各向异性磁阻传感器与磁场测量.doc

实验5-10 各向异性磁阻传感器与磁场测量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，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。磁阻传感器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，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。【实验目的】1 了解AMR的原理并对其特性进行实验研究。2 测量赫姆霍兹线圈的磁场分布。3 测量地磁场。【实验原理】图5-10-1磁阻电桥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（Ni80 Fe20）薄膜形成电阻。沉积时外加磁场，形成易磁化轴方向。易磁化轴是指各向异性的磁体能获得最佳磁性能的方向，也就是无外界磁干扰时磁畴整齐排列方向。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Rmin最小，电流与磁化方向成角时，电阻可表示为：R = Rmin(RmaxRmin)cos2 （5-10-1）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5-10-1所示。图5-10-1中，易磁化轴方向与电流方向的夹角为45度。理论分析与实践表明，采用45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29-1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R；右上与左下桥臂电流与磁化方向的夹角减小，电阻增大R。通过对电桥的分析可知，此时输出电压可表示为： UVbR/R （5-10-2） 图5-10-2 复位/反向置位脉冲作用式中，Vb为电桥工作电压，R为桥臂电阻，R/R为磁阻阻值的相对变化率，与外加磁场强度B成正比，即R/R=KB,故AMR磁阻传感器输出电压与磁场强度的关系为U=KVbB，因此可利用磁阻传感器测量磁场。其中K为磁阻传感器的灵敏度，本仪器所用磁阻传感器的灵敏度为1mV/V.Gauss。灵敏度表示，当磁阻电桥的工作电压为1V，被测磁场磁感应强度为1高斯时，输出信号为1mV。商品磁阻传感器已制成集成电路，除图29-1所示的电源输入端和信号输出端外，还有复位/反向置位端和补偿端两对功能性输入端口，以确保磁阻传感器的正常工作。复位/反向置位的机理可参见图5-10-2。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。此时可在复位端输入脉冲电流，通过内部电路沿易磁化轴方向产生强磁场，使磁畴重新整齐排列，恢复传感器的使用特性。若脉冲电流方向相反，则磁畴排列方向反转，传感器的输出极性也将相反。本仪器从补偿端每输入5mA补偿电流，通过内部电路将在磁敏感方向产生1高斯的磁场。可用来补偿传感器的偏离。5-10-3图5-10-3为AMR的磁电转换特性曲线。其中电桥偏离是在传感器制造过程中，4个桥臂电阻不严格相等带来的，外磁场偏离是测量某种磁场时，外界干扰磁场带来的。不管要补偿哪种偏离，都可调节补偿电流，用人为的磁场偏置使图29-5中的特性曲线平移，使所测磁场为零时输出电压为零。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致，大小相同，线圈之间的距离正好等于圆形线圈的半径。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： （5-10-3）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，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N310，R0.14m，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。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，在科研及生产中得到广泛的应用。根据毕奥萨伐尔定律，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，与线圈平面距离为的点的磁感应强度为 (5-10-4)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 (5-10-5)是0时，即赫姆霍兹线圈公共轴线中点的磁感应强度。表3列出了取不同值时值的理论计算结果。理论分析表明，在，的范围内，小于百分之一，小于万分之二，固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。地球本身具有磁性，地表及近地空间存在的磁场叫地磁场。地磁的北极，南极分别在地理南极，北极附近，彼此并不重合，可用地磁场强度，磁倾角，磁偏角三个参量表示地磁场的大小和方向。磁倾角是地磁场强度矢量与水平面的夹角，磁偏角是地磁场强度矢量在水平面的投影与地球经线（地理南北方向）的夹角。在现代的数字导航仪等系统中，通常用互相垂直的三维磁阻传感器测量地磁场在各个方向的分量，根据矢量合成原理，计算出地磁场的大小和方位。本实验学习用单个磁阻传感器测量地磁场的方法。在实验室内测量地磁场时，建筑物的钢筋分布，同学携带的铁磁物质，都可能影响测量结果，因此，此实验重在掌握测量方法。【实验仪器】实验仪结构如图5-10-4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。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图5-10-4 磁场实验仪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伏。仪器面板如图5-10-5所示。恒流源为赫姆霍兹线圈提供电流，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。图5-10-5 磁场实验仪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。【实验内容】1. 测量准备(1) 连接实验仪与电源，开机预热20分钟（此段时间内完成步骤2）。(2) 将磁阻传感器位置调节至赫 姆霍兹线圈中心(五个标尺皆在零刻度线上),使磁敏感方向与赫姆霍兹线圈轴线一致。(3) 调节赫姆霍兹线圈电流为零，按复位键（见图5-10-2，恢复传感器特性）。(4) 调节补偿电流（见图5-10-3，补偿地磁场等因素产生的偏离），使传感器输出电压为零。(5) 调节赫姆霍兹线圈电流至300mA（此时线圈产生的磁感应强度6高斯）。(6) 调节放大器校准旋钮，使输出电压为1.500伏。2. 磁阻传感器特性测量(1) 测量磁阻传感器的磁电转换特性 按表1数据将赫姆霍兹线圈电流从300mA逐步调小至0mA，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），按复位按键。逐步调大反向电流，记录反向输出电压值。(2) 测量磁阻传感器的各向异性特性将赫姆霍兹线圈电流调节至200mA，（如果以上步骤结束时的线圈电流为-300 mA，要将线圈电流调节至200mA，注意电流换向后按复位按键。）测量所测磁场方向与磁敏感方向一致时的输出电压。松开传感器绕轴旋转锁紧螺钉，将传感器盒的磁敏感方向旋转至与赫姆霍兹线圈轴向呈不同的角度后锁紧，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(1) 赫姆霍兹线圈轴线上的磁场分布测量（线圈电流200mA）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（），根据表3观测并记录数据（注意测量过程中保证）。(2) 赫姆霍兹线圈空间磁场分布测量（线圈电流200mA）按表4数据改变磁阻传感器的空间位置，记录方向的磁场产生的电压，测量赫姆霍兹线圈空间磁场分布。注意变化时，保持不变，或者变化时保持不变。4. 地磁场测量(1) 将磁阻传感器移至（）。(2) 将赫姆霍兹线圈电流调节至零，按电流切换按钮，将补偿电流调节至零，传感器的磁敏感方向调节至与赫姆霍兹线圈轴线垂直并且指北（以便在垂直面内调节磁敏感方向）。(3) 调节传感器盒上平面与仪器底板平行（即传感器绕轴旋转为度）。(4) 将水准气泡盒放置在传感器盒正中，调节仪器水平调节螺钉使水准气泡居中，使磁阻传感器水平。(5) 松开线圈水平旋转锁紧螺钉，在水平面内仔细调节传感器方位，使输出最大。(6) 松开传感器绕轴旋转锁紧螺钉，在垂直面内调节磁敏感方向，至输出最大时转过的角度就是磁倾角，记录此角度。(7) 记录输出最大时的输出电压值后，松开传感器水平旋转锁紧螺钉，将传感器转动180度，记录此时的输出电压（可能负值），将 作为地磁场磁感应强度的测量值（此法可消除电桥偏离对测量的影响）。【数据处理】表1 AMR磁电转换特性的测量 放大倍数为50，Vb=5V线圈电流(mA)300250200150100500-50-100-150-200-250-300磁感应强度(Gs)6543210-1-2-3-4-5-6输出电压(V)灵敏度(mV/V.Gs)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（输出电压/(放大倍数*Vb.*磁感应强度)）平均值。表2 AMR方向特性的测量 线圈电流为200mA B0 4Gs夹角（度）0102030405060708090U理论值(V)10.8260.6580.50.3570.2340.1340.060.0150U测量值(V)将所测输出电压与理论值做比较，判断所测输出电压是否符合余弦规律。表3 赫姆霍兹线圈轴向磁场分布测量 R=140mm 线圈电流为200mA B0 4 Gs位置-0.5R-0.4R-0.3R-0.2R-0.1R00.1R0.2R0.3R0.4R0.5R测 (V)测 = /0.25 (Gs)以位置为横坐标，为纵坐标将表3数据作图，讨论赫姆霍兹线圈的轴向磁场分布特点。表4 赫姆霍兹线圈空间磁场分布测量 B0 4 Gs 00.05R0.1R0.15R0.2R0.25R0.3R00.05R0.1R0.15R0.2R0.25R0.3R由表4数据讨论赫姆霍兹线圈的空间磁场分布特点。表5 地磁场的测量磁倾角（度）磁感应强度U1(V)U2(V)U=(U1U2)/2 (V)B=U/0.25(Gs)【思考题】1.利用磁阻传感器测量磁场时必须使磁敏感方向与被测磁场保持一致么?为什么?2.地磁场的存在影响赫姆霍兹线圈磁场的测量么？为什么？