磁阻效应实验.docx
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磁阻效应实验
FD-MR-II磁阻效应实验仪使用说明
一、概述
磁阻器件由于灵敏度高、抗干扰能力强等优点在工业、交通、仪器仪表、医疗器械、探矿等领域应用十分广泛，如：
数字式罗盘、交通车辆检测，导航系统、伪钞检测、位置测量等。
其中最典型的锑化铟（InSb）传感器是一种价格低廉、灵敏度高的磁电阻，有着十分重要的应用价值。
本实验装置结构简单、实验内容丰富，使用两种材料的传感器：
利用砷化镓（GaAs）霍耳传感器测量磁感应强度，研究锑化铟（InSb）磁阻传感器在不同的磁感应强度下的电阻大小。
学生可观测半导体的霍耳效应和磁阻效应两种物理规律，具有研究性和设计性实验的特点，可用于理工科大学的基础物理实验和设计性综合物理实验，也可用于演示实验。
二、仪器简介
仪器装置如下图所示：
1．固定及引线铜管；2.U型矽钢片；
3．锑化铟（InSb）磁阻传感器；4.砷化镓（GaAs）霍耳传感器；
5．电磁铁直流电流源显示；6.磁铁直流电流源调节；
7．数字电压显示； 8.锑化铟磁阻传感器电流调节；
9．电磁铁磁场强度大小显示；10.电磁铁磁场强度大小调零；
11.1和2是给锑化铟传感器提供小于3mA直流恒流电流源；
3和4是给砷化镓传感器提供电压源；
5和6是砷化镓传感器测量电磁铁间隙磁感应强度大小；
7为悬空；
12．单刀双向开关；13.单刀双向开关接线柱。
为航空插头说明
三、技术指标
1．双路直流电源：
直流电源Ⅰ：
电流0－500ｍA连续可调，数字电流表显示输出电流大小。
直流电源II：
输出电流0－3ｍA连续可调，供锑化铟传感器的工作电流。
电流与所选取的外接电阻的乘积小于2V。
2．数字式毫特仪：
测量范围0~0.5T，分辨率0.0001T，准确度为1%。
四、实验项目
1．用于测定通过电磁铁的电流Im和磁铁间隙中磁感应强度B的关系，观测GaAs霍耳元件的霍耳效应。
2．在不同磁感应强度区域，研究InSb磁阻元件的电阻值变化ΔR/R（0）与磁感应强度B的关系，求出经验公式。
3．外接信号发生器，可用于深入研究磁电阻的交流特性（倍频效应），观测其特有的物理现象。
五、注意事项
1．需将传感器固定在磁铁间隙中，不可弯折。
2．不要在实验仪附近放置具有磁性的物品。
3．不得外接传感器电源。
4．开机后需预热10分钟，再进行实验。
5．外接电阻应大于200欧姆。
锑化铟磁电阻传感器的测量及应用
【实验目的】
1.测量锑化铟传感器的电阻与磁感应强度的关系。
2.作出锑化铟传感器的电阻变化与磁感应强度的关系曲线。
3.对此关系曲线的非线性区域和线性区域分别进行拟合。
【实验原理】
一定条件下，导电材料的电阻值R随磁感应强度B的变化规律称为磁阻效应。
如图1所示，当半导体处于磁场中时，导体或半导体的载流子将受洛仑兹力的作用，发生偏转，在两端产生积聚电荷并产生霍耳电场。
如果霍耳电场作用和某一速度载流子的洛仑兹力作用刚好抵消，那么小于或大于该速度的载流子将发生偏转，因而沿外加电场方向运动的载流子数量将减少，电阻增大，表现出横向磁阻效应。
若将图1中a端和b端短路，则磁阻效应更明显。
通常以电阻率的相对改变量来表示磁阻的大小，即用Δρ/ρ（0）表示。
其中ρ（0）为零磁场时的电阻率，设磁电阻在磁感应强度为B的磁场中电阻率为ρ（B），则Δρ=ρ（B）-ρ（0）。
由于磁阻传感器电阻的相对变化率ΔR/R（0）正比于Δρ/ρ（0），这里ΔR=R（B）-R（0），因此也可以用磁阻传感器电阻的相对改变量ΔR/R（0）来表示磁阻效应的大小。
图1磁阻效应
图2所示实验装置，用于测量磁电阻的电阻值R与磁感应强度B之间的关系。
实验证明，当金属或半导体处于较弱磁场中时，一般磁阻传感器电阻相对变化率ΔR/R（0）正比于磁感应强度B的平方，而在强磁场中ΔR/R（0）与磁感应强度B呈线性关系。
磁阻传感器的上述特性在物理学和电子学方面有着重要应用。
如果半导体材料磁阻传感器处于角频率为ω的弱正弦波交流磁场中，由于磁电阻相对变化量ΔR/R（0）正比于B2，则磁阻传感器的电阻值R将随角频
图2测量磁电阻实验装置
那么磁阻传感器的电阻R将随角频率2ω作周期性变化。
即在弱正弦波交流磁场中，磁阻传感器具有交流电倍频性能。
若外界交流磁场的磁感应强度B为
B=B0COSωt
（1）
（1）式中，B0为磁感应强度的振幅，ω为角频率，t为时间。
设在弱磁场中ΔR/R（0）=KB2
（2）
（2）式中，K为常量。
由
（1）式和
（2）式可得
R（B）=R（0）+ΔR=R（0）+R（0）×[ΔR/R（0）]
=R（0）+R（0）KB02COS2ωt
=R（0）+
R（0）KB02+
R（0）KB02COS2ωt（3）
（3）式中，R（0）+
R（0）KB02为不随时间变化的电阻值，而
R（0）KB02cos2ωt为以角频率2ω作余弦变化的电阻值。
因此，磁阻传感器的电阻值在弱正弦波交流磁场中，将产生倍频交流电阻阻值变化。
【实验仪器】
实验采用FD-MR-II型磁阻效应实验仪，图3为该仪器示意图
图3FD-MR-II磁阻效应实验仪
FD-MR-II型磁阻效应验仪包括直流双路恒流电源、0-2V直流数字电压表、电磁铁、数字式毫特仪（GaAs作探测器）、锑化铟（InSb）磁阻传感器、电阻箱、双向单刀开关及导线等组成。
仪器连接如图形3所示。
倍频效应实验
磁阻效应测量仪器使用方法
1．直流励磁恒流源与电磁铁输入端相联，调节输入电磁铁的电流大小，改变电磁铁间隙中磁感应强度的大小；
2．按图2所示将锑化铟（InSb）磁阻传感器与电阻箱串联，并与可调直流电源相接，数字电压表的一端连接磁阻传感器电阻箱公共接点，另一端与单刀双向开关的刀口处相连。
3．调节通过电磁铁的电流，测量通过锑化铟磁阻传感器的电流值及磁阻器件两端的电压值，求磁阻传感器的电阻值R，求出ΔR/R（0）与B的关系。
【实验内容】
1．必做内容：
在锑化铟磁阻传感器电流或电压保持不变的条件下，测量锑化铟磁阻传感器的电阻与磁感应强度的关系。
作ΔR/R（0）与B的关系曲线，并进行曲线拟合。
（实验时注意GaAs和InSb传感器工作电流应小于3mA）。
2．选做内容：
如图4所示，将电磁铁的线圈引线与正弦交流低频发生器输出端相接；锑化铟磁阻传感器通以2.5mA直流电，用示波器观察磁阻传感器两端电压与电磁铁两端电压形成的李萨如图形，证明在弱正弦交流磁场情况下，磁阻传感器具有交流正弦倍频特性。
【实验数据】（注：
以下数据不作为仪器验收标准，仅供实验时参考）
测得取样电阻R=298.9Ω，令电压U=298.9mV；
则电流I
=
=
=1.00mA；
表1
电磁铁
InSb
B~ΔR/R（0）对应关系
I
/mA
U
/mv
B/mT
R/Ω
ΔR/R（0）
0
395.1
0.0
395.1
0
9.9
396.1
10.0
396.1
0.003
19
400.5
20.0
400.5
0.014
29
406.8
30.0
406.8
0.030
38
415.0
40.0
415
0.050
47
425.1
50.0
425.1
0.076
56
436.3
60.0
436.3
0.104
66
449.0
70.0
449
0.134
94
491.5
100.0
491.5
0.244
141
552.1
150.0
552.1
0.397
188
590.3
200.0
590.3
0.494
236
623.9
250.0
623.9
0.580
284
655.6
300.0
655.6
0.659
332
688.3
350.0
688.3
0.742
381
722.5
400.0
722.5
0.829
430
758.0
450.0
758.0
0.919
479
793.5
500.0
793.5
1.008
1．在B<0.06T时：
令ΔR/R（0）＝kBn，则ln（ΔR/R（0））=nlnB+lnk
经直线拟合得n＝1.97，可知在B<0.06T时磁阻变化率ΔR/R（0）与磁感应强度B成二次函数关系
在B<0.06T时，拟合得到ΔR/R（0）=29.2B2
2．B>0.12T时：
令ΔR/R（0）＝k1Bn1，则ln（ΔR/R（0））=n1lnB+lnk1
经直线拟合得n1=0.8，可知在B>0.12时磁阻变化率ΔR/R（0）与磁感应强度B成一次函数关系
在B>0.12T时，拟合得到ΔR/R（0）=1.72B+0.14相关系数r=0.9996
图6ΔR/R与B关系曲线图
ΔR＼R
【思考题】
1．什么叫做磁阻效应？
霍耳传感器为何有磁阻效应？
2．锑化铟磁阻传感器在弱磁场中电阻值与磁感应强度的关系和在强磁场中时有何不同？
这两种特性有什么应用？
【参考资料】
1．刘仲娥张维新宋永祥敏感元件与应用青岛海洋大学出版社1993.6
2．吴杨娄捷陆申龙锑化铟磁阻传感器特性测量及应用研究——物理实验第21卷第10期.2001.10：
46-48
3．沈元华陆申龙基础物理实验北京\高等教育出版社2003
电子罗盘
概述
产品功能与简介
原理
特点
应用场合
编辑本段
概述
电子罗盘
电子罗盘，也叫数字指南针，是利用地磁场来定北极的一种方法。
古代称为罗经，现代利用先进加工工艺生产的磁阻传感器为罗盘的数字化提供了有力的帮助。
现在一般有用磁阻传感器和磁通门加工而成的电子罗盘。
虽然GPS在导航、定位、测速、定向方面有着广泛的应用，但由于其信号常被地形、地物遮挡，导致精度大大降低，甚至不能使用。
尤其在高楼林立城区和植被茂密的林区，GPS信号的有效性仅为60%。
并且在静止的情况下，GPS也无法给出航向信息。
为弥补这一不足，可以采用组合导航定向的方法。
电子罗盘产品正是为满足用户的此类需求而设计的。
它可以对GPS信号进行有效补偿，保证导航定向信息100%有效，即使是在GPS信号失锁后也能正常工作，做到“丢星不丢向”。
编辑本段
产品功能与简介
电子罗盘
电子罗盘可以分为平面电子罗盘和三维电子罗盘。
平面电子罗盘要求用户在使用时必须保持罗盘的水平，否则当罗盘发生倾斜时，也会给出航向的变化而实际上航向并没有变化。
虽然平面电子罗盘对使用时要求很高，但如果能保证罗盘所附载体始终水平的话，平面罗盘是一种性价比很好的选择。
三维电子罗克服了平面电子罗盘在使用中的严格限制，因为三维电子罗盘在其内部加入了倾角传感器，如果罗盘发生倾斜时可以对罗盘进行倾斜补偿，这样即使罗盘发生倾斜，航向数据依然准确无误。
有时为了克服温度漂移，罗盘也可内置温度补偿，最大限度减少倾斜角和指向角的温度漂移。
编辑本段
原理
三维电子罗盘由三维磁阻传感器、双轴倾角传感器和MCU构成。
三维磁阻传感器用来测量地球磁场，倾角传感器是在磁力仪非水平状态时进行补偿；MCU处理磁力仪和倾角传感器的信号以及数据输出和软铁、硬铁补偿。
该磁力仪是采用三个互相垂直的磁阻传感器，每个轴向上的传感器检测在该方向上的地磁场强度。
向前的方向称为x方向的传感器检测地磁场在x方向的矢量值；向左或Y方向的传感器检测地磁场在Y方向的矢量值；向下或Z方向的传感器检测地磁场在Z方向的矢量值。
每个方向的传感器的灵敏度都已根据在该方向上地磁场的分矢量调整到最佳点，并具有非常低的横轴灵敏度。
传感器产生的模拟输出信号进行放大后送入MCU进行处理。
磁场测量范围为±2Gauss。
通过采用12位A/D转换器，磁力仪能够分辨出小于1mGauss的磁场变化量，我们便可通过该高分辨力来准确测量出200-300mGauss的X和Y方向的磁场强度，不论是在赤道上的向上变化还是在南北极的更低值位置。
仅用地磁场在X和Y的两个分矢量值便可确定方位值：
Azimuth=arcTan（Y/X）
该关系式是在检测仪器与地表面平行时才成立。
当仪器发生倾斜时，方位值的准确性将要受到很大的影响，该误差的大小取决于仪器所处的位置和倾斜角的大小。
为减少该误差的影响，采用双轴倾角传感器来测量俯仰和侧倾角，这个俯仰角被定义为由前向后方向的角度变化；而侧倾角则为由左到右方向的角度变化。
电子罗盘将俯仰和侧倾角的数据经过转换计算，将磁力仪在三个轴向上的矢量在原来的位置“拉”回到水平的位置。
标准的转换计算式如下：
Xr=Xcosα+Ysinαsinβ-Zcosβsinα
Yr=Xcosβ+Zsinβ
这里Xr和Yr为要转换到水平位置的值
α为俯仰角
β为侧倾角
从以上这三个计算公式可以看出，在整个补偿技术中Z轴向的矢量扮演一个非常重要的角色。
要正确运用这些值，俯仰和侧倾角的数字必须时刻更新。
采用双轴宽线性量程范围、高分辨率、温漂系数低的陶瓷基体电解质传感器来测量俯仰角和侧倾角，倾角数值经过电路板上的温度传感器补偿后得出的。
编辑本段
特点
总结一下,典型的数字罗盘具有以下特点:
1．三轴磁阻传感器测量平面地磁场，双轴倾角补偿。
2．高速高精度A/D转换。
3．内置温度补偿，最大限度减少倾斜角和指向角的温度漂移。
4．内置微处理器计算传感器与磁北夹角。
5．具有简单有效的用户标校指令。
6．具有指向零点修正功能。
7．外壳结构防水，无磁。
电子罗盘的原理是测量地球磁场，如果在使用的环境中有除了有地球以外的磁场且这些磁场无法有效的屏蔽时，那么电子罗盘的使用就有很大的问题，这时只能考虑使用陀螺来测定航向了。
编辑本段
应用场合
水平孔和垂直孔测量
水下勘探
飞行器导航
科学研究
教育培训
建筑物定位
设备维护
导航系统
仿真系统
GPS备份
汽车指南针
虚拟现实
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