磁阻傳感器以及磁場測量

1、北航基礎(chǔ)物理實(shí)驗(yàn)研究性報(bào)告各向異性磁阻傳感器（AMR 與地磁場測量第一作者：13271138 盧楊第二作者：13271127 劉士杰所在院系：化學(xué)與環(huán)境學(xué)院2014 年 5 月 27 日星期三摘要物質(zhì)在磁場中電阻率發(fā)生變化的現(xiàn)象稱為磁阻效應(yīng)，磁阻傳感器利用磁阻效應(yīng)制成。磁場的測量可利用電磁感應(yīng)，霍耳效應(yīng)，磁阻效應(yīng)等各種效應(yīng)。其中磁阻效應(yīng)法發(fā)展最快，測量靈敏度最高。磁阻傳感器可用于直接測量磁場或磁場變化，如弱磁場測量，地磁場測量，各種導(dǎo)航系統(tǒng)中的羅盤，計(jì)算機(jī)中的磁盤驅(qū)動器，各種磁卡機(jī)等等。也可通過磁場變化測量其它物理量，如利用磁阻效應(yīng)已制成各種位移、角度、轉(zhuǎn)速傳感器，各種接近開關(guān)，隔離開關(guān)，廣泛

2、用于汽車，家電及各類需要自動檢測與控制的領(lǐng)域。磁阻元件的發(fā)展經(jīng)歷了半導(dǎo)體磁阻（MR,各向異性磁阻（AMR,巨磁阻（GMR,龐磁阻（CMR等階段。本實(shí)驗(yàn)研究AMR勺特性并利用它對磁場進(jìn)行測量。關(guān)鍵詞：磁阻傳感器；磁電轉(zhuǎn)換；赫姆霍茲線圈；車輛檢測；羅盤目錄一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?4二、實(shí)驗(yàn)原理 4三、實(shí)驗(yàn)儀器介紹 5四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容 81 .測量前的準(zhǔn)備工作 82 .磁阻傳感器特性測量 8a.測量磁阻傳感器的磁電轉(zhuǎn)換特性 8b.測量磁阻傳感器的各向異性特性 93 .赫姆霍茲線圈的磁場分布測量 9a.赫姆霍茲線圈軸線上的磁場分布測量 9b.赫姆霍茲線圈空間磁場分布測量 114 .地磁場測量 12五、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)

3、處理 131 .磁阻傳感器特性測量 13a.測量磁阻傳感器的磁電轉(zhuǎn)換特性 13b.測量磁阻傳感器的各向異性特性 142 .赫姆霍茲線圈的磁場分布測量 15a.赫姆霍茲線圈軸線上的磁場分布測量 15b.赫姆霍茲線圈空間磁場分布測量 163.地磁場測量 17六、誤差分析與思考題 171、誤差分析 172、思考題 18七、實(shí)驗(yàn)中注意事項(xiàng)及改進(jìn)方法 191、注意事項(xiàng) 192、實(shí)驗(yàn)改進(jìn) 19八、總結(jié)與收獲 20九、原始數(shù)據(jù)照片 20橋的分析可知，此時(shí)輸出電壓可表示為:接地圖1磁阻電橋、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?,熟悉和了解AMR勺原理2 .測量磁阻傳感器的磁電轉(zhuǎn)換特性和各向異性特性3 .測量赫姆霍茲線圈的磁場分布4 .

4、測量地磁場磁場強(qiáng)度，磁傾角，磁偏角二、實(shí)驗(yàn)原理各向異性磁阻傳感器AMR(AnisotropicMagneto-Resistivesensors)由沉積在硅片上的坡莫合金(Ni80Fe20)薄膜形成電阻。沉積時(shí)外加磁場，形成易磁化軸方向。鐵磁材料的電阻與電流和磁化方向的夾角有關(guān)，電流與磁化方向平行時(shí)電阻Rax最大，電流與磁化方向垂直時(shí)電阻Rin最小，電流與磁化方向成0角時(shí)，電阻可表示為：R=Rmin+(RmaxRnin)cos在磁阻傳感器中，為了消除溫度等外界因素對輸出的影響，由4個(gè)相同的磁阻元件構(gòu)成惠斯通電橋，結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖1中，易磁化軸方向與電流方向的夾角為45度。理論分析與實(shí)驗(yàn)表明，采

5、用45度偏置磁場，當(dāng)沿與易磁化軸垂直的方向施加外磁場，且外磁場強(qiáng)度不太大時(shí)，二:二1電橋輸出與外加磁場強(qiáng)度成線性關(guān)系。0T導(dǎo)體帶易磁化：感無外加磁場或外加磁場方向與易磁化軸方向平行軸方向以j-flJ時(shí)，磁化方向即易磁化軸方向，電橋的4個(gè)橋臂電阻/、/電流方向阻值相同，輸出為零。當(dāng)在磁敏感方向施加如圖1所輸出+;輸出一示方向的磁場時(shí)，合成磁化方向?qū)⒃谝状呕较虻幕鵽礎(chǔ)上逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。結(jié)果使左上和右下橋臂電流與磁化,方向的夾角增大，電阻減小AR右上與左下橋臂電方向、流與磁化方向的夾角減小，電阻增大AR。通過對電、/式中Vb為電橋工作電壓，R為橋臂電阻，AR/R為磁阻阻值的相對變化率，與外加磁場強(qiáng)度成

6、正比，故AMFW阻傳感器輸出電壓與磁場強(qiáng)度成正比，可利用磁阻傳感器測量磁場。商品磁阻傳感器已制成集成電路，除圖1所示的電源輸入端和信號輸出端外，還有復(fù)位/反向置位端、補(bǔ)償端兩個(gè)功能性輸入端口，以確保磁阻傳感器的正常工作。復(fù)位/反向置位端的作用是：當(dāng)AMRS于超過其線性工作范圍的磁場中時(shí)，磁干擾可能導(dǎo)致磁疇排列紊亂，改變傳感器的輸出特性。此時(shí)按下復(fù)位/反向置位端，通過內(nèi)部電路沿易磁化軸方向產(chǎn)生強(qiáng)磁場，使磁疇重新沿易磁化軸方向整齊排列，恢復(fù)傳感器的使用特性。補(bǔ)償端的作用是：當(dāng)4個(gè)橋臂電阻不嚴(yán)格相等，或是外界磁場干擾，使得被測磁場為零而輸出電壓不為零時(shí)，此時(shí)可調(diào)節(jié)補(bǔ)償電流，通過內(nèi)部電路在磁敏感方向產(chǎn)

7、生磁場，用人為的磁場偏置補(bǔ)償傳感器的偏離。三、實(shí)驗(yàn)儀器介紹實(shí)驗(yàn)儀結(jié)構(gòu)如圖2所示，核心部分是磁阻傳感器，輔以磁阻傳感器的角度、位置調(diào)節(jié)及讀數(shù)機(jī)構(gòu)，赫姆霍茲線圈等組成。U=MXAR/R(D圖 2 磁場實(shí)驗(yàn)儀本儀器所用磁阻傳感器的工作范圍為土6高斯，靈敏度為1mV/V/Guass當(dāng)磁阻電橋的工作電壓為1V,被測磁場磁感應(yīng)強(qiáng)度為1高斯時(shí)，輸出信號為1mV磁阻傳感器的輸出信號通常須經(jīng)放大電路放大后，再接顯示電路，故由顯示電壓計(jì)算磁場強(qiáng)度時(shí)還需考慮放大器的放大倍數(shù)。本實(shí)驗(yàn)儀電橋工作電壓5V,放大器放大倍數(shù)50,磁感應(yīng)強(qiáng)度為1高斯時(shí)，對應(yīng)的輸出電壓為0.25伏。赫姆霍茲線圈是由一對彼此平行的共軸圓形線圈組成

8、。兩線圈內(nèi)的電流方向一致，大小相同，線圈之間的距離d正好等于圓形線圈的半徑R這種線圈的特點(diǎn)是能在公共軸線中點(diǎn)附近產(chǎn)生較廣泛的均勻磁場，根據(jù)畢奧-薩伐爾定律，可以計(jì)算出赫姆霍茲線圈公共軸線中點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度為：_8_JoNI 氏-53/2R式中N為線圈匝數(shù)，I為流經(jīng)線圈的電流強(qiáng)度，R為赫姆霍茲線圈的平均半徑，N。=4nM10，H/m為真空中的磁導(dǎo)率。采用國際單位制時(shí)，由上式計(jì)算出的磁感應(yīng)強(qiáng)度單位為特斯拉（1特斯拉=10000高斯）。本實(shí)驗(yàn)儀N=310,R=0.14m,線圈電流為1mA時(shí)，赫姆霍茲線圈中部的磁感應(yīng)強(qiáng)度為0.02高斯。實(shí)驗(yàn)儀的前面板示意圖如圖3所示。圖 3 儀器前面板示意圖包流源為赫姆

9、霍茲線圈提供電流，電流的大小可以通過旋鈕調(diào)節(jié)，電流值由電流表指示。電流換向按鈕可以改變電流的方向。補(bǔ)償（OFFSET兒流調(diào)節(jié)旋鈕調(diào)節(jié)補(bǔ)償電流的方向和大小。電流切換按鈕使電流表顯示赫姆霍茲線圈電流或補(bǔ)償電流。傳感器采集到的信號經(jīng)放大后，由電壓表指示電壓值。放大器校正旋鈕在標(biāo)準(zhǔn)磁場中校準(zhǔn)放大器放大倍數(shù)。復(fù)位（R/S）按鈕每按下一次，向復(fù)位端輸入一次復(fù)位脈沖電流，僅在需要時(shí)使用。四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1.測量前的準(zhǔn)備工作連接實(shí)驗(yàn)儀與電源，開機(jī)預(yù)熱20分鐘。將磁阻傳感器位置調(diào)節(jié)至赫姆霍茲線圈中心，傳感器磁敏感方向與線圈軸線一致。調(diào)節(jié)赫姆霍茲線圈電流為零， 按復(fù)位鍵恢復(fù)傳感器特性， 調(diào)節(jié)補(bǔ)償電流以補(bǔ)償?shù)卮艌龅纫蛩?/p>

10、產(chǎn)生的偏離，使傳感器輸出為零。調(diào)節(jié)赫姆霍茲線圈電流至300mA（線圈產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度6高斯），調(diào)節(jié)放大器校準(zhǔn)旋鈕，使輸出電壓為1.500伏。2.磁阻傳感器特性測量a.測量磁阻傳感器的磁電轉(zhuǎn)換特性磁電轉(zhuǎn)換特性是磁阻傳感器最基本的特性。 磁電轉(zhuǎn)換特性曲線的直線部分對應(yīng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度， 即磁阻傳感器的工作范圍，直線部分的斜率除以電橋電壓與放大器放大倍數(shù)的乘積，即為磁阻傳感器的靈敏度。按表1數(shù)據(jù)從300mAS步調(diào)小赫姆霍茲線圈電流， 記錄相應(yīng)的輸出電壓值。 切換電流換向開關(guān) （赫姆霍茲線圈電流反向，磁場及輸出電壓也將反向），逐步調(diào)大反向電流，記錄反向輸出電壓值。注意：電流換向后，必須按復(fù)位按鍵消磁。表1

11、AMR磁電轉(zhuǎn)換特性的測量線圈電流（mA） 300250200150100500-50-100-150-200-250-300磁感應(yīng)強(qiáng)度（圖斯）6543210-1-2-3-4-5-6輸出電壓（V）數(shù)據(jù)處理要求：以磁感應(yīng)強(qiáng)度為橫軸，輸出電壓為縱軸，將上表數(shù)據(jù)作圖，并確定所用傳感器的線性工作范圍及靈敏度。b.測量磁阻傳感器的各向異性特性AMRR對磁敏感方向上的磁場敏感，當(dāng)所測磁場與磁敏感方向有一定夾角a時(shí)，AMFW量的是所測磁場在磁敏感方向的投影。由于補(bǔ)償調(diào)節(jié)是在確定的磁敏感方向進(jìn)行的，實(shí)驗(yàn)過程中應(yīng)注意在改變所測磁場方向時(shí)，保持AM時(shí)向不變。將赫姆霍茲線圈電流調(diào)節(jié)至200mA測量所測磁場方向與磁敏感

12、方向一致時(shí)的輸出電壓。松開線圈水平旋轉(zhuǎn)鎖緊螺釘，每次將赫姆霍茲線圈與傳感器盒整體轉(zhuǎn)動10度后鎖緊，松開傳感器水平旋轉(zhuǎn)鎖緊螺釘， 將傳感器盒向相反方向轉(zhuǎn)動10度(保持AMRf向不變)后鎖緊， 記錄輸出電壓數(shù)據(jù)于表2中。表2AMR方向特性的測量磁感應(yīng)強(qiáng)度4高斯夾角a(度)0102030405060708090輸出電壓(V)數(shù)據(jù)處理要求：以夾角a為橫軸，輸出電壓為縱軸，進(jìn)行數(shù)據(jù)作圖，判斷曲線有何規(guī)律。3.赫姆霍茲線圈的磁場分布測量赫姆霍茲線圈能在公共軸線中點(diǎn)附近產(chǎn)生較廣泛的均勻磁場。a.赫姆霍茲線圈軸線上的磁場分布測量根據(jù)畢奧-薩伐爾定律，可以計(jì)算出通電圓線圈在軸線上任意一點(diǎn)產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度矢量垂直

13、于線圈平面，方向由右手螺旋定則確定，與線圈平面距離為Xi的點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度為:B3I“Xl)2(R2x12)3/2赫姆霍茲線圈是由一對彼此平行的共軸圓形線圈組成。兩線圈內(nèi)的電流方向一致，大小相同，線圈匝數(shù)為N,線圈之間的距離d正好等于圓形線圈的半徑R,若以兩線圈中點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，則軸線上任意一點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度是兩線圈在該點(diǎn)產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度之和：式中巳是*=0時(shí)， 即赫姆霍茲線圈公共軸線中點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度。 表3列出了X取不同值時(shí)B(X)/B0值的理論計(jì)算結(jié)果。調(diào)節(jié)傳感器磁敏感方向與赫姆霍茲線圈軸線一致，位置調(diào)節(jié)至赫姆霍茲線圈中心(X=0),測量輸出電壓值。已知R=140mm將傳感器盒每次沿軸線平移0.

14、1R,記錄測量數(shù)據(jù)位置X-0.5R-0.4R-0.3R-0.2R-0.1R00.1R0.2R0.3R0.4R0.5RB(X)/B0計(jì)算值0.9460.9750.9920.9981.00011.0000.9980.9920.9750.946B(X)測量值(V)B(X)測量值(圖斯)表3赫姆霍茲線圈軸向磁場分布測量BB(x)=0NR2I2R2(Rx)2一+3/2小NR2I3/222R2(R-x)23/21X213/2R04局斯數(shù)據(jù)處理要求：將表3數(shù)據(jù)作圖，討論赫姆霍茲線圈的軸向磁場分布特點(diǎn)b.赫姆霍茲線圈空間磁場分布測量由畢奧一薩伐爾定律， 同樣可以計(jì)算赫姆霍茲線圈空間任意一點(diǎn)的磁場分布， 由于赫

15、姆霍茲線圈的軸對稱性，只要計(jì)算（或測量）過軸線的平面上兩維磁場分布，就可得到空間任意一點(diǎn)的磁場分布。理論分析表明，在X)6800.053-0.1230.0880.352磁偏角為北偏東10六、誤差分析與思考題1、誤差分析(1)實(shí)驗(yàn)過程中，可能會受到周圍其他同學(xué)的赫姆霍茲線圈的影響。實(shí)驗(yàn)中，身上所攜帶的電子儀器的影響(3)轉(zhuǎn)動傳感器時(shí)，可能使軸向和水平方向有輕微的移動導(dǎo)致測量結(jié)果有偏差調(diào)節(jié)儀器時(shí)，傳感器盒水平性可能被破壞。(5)轉(zhuǎn)動赫姆霍茲線圈時(shí)，可能會導(dǎo)致線圈底座位置的偏離而產(chǎn)生誤差。電橋各電阻初始值為FRa-R2R4URD=E(RiR3)(R2R4)RiRaR3R-R2R4-R4R2二E(Ri

16、Ra)(R2R4)KE.U(R-艮艮-R4)4由于四電阻的排列順序且R=&=AR=ARoUEo=U2、思考題(1)推導(dǎo)公式:U=VbR所以(2)AMR傳感器的應(yīng)用車輛檢測所以汽車位置變化可以引起地磁場的變化，當(dāng)傳感器上方有車子時(shí)，傳感器周圍穩(wěn)定的地磁場分布收到了擾動，這個(gè)擾動可以被傳感器確定的撲捉到，傳感器輸出變化明顯，可以此檢測出特定車位上車輛的到位其情況。羅盤定向與導(dǎo)航傳感器的電子輸出是與沿著其敏感軸的磁場強(qiáng)度成比例的。當(dāng)傳感器放置在水平面上，從指向磁北的角度開始旋轉(zhuǎn)，輸出為航向角度的余弦函數(shù)。將至少兩個(gè)傳感器相互垂直地放置，會消除輸出的雙值性，使輸出和航向角一一對應(yīng)，如圖14所示

17、。這些信號可以用來控制輪船的舵，使它照預(yù)先制定的航線行駛，即使航向在絕對意義上講是不知道的。七、實(shí)驗(yàn)中注意事項(xiàng)及改進(jìn)方法1、注意事項(xiàng)(1)盡量不要攜帶電子設(shè)備進(jìn)實(shí)驗(yàn)室，以免對實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生干擾。(2)做實(shí)驗(yàn)時(shí)注意不要碰撞桌面，以免影響傳感器的水平度。(3)轉(zhuǎn)動線圈時(shí)，注意不要讓儀器與桌面的相對位置發(fā)生移動。2、實(shí)驗(yàn)改進(jìn)(1)將線圈臺與桌面的位置固定，防止轉(zhuǎn)動線圈時(shí)使臺面與桌面產(chǎn)生相對位移。(2)將ARM1阻傳感器的橫向和縱向移動機(jī)制由滑動改為齒輪的傳動， 設(shè)計(jì)齒輪每轉(zhuǎn)動一圈，傳感器橫向或者縱向移動0.05R;而其它有轉(zhuǎn)動的地方也可以改成齒輪，更加便于調(diào)節(jié)。(3)設(shè)計(jì)一個(gè)聯(lián)動機(jī)制，使橫向或者縱向移動傳

18、感器時(shí)，兩邊移動的位移相等，讓實(shí)驗(yàn)更加精確。儀器上橫向、縱向移動的標(biāo)尺精度不高，換成千分尺那樣的可以提高實(shí)驗(yàn)精度。(5)傳感器繞軸旋轉(zhuǎn)的刻度盤太小，讀數(shù)困難，可適當(dāng)增大并增加刻度，提高實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性。(6)實(shí)驗(yàn)用的是作圖法，受到主觀因素的影響會產(chǎn)生一定的誤差，作圖時(shí)用origin8能避免這種情況的產(chǎn)生，提高實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性。八、總結(jié)與收獲這學(xué)期的實(shí)驗(yàn)總的來說比上學(xué)期簡單， 也可能是有了上學(xué)期做實(shí)驗(yàn)的一些經(jīng)驗(yàn)了， 顯得相對輕松。磁阻傳感器與磁場測量這個(gè)實(shí)驗(yàn)總的來說并不難，首先是實(shí)驗(yàn)講義很詳細(xì)，其次是老師講解得十分清楚明白。實(shí)驗(yàn)雖然簡單，但實(shí)驗(yàn)過程也能讓我們明白許多，首先是要細(xì)心，實(shí)驗(yàn)對傳感器的水平要求很高，碰一下桌子、碰了一