帶有磁阻傳感器的轉盤平面調整為鉛直，并使裝置沿著地磁場磁感應強度水平分量方向放置，只是方向轉900。轉動調節(jié)轉盤，分

8、別記下傳感器輸出最大和最小時轉盤指示值和水平面之間的夾角和，同時記錄此最大讀數(shù)和。由磁傾角計算的值。4由，計算地磁場磁感應強度的值。并計算地磁場的垂直分量。本實驗須注意：實驗儀器周圍的一定范圍內不應存在鐵磁金屬物體，以保證測量結果的準確性。六實驗數(shù)據(jù)例 亥姆霍茲線圈每個線圈匝數(shù)匝，線圈的半徑;真空磁導率。 亥姆霍茲線圈軸線上中心位置的磁感應強度為(二個線圈串聯(lián)) 式中，為磁感應強度單位(特斯拉)；為通過線圈的電流，單位(安培)。1. 上海復旦大學校園內，樓外空曠地，測量地磁場參量。a. 測量傳感器的靈敏度表1中，正向輸出電壓是指勵磁電流為正方向時測得的磁阻傳感器產生的輸出電壓，而反向是指勵磁電

9、流為反向時，傳感器輸出電壓，。測正向和反向兩次,目的是消除地磁沿亥姆霍茲線圈方向(水平)分量的影響。表1 室外空曠地上測量傳感器靈敏度勵磁電流磁感應強度平均 正向反向10.00.4496187-1.881.87520.0 0.89223.75-3.773.760 30.0 1.34885.61-5.655.630 40.0 1.79847.44-7.497.46550.02.2480 9.29-9.379.330 60.0 2.697611.12-11.2311.175用計算器進行最小二乘法擬合，得到該磁阻傳感器的靈敏度，相關系數(shù)為0.99998。(傳感器工作電壓取5V，靈敏度K=41V/T,

10、現(xiàn)產品傳感器采用工作電壓為6V,靈敏度約50V/T)b. 測量地磁場的水平分量；地磁場的磁感應強度；地磁場的垂直分量,磁傾角。方法：(1) 將亥姆霍茲線圈與直流電源的連接線拆去。(2) 把轉盤刻度調節(jié)到角度。(3) 調節(jié)底板使磁阻傳感器輸出最大電壓，同時調節(jié)底板上螺絲使轉盤水平(用儀器配套的水準儀調節(jié)水平)。 (4) 測地磁場水平分量:測量輸出電壓和反向轉，測地磁場水平分量，然后計算地磁場水平分量。(5) 將轉盤垂直，此時轉盤面為地磁子午面方向，轉動轉盤角度，測量地磁場的磁感應強度和磁傾角。測量磁傾角時須改變角度，求多次測量的平均值。43.043.544.044.545.046.02.022.

11、032.032.032.032.0347.047.548.048.549.02.032.032.032.032.02表2 磁傾角值的測量直接測量地磁場水平分量，計算得地磁場水平分量磁感應強度，地磁場,計算得地磁場磁感應強度,磁傾角；地磁場垂直分量磁感應強度,最新上海地區(qū)地磁場水平分量為，磁傾角為。誤差小于。2. 復旦大學物理樓三樓311室，測量地磁場參量。 表3 磁阻傳感器的定標勵磁電流磁感應強度平均 正向反向10.0 0.44962.25-2.382.31520.00.89224.52-4.484.500 30.01.34886.83-6.776.800 40.0 1.79849.06-8.

12、989.020 50.0 2.2480 11.30 -11.1311.215 60.0 2.697613.52-13.2813.400 用計算器對直線擬合得：，相關系數(shù)為0.99998。電壓 序號12345平均結果0.950.950.950.950.950.95B=-3.41-3.41-3.42-3.41-3.41-3.410.080.080.080.080.080.08B=-2.82-2.82-2.82-2.82-2.82-2.82表4地磁場測量結果測得復旦大學物理樓三樓物理實驗室，磁傾角。用本儀器測量地磁場水平分量與1985年用正切電流計測量復旦大學物理樓三樓地磁場水平分量的結果T相當一致

13、，這間接證明本儀器測量結果是準確的。關于正切電流計測量地磁場水平分量的實驗方法和測量結果，請見賈玉潤等主編，大學物理實驗，復旦大學出版社，1987：256-258，結果在258頁例中列出。表5 不同位置及不同結構大樓地磁場水平分量測量結果測量位置校園內操場空地物理樓三樓復旦科技園區(qū)2號樓五樓試制組金屬屏蔽情況水泥地面無金屬1959年建造地頂為鋼筋水泥，墻為泥磚2000年建造全鋼筋水泥結構測得地磁場水平分量0.34110T0.29410T0.26810T磁傾角46.046.046.0六實驗注意事項1測量地磁場水平分量，須將轉盤調節(jié)至水平；測量地磁場和磁傾角時，須將轉盤面處于地磁子午面方向。2.

14、測量磁傾角應記錄不同時，傳感器輸出電壓，應取10組值，求其平均值。這是因為測量時，偏差，變化很小，偏差，,所以在偏差至范圍變化極小，實驗時應測出變化很小角的范圍，然后求得平均值。七思考題1磁阻傳感器和霍耳傳感器在工作原理和使用方法方面各有什么特點和區(qū)別？2如果在測量地磁場時，在磁阻傳感器周圍較近處，放一個鐵釘，對測量結果將產生什么影響？3為何坡莫合金磁阻傳感器遇到較強磁場時，其靈敏度會降低？用什么方法來恢復其原來的靈敏度？八參考資料1賈玉潤、王公治、凌偑玲主編。大學物理實驗，上海復旦大學，1987：492-4932魯紹曾、現(xiàn)代計量學概論。北京，中國計量出版社，1987：492-4933黃一菲、

15、鄭神、吳亮、陸申龍，玻莫合金磁阻傳感器的特性研究和應用、物理實驗。第22卷第4期，2002 ，4：45-484Honeywell公司，固態(tài)傳感器(磁阻傳感器部分)說明書，20015沈元華、陸申龍主編，基礎物理實驗，北京：高等教育出版社，20036黃德星。磁敏感器件及其應用M。北京： 科學出版社，19877 里夫、王秀琴等編著，常用物理常數(shù)手冊、云南人民出版社、1983、10：157158附錄1:地磁場 地球本身具有磁性，所以地球和近地空間之間存在著磁場，叫做地磁場。地磁場的強度和方向隨地點(甚至隨時間)而異。地磁場的北極、南極分別在地理南極、北極附近，彼此并不重合，如圖5所示，而且兩者間的偏差

16、隨時間不斷地在緩慢變化。地磁軸與地球自轉軸并不重合，有交角。 在一個不太大的范圍內，地磁場基本上是均勻的，可用三個參量來表示地磁場的方向和大小(如圖6所示)：(1) 磁偏角，地球表面任一點的地磁場矢量所在垂直平面(圖6中與Z構成的平面，稱地磁子午面)，與地理子午面(圖6中X、Z構成的平面)之間的夾角。(2) 磁傾角，磁場強度矢量與水平面(即圖6的矢量和OX與OY構成平面的夾角)之間的夾角。(3) 水平分量，地磁場矢量在水平面上的投影。測量地磁場的這三個參量，就可確定某一地點地磁場矢量的方向和大小。當然這三個參量的數(shù)值隨時間不斷地在改變，但這一變化極其緩慢，極為微弱。附錄2:我國一些城市的地磁參

17、量(地磁要素)地名地理位置磁傾角D(偏西)磁傾角I水平強B(10T)測定年份北緯東經齊齊哈爾47221235973464270.2421916長春43511263673060200.2661916沈陽41501232864958430.277北京39561162044857230.2891936天津3905.91171140456210.2931916太原3751.91123331855110.3011932濟南3639.51170133653060.3081915蘭州3603.41034811553240.312鄭州34451134301850430.320 1932西安34161085730250290.3231932南京3203.81184814246430.3311922上海3111.51212631345250.333成都30381040305845060.346武漢30371142022344340.343安慶30321170244270.3411911杭州30161200825944050.3371917南昌2842.41155115141490.3491917長沙2812.81125305041110.3521907福州2602.21191114327280.3551917桂林2517.71101200536130.366