磁场测量综合实验讲义 电子科技大学物理实验中心 作者：霍中生
XD-HRSZ1型磁场综合实验仪。
【实验原理】
物质在磁场中电阻率发生变化的现象称为磁阻效应。对于铁、钴、镍及其合金等磁性金属，当外加磁场平行于磁体内部磁化方向时，电阻几乎不随外加磁场变化；当外加磁场偏离金属的内部磁化方向时，此类金属的电阻减小，这就是强磁金属的各向异性磁阻效应。
XD-HRSZ1型磁场综合实验仪采用的是一维磁阻传感器HMC1021S，该传感器由非平衡电桥组成，电桥结构如图3-1所示。电桥的每一臂都由尺寸相同的长而薄的坡莫合金(铁镍合金)制成，其制作方法是用集成
图3-1 各向异性磁阻传感电桥结构组成
电路制作工艺将铁镍合金薄膜附着在硅片上。如图3-2，薄膜的电阻率?(?)依赖于磁化强
图3-2磁阻传感器的构造示意图 图3-3磁阻传感器内的非平衡电桥电路
度M和电流I方向间的夹角?，具有以下关系式
?(?)????(?∥???)cos2? （3-1）
其中?∥、??分别是电流I平行于M和垂直于
a 磁干扰使磁畴排列紊
M时的电阻率。当沿着铁镍合金带的长度方向通以一
定的直流电流，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。同时制作时还在硅片上设计了两条铝制电流带，一条是置位与复位带，该传感器遇到强磁场感应时，将产生磁畴饱和现象，可以用来置位或复位极性，复位的原理示意如图3-4所示；另一条是偏置磁场带，用于产生一个
偏置磁场，补偿环境磁场中的弱磁场部分，使磁阻传感器输出显示线性关系。
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c 反向置位脉冲使磁畴排列方向反转
图3-4 复位脉冲的作用
b 复位脉冲使磁畴沿易磁化轴整
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实验采用的磁阻传感器是面贴合封装的磁场传感器，它能测量与管脚平行方向的磁场。传感器由四条铁镍合金磁电阻组成一个非平衡电桥，非平衡电桥输出部分接集成运算放大器，将信号放大输出。传感器电桥电路组成如图3-3所示。图中由于适当配置的四个磁电阻电流方向不相同，当存在外界磁场时，引起电阻值变化有增有减。因而输出电压Uout可以用下式表示为
??R?Uout????Ub （3-2）
?R?对于一定的工作电压，如Ub?5.00V，磁阻传感器输出电压Uout与外界磁场的磁感应强度成正比关系，
Uout?U0?SB （3-3）
（3）式中，S为传感器的灵敏度，B为待测磁感应强度。U0为外加磁场为零时传感器的输出量。
由于亥姆霍兹线圈的特点是能在其轴线中心点附近产生较宽范围的均匀磁场区，所以常用作弱磁场的标准磁场。亥姆霍兹线圈公共轴线中心点位置的磁感应强度为
B??0NI8R53/2 （3-4）
（4）式中N为线圈匝数，I为线圈流过的电流强度，R为亥姆霍兹线圈的平均半径，?0为真空磁导率。
本实验测量地磁相对于实验桌的方向，如图3-3，桌子的左右为x方向，传感器标尺杆安装传感器的一端朝右为x+向，朝左为x-向，朝前为y+向，朝后为y-向，朝上为z+向，朝下为z-向。本实验开始前需要按实验2的方法用亥姆霍兹线圈定标磁阻传感器的灵敏度S，再测量传感器分别朝向、x-、y+、y-、z+、z-六个方向的输出电压Ux+、Ux-、Uy+、Uy-、Uz+、Uz-，用实验2中的公式（2-6）和（2-8）计算出x、y、z三个方向的磁场分量
Bx? By?Uy
U//
图3-5 测量地磁方位示意
θ β Ux
U Uz
Ux??Ux? （3-5）
ESUy??Uy?ES （3-6）
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Bz?Uz??Uz? （3-7）
ES，再按图3-5进行合成，求出水平分量U//和水平偏向角?
22B//?Bx?By （3-8）
??arctgByBx （3-9）
再求出地磁场的大小B和磁倾角?
2B?B//?Bz2 （3-10）
??arctgUz （3-11） U//【实验内容】
基本实验内容：
1、将磁阻传感器放置在亥姆霍兹线圈公共轴线中点，并使管脚和磁感应强度方向平行。即传感器的感应面与亥姆霍兹线圈轴线垂直。用亥姆霍兹线圈产生磁场作为已知量，测量磁阻传感器的灵敏度S。
2、将亥姆霍兹线圈电流调到零，取消外加磁场，测量其它仪器产生的磁场是否会影响本传感器的读数，以及影响有多大，应该采取什么措施。
3、测量地磁场的各分量。
【数据处理】
数据记录表格自拟，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。
【注意事项】
（1）避免强磁场、顺磁性物体靠近磁阻传感器；
（2）亥姆霍兹线圈的电流不应太大，一般不超过0.1A，以免磁阻传感器灵敏度下降； （3）一旦发现磁阻传感器灵敏度下降，应“复位”去磁后才能测量数据。
【思考题】
（1）磁阻传感器和霍耳传感器在工作原理和使用方法方面各有什么特点和区别？ （2）如果在测量地磁场时，在磁阻传感器周围较近处，放一个铁钉，对测量结果将产生什么影响？
（3）为何坡莫合金磁阻传感器遇到较强磁场时，其灵敏度会降低？用什么方法来恢复
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其原来的灵敏度？
（4）用你学过的知识，设计一个“零磁场”实验室。
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