各项异性磁阻效应及磁场测量.docx
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各项异性磁阻效应及磁场测量
物理实验报告
2014物理学专业
实验题目:
_各项异性磁阻效应及磁场测量
姓名:
柯铭沣
学号:
____135012014071___________
日期:
__2015_年__9___月__28___日
实验各向异性磁阻传感器及磁场测量
[实验目的]
1、掌握各向异性磁阻传感器的原理和特性；
2、掌握各向异性磁阻传感器测量磁场的基本原理和测量方法。
[实验仪器]
磁场测试仪，主要包括底座、转轴、带角刻度的转盘、磁阻传感器的引线、亥姆霍兹线圈、磁场测试仪控制主机（数字式电压表、5V直流电源等）。
[实验原理]
1、各向异性磁阻传感器
一定条件下，导电材料的电阻值R随磁感应强度B变化的规律称为磁阻效应。
当半导体处于磁场中时，导体或半导体的载流子将受洛伦兹力的作用而发生偏转，因而沿外加电场方向运动的载流子数量将减少，使得沿电场方向的电流密度减小，电阻增大。
（具体原理详见实验39“半导体材料的磁电阻效应研究”）。
各向异性磁阻传感器（AnisotropicMagneto-Resistivesensors,AMR）是由沉积在硅片上的坡莫合金（Ni80Fe20）薄膜形成的电阻，如图1所示。
除了具有磁阻效应，由于在沉积时外加磁场，AMR形成易磁化方向，即当外加磁场偏离合金的内部磁化方向时，材料电阻减小，这就是各向异性磁阻效应。
AMR的电阻与材料所处环境磁化强度M和电流I方向间的夹角有关，电流和磁化方向平行时电阻最大为Rmax，而电流与磁化方向垂直时电阻最小为Rmin，则电流和磁化方向成θ时,电阻可表示为：
（1）
图1磁阻传感器的构造示意图图2磁阻传感器内部结构
为了消除温度等外界因素的影响，本实验所用的磁阻传感器是一种单边封装的磁场传感器，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，内部结构如图2所示。
把该非平衡电桥放置在外界磁场时，由于适当配置的四个磁电阻电流方向不相同，引起电阻值变化有增有减各不相同。
电桥的输出电压U可以用下式表示为：
（2）
式中，Ub为电桥工作电压，R为未施加外磁场时的桥臂电阻，ΔR/R为磁阻材料在磁场作用下阻值的相对变化率。
当Ub一定时,磁阻传感器输出电压U与外界磁场的磁感应强度成正比关系：
（3）
式中，K为传感器的灵敏度，B为外界磁场的磁感应强度，U0为外加磁场为零时该非平衡电桥的输出电压。
因此，在实验过程中可以通过输出电压来测量AMR所处位置的磁场的磁感应强度。
需要注意的是，AMR只对磁敏感方向上的磁场敏感，当所测磁场与磁敏感方向有一定夹角时，AMR测量的是所测磁场在磁敏感方向的投影。
2、亥姆霍兹线圈
亥姆霍兹线圈是一对平行、共轴排列的线圈，它们的尺寸、匝数、电流流向都相同，且两线圈之间的间距刚好等于线圈的半径,见图3所示。
根据毕奥萨伐尔定律,可得轴线上任意一点的磁感应强度为：
（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，μ0为真空磁导率,x为该点与线圈中心的距离。
随着距离x变化的磁感应强度变化规律如图4所示。
图3亥姆霍兹线圈装置图图4亥姆霍兹线圈磁场分布示意图
[实验内容及要求]
1．仪器调整
（1）连接好仪器和电源,开机预热。
（2）将磁阻传感器位置调至亥姆霍兹线圈中心，传感器敏感方向与亥姆霍兹线圈轴线一致。
（3）调节亥姆霍兹线圈电流为0mA，按复位键恢复AMR的使用特性。
（4）调节补偿电流，使传感器输出为0.000V。
（5）调节亥姆霍兹线圈电流为300mA，调节放大器校准旋钮，使输出电压为1.500V。
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
把AMR放置在亥姆霍兹线圈中心，并使得AMR的磁敏感方向与线圈的轴向一致。
通过电流换向开关，改变亥姆霍兹线圈电流，从300mA逐步减小至-300mA,每隔50mA记录相应的输出电压。
以磁感应强度为横轴，输出电压为纵轴作图，并求传感器的灵敏度K。
（2）测量磁阻传感器的各向异性特性
将亥姆霍兹线圈电流调为200mA，测量所测磁场方向与磁敏感方向一致时的输出电压值。
松开线圈水平锁紧螺丝，每次将亥姆霍兹线圈与传感器盒整体转动10˚后锁紧，然后松开传感器水平旋转锁紧螺丝，将传感器盒向相反方向转动10˚后锁紧，以保持AMR方向不变。
依次转动亥姆霍兹线圈，使得线圈相对AMR旋转角度α从0˚变化至90˚，每隔10˚记录对应的输出电压值。
以夹角α为横轴，输出电压为纵轴作图，分析AMR的各向异性特性。
3．测量亥姆霍兹线圈轴线上的磁场分布
保持亥姆霍兹线圈电流调为200mA,传感器敏感方向与亥姆霍兹线圈轴线一致。
沿轴线移动传感器盒,使传感器的位置x从-70mm移动至70mm,每隔14mm记录一次输出电压。
以传感器位置为横轴，输出电压为纵轴作图，分析亥姆霍兹线圈轴线上磁场分布。
[注意事项]
1、实验使用的赫姆霍兹线圈的N=310,R=0.14m,线圈电流为1mA时,亥姆霍兹线圈中部的磁感应强度为0.02Gs（1Gs=10-4T）。
2、实验仪器周围的一定范围内不应存在铁磁金属物体，以保证测量结果的准确性。
[数据处理]共计74分
1.磁阻传感器特性测量共计48分
（1）测量磁阻传感器的磁电转换特性（换向需复位消磁）6.5分
线圈电流（mA）
300
250
200
150
100
50
0
磁感应强度（Gs）
6
5
4
3
2
1
0
输出电压（V）
1.500
1.269
1.030
0.779
0.520
0.260
0.000
线圈电流（mA）
-50
-100
-150
-200
-250
-300
磁感应强度（Gs）
-1
-2
-3
-4
-5
-6
输出电压（V）
-0.264
-0.523
-0.780
-1.030
-1.265
-1.485
磁阻传感器的磁电转换灵敏度共16.5分
由图中可得两点坐标分别为（2.400,0.600）、（-3.700,-0.900）4分
灵敏度K的值为0.2462.5分
（2）测量磁阻传感器的各向异性特性5分
夹角α（˚）
0
10
20
30
40
输出电压（V）
1.033
1.026
0.992
0.926
0.836
夹角α（˚）
50
60
70
80
90
输出电压（V）
0.715
0.569
0.407
0.227
0.038
AMR的各向异性曲线（需与U=U（0）cosα拟合曲线比较）15分
AMR的各向异性特性分析5分
上图为输出电压与夹角a的函数关系图，在图中同时画出了U=U（0）coxx的图像，通过对比可以看出输出电压与夹角a近似满足余弦关系。
2.测量亥姆霍兹线圈轴线上的磁场分布共计26分
亥姆霍兹线圈轴线上的磁场分布（x=0时，B=B0=4Gs）11分
位置x（mm）
-70
-56
-42
-28
-14
0
电压输出值（V）
0.980
1.009
1.026
1.032
1.033
1.034
磁感应强度（Gs）
3.783
3.902
3.966
3.993
3.999
4.000
位置x（mm）
14
28
42
56
70
电压输出值（V）
1.034
1.033
1.029
1.016
0.989
磁感应强度（Gs）
3.999
3.993
3.966
3.902
3.783
亥姆霍兹线圈轴线上的磁场分布图10分
参考教材图40-5分析亥姆霍兹线圈轴线上磁场分布的特点5分
从图中可以看出磁场的分布特点是：
轴向磁场均匀度较高。
[思考题]
1、磁阻传感器的基本工作原理是怎样的？
答：
磁阻效应传感器是根据磁性材料的磁阻效应制成的。
磁性材料（如坡莫合金）具有各向异性，对它进行磁化时，其磁化方向将取决于材料的易磁化轴、材料的形状和磁化磁场的方向。
当给带状坡莫合金材料通电流时，材料的电阻取决于电流的方向与磁化方向的夹角。
如果给材料施加一个磁场B（被测磁场），就会是原来的磁化方向转动。
如果磁化方向转向垂直于电流的方向则材料的电阻将减小；如果磁化方向转向平行于电流的方向，则材料的电阻将增大。
磁阻效应传感器一般由四个这样的电阻组成，并将它们接成电桥。
在被测磁场B作用下，电桥中位于相对位置的两个电阻阻值增大，另外两个电阻的阻值减小。
在其线性范围内，电桥的输出电压与被测磁场成正比。
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