FB520型三維亥姆霍茲線圈磁場實(shí)驗(yàn)儀說明書

1、用集成霍爾元件測定亥姆霍茲FB5型三維亥姆霍茲線圈磁場實(shí)驗(yàn)儀）實(shí)義杭州精科儀器有限公司用集成霍爾元件測定載流圓線圈與亥姆霍茲線圈磁場在工業(yè)、國防、科研中都需要對磁場進(jìn)行測量，測量磁場的方法有不少，如沖擊電流 計法、霍耳效應(yīng)法、核磁共振法、天平法、電磁感應(yīng)法等等，本實(shí)驗(yàn)介紹霍爾效應(yīng)法測磁 場的方法，它具有測量原理簡單，測量方法簡便及測試靈敏度較高等優(yōu)點(diǎn)?！緦?shí)驗(yàn)?zāi)康摹?了解用霍爾效應(yīng)法測量磁場的原理，掌握FB520型三維亥姆霍茲線圈磁場實(shí)驗(yàn)儀的使用方法。2. 了解載流圓線圈的軸向磁場和徑向磁場分布情況。3測量載流圓線圈和亥姆霍茲線圈的軸線上的磁場分布。4.當(dāng)兩平行線圈的間距改變?yōu)?d二R / 2和

2、d = 2R時，測定其軸線上的磁場分布?！緦?shí)驗(yàn)原理】1.載流圓線圈與亥姆霍茲線圈的磁場1）載流圓線圈磁場根據(jù)畢奧-薩伐爾定律一半徑為 R，通以直流電流I的圓線圈，其軸線上離圓線圈中 心距離為X米處的磁感應(yīng)強(qiáng)度的表達(dá)式為 ：2o * No * I *R B2（R2 +X2）3/2式中N 0為圓線圈的匝數(shù)，X為軸上某一點(diǎn)到圓心磁場的分布圖如圖1所示，是一條單峰的關(guān)于（2）亥姆霍茲線圈(1)O的距離，=4 二 10H/m,Y軸對稱的曲線。A B勻強(qiáng)磁場OX圖丄載銃圓線圈的磁場分布o(jì)x圖2亥姆霍茲線圏的磁場分布通以同方向電流I，線圈間距等于線圈半徑（即 （理論計算也可以證明）：兩線圈合磁場在兩個完全相

3、同的圓線圈彼此平行且共軸， d =R）時，從磁感應(yīng)強(qiáng)度分布曲線可以看出， 中心軸線上（兩線圈圓心連線）附近較大范圍內(nèi)是均勻的，這樣的一對線圈稱為亥姆霍茲 線圈，如圖2所示。從分布曲線可以看出，在兩線圈中心連線一段，出現(xiàn)一個平臺，這說 明該處是勻強(qiáng)磁場。根據(jù)霍爾效應(yīng)可以知道，當(dāng)霍爾探頭放入磁場中時，由于運(yùn)動電荷受到洛倫茲力作 用，電流方向會發(fā)生偏離，在某兩個端面之間產(chǎn)生的電勢差，通過電勢差的大小就可以測 量磁場的大小。當(dāng)亥姆霍茲線圈兩線圈通有方向一致的電流時，兩線圈形成的磁場方向也 一致，兩線圈之間就形成均勻磁場，霍爾探頭在該區(qū)域運(yùn)動時其測量的數(shù)值幾乎不變。當(dāng) 然兩線圈通上相反方向電流，則其間的

4、磁場可以互相抵消為零。如果Z是亥姆霍茲線圈中心軸線上離中心O點(diǎn)的距離，則該點(diǎn)的磁由理論計算可知， 感應(yīng)強(qiáng)度：由該公式推論，當(dāng) Z R 2 R2=0時，即亥姆霍茲線圈中心軸中心點(diǎn)R2O的磁感應(yīng)強(qiáng)度為:(2)(3) N -I 8=A 0R532圖3是亥姆霍茲線圈兩線圈間隔距離等于R/2, R, 2R時線圈中心軸線上的磁感應(yīng)強(qiáng)度的分布特性曲線，從圖中可以看出幾種特性曲線的不同特點(diǎn)。202 -10 -8-6-4-2024681012 X(ca)圖$亥姆霍茲線圏間距改變時，磷場分布曲線【實(shí)驗(yàn)儀器】FB520型三維亥姆霍茲線圈磁場實(shí)驗(yàn)儀 。一. FB520三維線圈磁場實(shí)驗(yàn)信號源儀器背部為FB520交流電源

5、插座和電源開關(guān)，以及配實(shí)驗(yàn)儀測試架的專用插座。儀器主機(jī)見圖4FB520三維亥姆霍茲線圈磁場圖4 FBP0型三維亥姆霍茲線圈磁場實(shí)驗(yàn)儀實(shí)物片1 勵磁電流I M輸出：直流0 0.500A恒流輸出連續(xù)可調(diào)，接到測試架的勵磁線圈，提 供實(shí)驗(yàn)用的勵磁電流。勵磁電流 |M輸出端連接到測試架線圈時，可以選擇接單個線圈或 雙線圈。接雙線圈時，將兩線圈串聯(lián)，即一個線圈的黑接線柱與另一線圈的紅接線柱相連。 另外兩端子接至實(shí)驗(yàn)儀的 IM端。2 由集成霍爾元件構(gòu)成的微特斯拉計：每臺儀器在出廠時，工作電流Is及集成霍爾元件輸出信號放大器都已配套調(diào)節(jié)好，只要用專用四芯連接線把實(shí)驗(yàn)儀與測試架連接。測量磁 感應(yīng)強(qiáng)度B可直接讀

6、數(shù)。使用前，在儀器位置方向確定后，在勵磁電流為零時，用調(diào)零旋 鈕調(diào)零。以消除地磁場及實(shí)驗(yàn)環(huán)境周圍的雜散磁場對實(shí)驗(yàn)的影響。（提醒：集成霍爾元件工作電流出廠時已配對調(diào)好，如果把實(shí)驗(yàn)儀與測試架互換，將造成測試數(shù)據(jù)不準(zhǔn)，甚至出 現(xiàn)無法調(diào)零的情況，這時只要注意按儀器上的編號更正即可）。3換向開關(guān)：用于改變磁場線圈勵磁電流 |M的方向。二. FB520三維亥姆霍茲線圈磁場測試架（本測試架的特點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)三維可靠調(diào)節(jié)）1亥姆霍茲線圈：如圖5所示，兩個圓線圈（1）、（2）安裝于底板（3） 上，其中圓線圈（1）為固定線圈， 圓線圈（2）可以沿底板移動，從而調(diào)節(jié)兩線圈的間距，移動范圍為：d =50 200mm ,操作

7、時，只需松開圓線圈（2）底座上的緊固螺釘，就可以用雙手均勻地移動圓線圈（2）,從而改變兩個圓線圈的間距，實(shí)驗(yàn)架上設(shè)有R, 2R, R/2等位置標(biāo)志，移到所需的位置后，再擰緊緊固螺釘。勵磁電流通過圓線圈后面的插孔接入，可以做單個線圈或雙線圈的 磁場分布。2.三維可移動裝置：見圖5，滑塊（10）可以沿導(dǎo)軌（5）左右移動，配合銅桿（8）的位置調(diào)節(jié)，可以改變集 成霍爾元件（4） X方向的位置坐標(biāo)，移動距離：一 200mm。移動時，用力要輕，速度不可過快，如果滑塊移動時阻力太大或太松，則應(yīng)適當(dāng)調(diào)節(jié)滑塊上的螺釘（9）的松緊度；左右（即X方向）移動不能影響前后方向即Y方向位置；必要時，可以鎖緊導(dǎo)軌（5）右端

8、的緊定螺釘（13）,防止Y方向位置發(fā)生改變。沿 Y方向輕推滑塊（10）,讓導(dǎo)軌（5） 沿導(dǎo)軌（6）均勻移動，可使集成霍爾元件 Y方向的位置坐標(biāo)變化，移動距離：_80mm ；這時，導(dǎo)軌（5）右端的緊定螺釘（13）應(yīng)處于松開狀態(tài)。注意：這時不可左右方向用力， 以免改變集成霍爾元件 X方向的位置。 松開緊固螺釘（12）,銅桿（8）可以沿導(dǎo)軌（7）上下移動，移到所需的位置后，再擰緊緊固螺釘（12）,用于改變霍爾元件 Z方向的位置坐標(biāo)，移動距離：_80mm。在進(jìn)行X方向位置移動時，一般將 Z方向標(biāo)尺置于0點(diǎn)，這 樣保證集成霍爾元件正處于線圈中心軸線上。實(shí)驗(yàn)裝置在X,Y,Z方向均配有位置標(biāo)尺，是三維磁場測

9、量系統(tǒng)，可以方便地測量空間磁場的三維坐標(biāo)。3. 集成霍爾元件：裝置采用優(yōu)質(zhì)95A集成霍爾元件，特點(diǎn)是靈敏度高，溫度漂移小，作為微特斯拉計的 傳感器是非常好的選擇?？梢詫θS磁場分布進(jìn)行準(zhǔn)確測量。集成霍爾元件（4）安裝于銅管（8）的左前端，導(dǎo)線從銅管中引出，連接到測試架后面板上的專用插座。改變圓線圈（2）的位置進(jìn)行磁場分布測量實(shí)驗(yàn)時， 為了讀數(shù)方便，應(yīng)該改變銅管（8） 的位置。松開緊固螺釘（11）,移動銅管至R, 2R, R/2的位置，對應(yīng)于圓線圈（2）在 R, 2R, R/2的位置，這樣做的優(yōu)點(diǎn)是移動滑塊（ 10）時，X方向的讀數(shù)是以0位置為 對稱的。如果不改變銅管（8）的位置，則應(yīng)對 X方向

10、位置讀數(shù)進(jìn)行修正?！緦?shí)驗(yàn)內(nèi)容】1測量單個載流圓線圈（1）軸線上（X方向）磁場B1的分布： 用連接線將勵磁電流Im輸出端連接到圓線圈（1）,霍爾傳感器探頭的信號線連接到測試架后面板的專用四芯插座。緊固滑塊（10）,再擰緊緊固螺釘（12）。 開機(jī)前，預(yù)熱10分鐘，調(diào)節(jié)FB520型霍爾法亥姆霍茲線圈磁場實(shí)驗(yàn)儀的電流調(diào)節(jié)，使勵磁電流Im =0.000A,在線圈磁場強(qiáng)度等于零的條件下，把特斯拉計調(diào)零（目的是消除地磁場和其他環(huán)境雜散干擾磁場以及不平衡電勢的影響），這樣特斯拉計就校準(zhǔn)好了。（注意：如果測量過程中改變了測試架位置方向，需重復(fù)調(diào)零步驟。） 調(diào)節(jié)勵磁電流lM =0.500A，移動X方向?qū)к壔瑝K（1

11、0）,以10mm為間隔距離測量單個線圈通電時軸線上各點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度，將數(shù)據(jù)記錄在表1,即圓線圈軸線上 B的分布圖，并繪出B1 X曲線。表 1 B1 X 關(guān)系 （lM = 0.500A ）載流圓線圈（1）軸線上磁場分布的數(shù)據(jù)記錄（坐標(biāo)原點(diǎn)設(shè)在圓線圈中心）軸向距離X （mm）磁感應(yīng)強(qiáng)度B 實(shí)（mT）相對誤差%-200-50-40-30-20-10010203040502002測量單個載流圓線圈 2軸線上（X方向）磁場B2的分布：表 2 B2 X 關(guān)系 （L = ： 0.500A ）載流圓線圈（1）軸線上磁場分布的數(shù)據(jù)記錄（坐標(biāo)原點(diǎn)設(shè)在圓線圈中心）軸向距離X （mm）磁感應(yīng)強(qiáng)度B 實(shí)（mT）相對誤差

12、%-200-50-40-30-20-1001020304050200（1）先松開線圈（2）的固定螺絲，把兩線圈的距離調(diào)節(jié)到 d = R =100mm，組成亥姆霍 茲線圈。要達(dá)到這樣的設(shè)置只需要將銅管位置到 R處，Y方向?qū)к墸?），Z方向?qū)к墸?） 都置于（0），固定螺絲，這樣就可以將霍爾位于亥姆霍茲線圈的軸線上。（2）將線圈（1），（2）同向串聯(lián)，并通入勵磁電流|M。（3）與前相同，開機(jī)前預(yù)熱10分鐘，調(diào)節(jié)FB520型亥姆霍茲線圈磁場實(shí)驗(yàn)儀的電流調(diào)節(jié)， 使勵磁電流IM = 0.000A ,在線圈磁場強(qiáng)度等于零的條件下，把特斯拉計調(diào)零。 調(diào)節(jié)勵磁電流Im =0.5A，移動X方向?qū)к?，?0mm為

13、間隔距離測量通電亥姆霍茲 線圈軸線上磁感應(yīng)強(qiáng)度。記錄數(shù)據(jù)填入表3,并繪出Br X曲線。表 3 BR X 關(guān)系 （lM 二 _0.500A）載流圓線圈（1）軸線上磁場分布的數(shù)據(jù)記錄（坐標(biāo)原點(diǎn)設(shè)在圓線圈中心）軸向距離X （mm）磁感應(yīng)強(qiáng)度B 實(shí)（mT）相對誤差%-200-50-40-30-20-10010203040502004.比較與驗(yàn)證磁場疊加原理:將表1和表2中的磁場強(qiáng)度B1, B2數(shù)據(jù)按X方向的坐標(biāo)位置相加，得到B1 B2，將B1, B2數(shù)據(jù)及B1 B2數(shù)據(jù)繪制在一起并與表 3的Br數(shù)據(jù)比較。（注：以下內(nèi)容選做）：*5 .測量兩線圈不同距離時兩線圈軸線上各點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度：（1）移動載流圓線

14、圈（2）到載流圓線圈（1）距離為50mm即d二R/2的地方，銅管位置也到R/2處，重復(fù)前敘內(nèi)容，并繪出 Br X曲線。表格自擬。/2（2）移動載流圓線圈（2）到載流圓線圈（1）距離為200mm即d =2R地方，銅管位置也到 便2R處，重復(fù)前敘內(nèi)容，并繪出B2R X曲線。表格自擬。 將一起繪出Br X圖，B2R X圖和Br X圖，并進(jìn)行比較，分析總結(jié)出通電線圈軸線上各點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度的分布規(guī)律。*6 測量亥姆霍茲線圈 Y方向上磁感應(yīng)強(qiáng)度的分布：移動載流圓線圈（2）與載流圓線圈（1）距離為100mm，銅管位置到 R '處，X向?qū)?軌（10）, Z向?qū)к墸?），均置零。調(diào)節(jié)勵磁電流 g =0.

15、5A，移動Y方向?qū)к?，以?10mm為間隔距離測量一個數(shù)據(jù)，方法與前類似，繪出B Y曲線。表格自擬。*7 測量亥姆霍茲線圈 Z方向上磁感應(yīng)強(qiáng)度的分布： 線圈，線圈（1）的距離，銅管位置均不變，X方向?qū)к墸?0）, Z方向?qū)к墸?）,均置零。調(diào)節(jié)勵磁電流，lM =0.5A，移動Z方向?qū)к墸悦?0mm為間隔距離測量 一個數(shù)據(jù)，方法與前類似，繪出B Z曲線。表格自擬。*8 測量亥姆霍茲線圈任意位置上磁感應(yīng)強(qiáng)度的分布：根據(jù)前敘內(nèi)容，測量線圈 ，線圈的不同距離，任意點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度，需要相應(yīng)調(diào) 節(jié)X, Y, Z方向的導(dǎo)軌，置集成霍爾傳感器于所需要測量的位置上?！靖戒洝縁B520型三維亥姆霍茲線圈磁場實(shí)驗(yàn)

16、儀使用說明書一.用途及特點(diǎn)：1. 用途：FB520型三維亥姆霍茲線圈磁場測量實(shí)驗(yàn)儀設(shè)計有連續(xù)可調(diào)穩(wěn)壓、恒流電源。磁場 測定探頭采用高靈敏度 95A型集成霍爾傳感器，該儀器可用于研究載流圓線圈磁場分布、 亥姆霍茲線圈磁場分布。FB520型三維磁場實(shí)驗(yàn)儀由二部分組成：（1）磁場實(shí)驗(yàn)儀，（2）磁場測試架。2. 特點(diǎn)：（1）霍爾傳感器位置可做 X,Y,Z三維移動，從而對亥姆霍茲線圈三維磁場分布情況進(jìn)行測 量和分析研究。（2）勵磁電源可以提供連續(xù)可調(diào)的勵磁電流，并用數(shù)字式電流表精確指示。（3）兩個圓線圈，按設(shè)計要求，右邊一個為固定線圈，左邊一個線圈可以沿導(dǎo)軌平移，以實(shí)現(xiàn)改變線圈間距，滿足實(shí)驗(yàn)需要。例如使

17、間距分別為：d=R, d=R/2及d=2R等。（4）采用高靈敏度95A型集成霍爾傳感器作為磁場探頭（注意：微特斯拉計的探頭每一臺都是專配的，需按編號配套使用，不得互換，否則將不能保證測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性）。(5) 微特斯拉計設(shè)計有補(bǔ)償電路，用以消除地磁場及環(huán)境雜散磁場對磁場實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生的干擾。(注：儀器位置改變時，地磁場對探頭影響發(fā)生變化，應(yīng)重新對微特斯拉計進(jìn)行調(diào)零)。二主要性能指標(biāo)：1穩(wěn)壓恒流源輸出電流：單個圓線圈可達(dá)0 0.900A，兩個圓線圈串聯(lián)時大于 0.400A且連續(xù)可調(diào)。2 磁場測試架機(jī)械結(jié)構(gòu)：其中左邊的一個線圈的位置可以調(diào)節(jié)，可滿足實(shí)驗(yàn)中改變線圈 間距的需要：在d=R、d=R/2、d =

18、2R等特定位置，測試架和導(dǎo)軌上均刻有標(biāo)志線， 可以方便地確定線圈位置。3 測試傳感器調(diào)節(jié)范圍：軸向：_ 20.0cm徑向：水平方向 二8.0cm，垂直方向 二8.0cm4圓線圈參數(shù)：線圈平均半徑 R= 0.100m，單只匝數(shù)：400匝；允許最大勵磁電流：1000mA5. 95A集成霍爾傳感器：線性測量范圍：-67mT 67mT，工作電壓DC4.5 5.5V。靈敏度：(，線性誤差1%，溫度誤差：:：0.06% / C6 微特斯拉計顯示精度：- 2T，分辨率：1lT7 電流表顯示精度：_2mA&儀器的工作環(huán)境：大氣壓強(qiáng)為：86 106kPa ,環(huán)境溫度：0 40 C ,相對濕度：2580%9外形尺寸(長x寬x高)：FB520型三維亥姆霍茲線圈磁場實(shí)驗(yàn)儀：320 260 120mmFB520型三維亥姆霍茲線圈磁場實(shí)驗(yàn)儀測試架：800 275 270mm三儀器結(jié)構(gòu)：儀器由FB520型三維亥姆霍茲線圈磁場實(shí)驗(yàn)儀和測試架兩部分組成。參見圖4、圖5。1 FB520型霍爾法亥姆霍茲線圈磁場實(shí)驗(yàn)儀：(1) 由連續(xù)可調(diào)式直流勵磁恒流源，用數(shù)字式電流表指示勵磁電流，用鈕子式雙刀雙擲開 關(guān)改變勵磁電流的方向。(2) 提供95A型集成霍爾傳感器工作電源，接收傳感器信號加以放大處理，對地磁場及環(huán)境雜散磁場