地磁場測定實驗201309

1、地磁場測定實驗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。地磁場 的數(shù)值比較小，約10-5T量級，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(shè)法消除 影響。本實驗采用坡莫合金磁阻傳感器測量地磁場磁感應(yīng)強度及其水平分量、垂直分量和地磁場的磁傾角。 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(yīng)用前景。一、實驗?zāi)康牧私獯抛鑲鞲衅鞯母飨虍愋源抛栊?yīng)。掌握測量地磁場的定標及測量原理和方法。熟練使用最小二乘法擬合。二、實驗原理地球本身具有磁性，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)

2、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1所示，而且兩者 間的偏差隨時間不斷地在緩慢變化。地磁軸與地球自轉(zhuǎn)軸并不重合，有11。交角。在一個不太大的范圍內(nèi)， 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2所示):磁偏角a，地球表面任一點的地磁場矢量所在垂直平面(圖2中B與Z構(gòu)成的平面，稱地磁子午面)，與地理子午面(圖2中X、Z構(gòu)成的平面)之間的夾角。X.磁傾角。，磁場強度矢量B與水平面(即圖2的矢量B和OX與OY構(gòu)成平面的夾角)之間的夾角。_水平分量B水平 地磁場矢量B在水平面上的投影。圖1地磁場的兩極圖5圖2地磁物的三個參量_測量地磁場的這三個參

3、量，就可確定某一地點地磁場B矢量的方向和大小。當然這三個參量的數(shù)值隨 時間不斷地改變，但這一變化極其緩慢，極為微弱。物質(zhì)在磁場中電阻率發(fā)生變化的現(xiàn)象稱為磁阻效應(yīng)。對于鐵、鉆、鎳及其合金等磁性金屬，當外加磁 場平行于金屬磁體內(nèi)部磁化方向時，電阻幾乎不隨外加磁場變化；當外加磁場偏離金屬內(nèi)部磁化方向時， 金屬的電阻減小，這就是強磁金屬的各向異性磁阻效應(yīng)。HMC1021Z型磁阻傳感器是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 磁阻傳感器可以用于測量二維或三維磁場)。利用半導體工藝，將鐵鎳合金薄膜附著在硅片上，如圖3所示。 薄膜的電阻率P()依賴于磁化強度M和電流I方向間的夾

4、角。，具有以下關(guān)系式p() = P+ (P - P)cos2 (1)其中P、P分別是電流I平行于M和垂直于M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發(fā)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。作為一種單邊封裝的磁場傳感器，HMC1021Z磁阻傳感器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(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖4所示。圖4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

5、壓Uuut可以用下式表示為Uout竺、R J玻莫合金薄膜圖4磁阻傳感器內(nèi)的惠斯通電橋圖3磁阻傳感器的構(gòu)造示意圖對于一定的工作電壓，如Ub = 5.00V，HMC1021Z磁阻傳感器輸出電壓U u與外界磁場的磁感應(yīng)強度成正比關(guān)系，(3)U = U 0 + KB式（3）中，K為傳感器的靈敏度，B為待測磁感應(yīng)強度。U0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(chǎn)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(yīng)強度為(4)B C旦R 53/2式（4）中N為線圈匝數(shù)，I為線圈流過的電流強度，R為亥姆霍磁線圈的平均半徑，M 0為

6、真空磁導率。三、實驗儀器測量地磁場裝置如圖5所示。它主要包括底座、轉(zhuǎn)軸，帶角刻度的轉(zhuǎn)盤、磁阻傳感器的引線、亥姆霍 磁線圈、地磁場測定儀控制主機（包括數(shù)字式電壓表、5V直流電源等）。圖5傳感器特性測量裝置圖6用磁阻傳感器測量地磁場實驗裝置四、實驗內(nèi)容測量磁阻傳感器的靈敏度K（1）調(diào)整轉(zhuǎn)盤至水平，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(yīng)強度方向 平行。即把轉(zhuǎn)盤刻度調(diào)節(jié)到角度。=0。，使傳感器的感應(yīng)面與亥姆霍磁線圈軸線垂直。（2）接通儀器主機電源，主機恒流源逆時針旋至最小，磁阻傳感器輸出復(fù)位、調(diào)零。（3）將亥姆霍茲線圈串聯(lián)連接通入勵磁電流，用亥姆霍茲線圈產(chǎn)生磁場作為已知量，測量磁

7、阻傳感器 的靈敏度K。亥姆霍茲線圈每個線圈匝數(shù)N = 500匝，線圈的半徑r = 10 cm ；真空磁導率 M 0= 4n x 10-7 N/A2。亥姆霍茲線圈軸線上中心位置的磁感應(yīng)強度為（二個線圈串聯(lián)）：B =心=8 x 4n x 10-7 x 500 x i = 44.96 x 10-4 I（5）R 53/20.100 x 53/2式（5）中，B為磁感應(yīng)強度單位T （特斯拉）；I為通過線圈的電流，單位A （安培）。表1中，正向輸出電壓U1是指勵磁電流為正方向時測得的磁阻傳感器產(chǎn)生的輸出電壓，而反向七是 指勵磁電流為反向時，傳感器輸出電壓，U = （U1 - U2）/2。測正向和反向，目的是

8、消除地磁沿亥姆霍茲 線圈方向（水平）分量的影響。改變電流方向時，應(yīng)先調(diào)節(jié)電流輸出為零，再改變電流輸出方向。表1測量傳感器靈敏度xyx - y勵磁電流 I/mA磁感應(yīng)強度B/10-4T正向U1/mV反向U2/mV此.-u|21 /mV210.0020.0030.0040.0050.0060.0070.0080.00平均y = a0 + a1X，利用最小二乘法擬合得:X2 一x2x y x - y.;(x2 x2)(y 2 y2)得到該磁阻傳感器的靈敏度K = a1x、y的相關(guān)性如何?測量地磁場水平分供水平（1）將亥姆霍茲線圈與直流電源的連接線拆去，調(diào)整底板螺絲使轉(zhuǎn)盤至水平（可用水準器指示）。（2

9、）調(diào)節(jié)角游標對準零刻度線9 = 0。，水平轉(zhuǎn)動實驗裝置底盤，找到傳感器輸出電壓最大方向，此時傳感器管腳與地磁場磁感應(yīng)強度的水平分加水平的方向一致。記錄此時傳感器輸出最大電壓U1后，再旋轉(zhuǎn)帶有磁阻傳感器的內(nèi)轉(zhuǎn)盤，記錄傳感器輸出最小電壓七。由-U - U=KB水平，求得當?shù)氐卮艌鏊椒稚八?。?測量地磁場水平分量B傳感器的輸出電壓2/次數(shù)n正向U1/mV反向5Ui=胃 /mV123456U U-平均值U水平=i=1 1 /mV ；磁場強度的水平分量：B水平=令/T百分誤差E = 水平 理論x 100% b B 理論測量地磁場的磁傾角日；磁感應(yīng)強度B及垂直分量B垂直保持傳感器管腳與地磁場磁感應(yīng)強度

10、的水平分量方向一致將帶有磁阻傳感器的轉(zhuǎn)盤平面調(diào)整為鉛直，此時轉(zhuǎn)盤面處于地磁子午面方向，角游標對準零刻度 線；轉(zhuǎn)動調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)盤，分別記下傳感器輸出最大和最小時轉(zhuǎn)盤指示值和水平面之間的夾邠1和F 2， 同時記錄此最大讀數(shù)U和%。由磁傾角。=(p 1 + P 2)/2計算p的值。由_ U J / 2 = KB，計算地磁場磁感應(yīng)強度B的 值。并計算地磁場的垂直分量B垂直=Bslnp。表3測量地磁場磁場強度B總傳感器的輸出電壓及磁傾角p次數(shù)n正向U1/mV反向U2/mVUi= 5 /mVi2P 1/P 2/OP j 捋 /123456Eq平均值U總=i=1/mVB總=K總燈；E - p百分誤差：E =些x

11、100%p p理論E pi平均值P = 4nB垂直=B 總-sin p /T1.2.六、測量地磁場水平分量，須將轉(zhuǎn)盤調(diào)節(jié)至水平；測量地磁場U總和磁傾角P時，須將轉(zhuǎn)盤面處于地磁子 午面方向。測量磁傾角應(yīng)記錄不同6值，傳感器輸出電壓U總，應(yīng)取6組P值，求其平均值。這是因為測量時，偏 差1。，U= U總cosl。= 0.998 U總變化很小，偏差4。，U在偏差1。至4。范圍U變化極小，實驗時應(yīng)測出U變化很小P角的范圍，然后求得平均值P?？偪偹伎碱}=U嚴4。= 0.998 U總，所以五、注意事項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？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(jié)果將產(chǎn)生什么影響？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(fù)其原來的靈敏度?附錄：我國一些城市的地磁參量（地磁要素）地名地理位置磁偏角a（偏西）磁傾角0B水平(10 -4 T)測定年份北緯東經(jīng)齊齊哈爾47 22，123 59，7 34，64 27，0.2421916長春43 51，126 36，