磁阻傳感器測地磁場實驗的改進

張 健，閆 昕，祝新霞，朱俊峰，趙彥博，周玲玲，種善文，黃遠生，董 飛

（棗莊學院 光電工程學院，山東 棗莊 277160）

1 引言

上海復旦天欣HMC1021Z型磁阻傳感器進行地磁場實驗測定時，我們發現在進行水平旋轉轉盤式，人為因素會導致轉動震動實驗誤差，同時不能保證實驗儀一直處于水平狀態.在進行垂直分量測量的時候也會導致測量角度不準確而做成誤差.基于以上原有裝置出現的誤差存在的原因，采用在原有實驗裝置中增加步進電機和角度測量儀，從而克服實驗誤差.地磁場的開發和利用正在成為人們研究的重要方向，地磁源作為一種天然磁源終將代替不可再生能源[1].本文所介紹的儀器通過改革和創新原有儀器使之穩定性和測量準確度得到了大大提高，它可以廣泛使用于諸多領域.

2 實驗原理

首先，儀器主要利用了磁阻效應.所謂磁阻效應就是當一個物體處在外加磁場中時，物體的電阻率會發生變化進而使電阻發生變化的現象,當外加的磁場方向與磁體內部的磁化方向一致時，磁體的電導率并不會發生變化；但當其方向發生偏離時，磁體的電阻率會迅速發生變化[2].

本文所介紹的磁阻傳感器是由鐵鎳合金制成的一維磁阻微電路集成芯片，它是利用半導體工藝將鐵鎳合金附著在硅片上，我們可以得出合金的電阻率ρ（θ）存在以下關系[3]

公式（1）中，ρ⊥為當所通電流I的方向垂直于磁化強度方向時的電阻率，ρ//為電流I的方向平行于磁化強度M的方向時的電阻率.將一定的直流電流通在與合金帶長度相一致的方向，并且在所通直流電流垂直的方向施加一個磁場，這時，合金的電阻率就會迅速發生變化，其阻值也就跟著發生變化，我們依據阻值這一變化來確定地磁場的大小和方向.在裝置的硅片上還有兩條鋁制的輔助電流帶，其中一條電流帶的作用是置位與復位，另一條是使傳感器輸出呈現線性關系.

該傳感器實質上是一個非平衡式的惠斯登電橋，它是由四條鐵鎳合金磁電阻組成的，當外界存在磁場時，電就會發生變化[4].我們將阻值變化轉換成電壓輸出并將信號放大，所以在電橋后面我們需要加一個運算放大電路，結構如圖1、圖2所示，在外界磁場的作用下四個磁電阻中電流的流動方向不相同時四個電阻阻值變化也不同，具體表現為以下關系

圖1 磁阻傳感器內部的構造示意圖

圖2 磁阻傳感器內部的惠斯登電橋

當儀器特定的工作電壓Ub=6.00V時，測定儀的輸出電壓Uout與外界磁場的磁感應強度的關系如下：

公式（3）中，Uout、K分別為儀器的輸出電壓和靈敏度，B為待測的磁感應強度，U0則是當無外加磁場時磁阻傳感器的輸出量.儀器的亥姆霍茲線圈是對稱的，在軸線中心點附近較寬的區域內可以近似的認為是均勻磁場區，并且我們可以將兩個線圈的公共軸中間位置的磁感應強度B表示為

公式（4）中N表示亥姆霍茲線圈匝數，I表示亥姆霍茲線圈中流過的電流強度，R表示兩個線圈的平均半徑，μ0表示真空磁導率.

3 實驗改進

如圖3所示，是改進后的地磁場測量儀，在原有實驗裝置中增加了1水平測量儀，主要是控制盤面與地面保持水平狀態.增加了步進電動機，通過這個裝置代替了用人手去調節轉盤的目的.增加了51單片機調節電機的轉速，電壓的變動最小可以到達0.01mv，提高實驗精確度，克服了誤差.

圖3 改進后的地磁場測量儀

4 實驗測量

4.1 靈敏度的測量

根據水平測量儀調節刻度盤至與地面水平，并控制單片機使轉盤的00刻度對齊.將亥姆霍茲線圈與直流電源之間的連接線卸下，對實驗儀器進行調零.調節單片機按鈕控制電動機測出給出的勵磁電流值對應的電壓值，在測反向電壓之前先將電流調至零，然后再撥動電流換向旋鈕進行測量.

4.2 地磁場的水平分量的測量

利用水平測量儀將磁阻傳感器平行的固定在轉盤上，按下單片機按鈕控制電動機轉動，觀察電壓輸出值，當電壓達到最大值時，停止轉動，此時的方向即為地磁場水平分量的方向.記錄下此時磁阻傳感器輸出的電壓U1后，再按下單片機按鈕控制電動機轉動，記錄磁阻傳感器輸出電壓最小時U2，由帶入|U1-U2|/2=KB//，求得當地地磁場的水平分量B//.

4.3 傾角β以及磁感應強度B的測量

調節刻度盤和底座水平（根據水平測量儀來調節），直到達到要求的水平.轉底座使電壓讀數達最大或最小值，此時的轉盤面正好與地磁子午面方向垂直.再將轉盤平面調整到與水平面平行，設定電動機的轉速控制電機轉動調節轉盤角度，觀測并獲取傳感器輸出兩個最值時轉盤的指示值和水平面之間的夾角β1和β2，同時記錄輸出電壓最大讀數U'1和 U'2.由 磁 傾 角 β=(β1+β2)/2計 算 β 的 值 .由|U'1-U'2|/2=KB，代入測量數據可以計算出地磁場磁感應強度B的大小.將數據帶入B⊥=Bsinβ，我們就可以計算出地磁場的B的垂直分量.記錄下操作的環境以及時間，整理好儀器.

4.4 實驗結果和分析

實驗裝置中亥姆霍茲線圈每個線圈匝數N=500匝，亥姆霍茲線圈的直徑徑r=20cm;真空磁導率μ0=4π×10-7N/A2.在兩個線圈的公共軸中間位置的磁感應強度B可以表示為

上式中，B——磁感應強度，單位是T；I——通過線圈的電流，單位A.

測出當勵磁電流分別為 10.0，20.0，30.0，40.0，50.0，60.0mA時對應的輸出電壓U，并算U，詳見表1；接著測出反向電流時對應的傳感器輸出的電壓值U，詳見表2.

表 1 勵磁電流分別為 10.0，20.0，30.0，40.0，50.0，60.0mA時對應的輸出電壓U

表2 反向電流時對應的傳感器輸出的電壓值U

直接測量地磁場水平分量，U//=-0.7mV.電壓輸出最大值轉盤的指示值和水平面之間的夾角β1=50.1°，最小值時轉盤的指示值和水平面之間的夾角β2=57.2°，電壓的最大讀數U'1=1.45mV，最小的讀數U'2=-2.65mV.代入數據可得B總=4.47×10-5T,磁傾角β=53.65；地磁場B的垂直分量B⊥=B總Sinβ1=3.60×10-5T.

5 結論

儀器利用動力裝置代替人直接操作，在一定程度上減少或避免人為因素造成的誤差；利用傳感器技術，使實驗變得簡單，更具有可操作性；利用計算機編程，使得電壓變動可以精確到0.01mv，具有較高的測量精度.實驗改進給科研實驗、實驗教學、應用儀器進行地質勘測提供參考.

〔1〕馮彥,蔣勇,孫涵,等.地磁場水平梯度及高空地磁場的計算與分析[J].地球物理學進展,2013,28（2）：735-746.

〔2〕唐玉發,張合,劉建敬.基于磁阻傳感器與加速度計復合的姿態角檢測技術[J].傳感器與微系統,2013,38（1）：56-58+62.

〔3〕莊明偉,王小安,徐圖.基于巨磁電阻效應的多功能測量儀[J].物理實驗,2012（1）：18-20+24.

〔4〕楊述武.普通物理實驗 [M].北京：高等教育出版社，2005.312-317.