張 健，閆 昕，祝新霞，朱俊峰，趙彥博，周玲玲，種善文，黃遠(yuǎn)生，董 飛

（棗莊學(xué)院 光電工程學(xué)院，山東 棗莊 277160）

1 引言

上海復(fù)旦天欣HMC1021Z型磁阻傳感器進(jìn)行地磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)測(cè)定時(shí)，我們發(fā)現(xiàn)在進(jìn)行水平旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)盤(pán)式，人為因素會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)動(dòng)震動(dòng)實(shí)驗(yàn)誤差，同時(shí)不能保證實(shí)驗(yàn)儀一直處于水平狀態(tài).在進(jìn)行垂直分量測(cè)量的時(shí)候也會(huì)導(dǎo)致測(cè)量角度不準(zhǔn)確而做成誤差.基于以上原有裝置出現(xiàn)的誤差存在的原因，采用在原有實(shí)驗(yàn)裝置中增加步進(jìn)電機(jī)和角度測(cè)量?jī)x，從而克服實(shí)驗(yàn)誤差.地磁場(chǎng)的開(kāi)發(fā)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(guò)改革和創(chuàng)新原有儀器使之穩(wěn)定性和測(cè)量準(zhǔn)確度得到了大大提高，它可以廣泛使用于諸多領(lǐng)域.

2 實(shí)驗(yàn)原理

首先，儀器主要利用了磁阻效應(yīng).所謂磁阻效應(yīng)就是當(dāng)一個(gè)物體處在外加磁場(chǎng)中時(shí)，物體的電阻率會(huì)發(fā)生變化進(jìn)而使電阻發(fā)生變化的現(xiàn)象,當(dāng)外加的磁場(chǎng)方向與磁體內(nèi)部的磁化方向一致時(shí)，磁體的電導(dǎo)率并不會(huì)發(fā)生變化；但當(dāng)其方向發(fā)生偏離時(shí)，磁體的電阻率會(huì)迅速發(fā)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(dǎo)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(guān)系[3]

公式（1）中，ρ⊥為當(dāng)所通電流I的方向垂直于磁化強(qiáng)度方向時(shí)的電阻率，ρ//為電流I的方向平行于磁化強(qiáng)度M的方向時(shí)的電阻率.將一定的直流電流通在與合金帶長(zhǎng)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(gè)磁場(chǎng)，這時(shí)，合金的電阻率就會(huì)迅速發(fā)生變化，其阻值也就跟著發(fā)生變化，我們依據(jù)阻值這一變化來(lái)確定地磁場(chǎng)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(fù)位，另一條是使傳感器輸出呈現(xiàn)線性關(guān)系.

該傳感器實(shí)質(zhì)上是一個(gè)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(dāng)外界存在磁場(chǎng)時(shí)，電就會(huì)發(fā)生變化[4].我們將阻值變化轉(zhuǎn)換成電壓輸出并將信號(hào)放大，所以在電橋后面我們需要加一個(gè)運(yùn)算放大電路，結(jié)構(gòu)如圖1、圖2所示，在外界磁場(chǎng)的作用下四個(gè)磁電阻中電流的流動(dòng)方向不相同時(shí)四個(gè)電阻阻值變化也不同，具體表現(xiàn)為以下關(guān)系

圖1 磁阻傳感器內(nèi)部的構(gòu)造示意圖

圖2 磁阻傳感器內(nèi)部的惠斯登電橋

當(dāng)儀器特定的工作電壓Ub=6.00V時(shí)，測(cè)定儀的輸出電壓Uout與外界磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度的關(guān)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(cè)的磁感應(yīng)強(qiáng)度，U0則是當(dāng)無(wú)外加磁場(chǎng)時(shí)磁阻傳感器的輸出量.儀器的亥姆霍茲線圈是對(duì)稱(chēng)的，在軸線中心點(diǎn)附近較寬的區(qū)域內(nèi)可以近似的認(rèn)為是均勻磁場(chǎng)區(qū)，并且我們可以將兩個(gè)線圈的公共軸中間位置的磁感應(yīng)強(qiáng)度B表示為

公式（4）中N表示亥姆霍茲線圈匝數(shù)，I表示亥姆霍茲線圈中流過(guò)的電流強(qiáng)度，R表示兩個(gè)線圈的平均半徑，μ0表示真空磁導(dǎo)率.

3 實(shí)驗(yàn)改進(jìn)

如圖3所示，是改進(jìn)后的地磁場(chǎng)測(cè)量?jī)x，在原有實(shí)驗(yàn)裝置中增加了1水平測(cè)量?jī)x，主要是控制盤(pán)面與地面保持水平狀態(tài).增加了步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，通過(guò)這個(gè)裝置代替了用人手去調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)盤(pán)的目的.增加了51單片機(jī)調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，電壓的變動(dòng)最小可以到達(dá)0.01mv，提高實(shí)驗(yàn)精確度，克服了誤差.

圖3 改進(jìn)后的地磁場(chǎng)測(cè)量?jī)x

4 實(shí)驗(yàn)測(cè)量

4.1 靈敏度的測(cè)量

根據(jù)水平測(cè)量?jī)x調(diào)節(jié)刻度盤(pán)至與地面水平，并控制單片機(jī)使轉(zhuǎn)盤(pán)的00刻度對(duì)齊.將亥姆霍茲線圈與直流電源之間的連接線卸下，對(duì)實(shí)驗(yàn)儀器進(jìn)行調(diào)零.調(diào)節(jié)單片機(jī)按鈕控制電動(dòng)機(jī)測(cè)出給出的勵(lì)磁電流值對(duì)應(yīng)的電壓值，在測(cè)反向電壓之前先將電流調(diào)至零，然后再撥動(dòng)電流換向旋鈕進(jìn)行測(cè)量.

4.2 地磁場(chǎng)的水平分量的測(cè)量

利用水平測(cè)量?jī)x將磁阻傳感器平行的固定在轉(zhuǎn)盤(pán)上，按下單片機(jī)按鈕控制電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，觀察電壓輸出值，當(dāng)電壓達(dá)到最大值時(shí)，停止轉(zhuǎn)動(dòng)，此時(shí)的方向即為地磁場(chǎng)水平分量的方向.記錄下此時(shí)磁阻傳感器輸出的電壓U1后，再按下單片機(jī)按鈕控制電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，記錄磁阻傳感器輸出電壓最小時(shí)U2，由帶入|U1-U2|/2=KB//，求得當(dāng)?shù)氐卮艌?chǎng)的水平分量B//.

4.3 傾角β以及磁感應(yīng)強(qiáng)度B的測(cè)量

調(diào)節(jié)刻度盤(pán)和底座水平（根據(jù)水平測(cè)量?jī)x來(lái)調(diào)節(jié)），直到達(dá)到要求的水平.轉(zhuǎn)底座使電壓讀數(shù)達(dá)最大或最小值，此時(shí)的轉(zhuǎn)盤(pán)面正好與地磁子午面方向垂直.再將轉(zhuǎn)盤(pán)平面調(diào)整到與水平面平行，設(shè)定電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)盤(pán)角度，觀測(cè)并獲取傳感器輸出兩個(gè)最值時(shí)轉(zhuǎn)盤(pán)的指示值和水平面之間的夾角β1和β2，同時(shí)記錄輸出電壓最大讀數(shù)U'1和 U'2.由 磁 傾 角 β=(β1+β2)/2計(jì) 算 β 的 值 .由|U'1-U'2|/2=KB，代入測(cè)量數(shù)據(jù)可以計(jì)算出地磁場(chǎng)磁感應(yīng)強(qiáng)度B的大小.將數(shù)據(jù)帶入B⊥=Bsinβ，我們就可以計(jì)算出地磁場(chǎng)的B的垂直分量.記錄下操作的環(huán)境以及時(shí)間，整理好儀器.

4.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和分析

實(shí)驗(yàn)裝置中亥姆霍茲線圈每個(gè)線圈匝數(shù)N=500匝，亥姆霍茲線圈的直徑徑r=20cm;真空磁導(dǎo)率μ0=4π×10-7N/A2.在兩個(gè)線圈的公共軸中間位置的磁感應(yīng)強(qiáng)度B可以表示為

上式中，B——磁感應(yīng)強(qiáng)度，單位是T；I——通過(guò)線圈的電流，單位A.

測(cè)出當(dāng)勵(lì)磁電流分別為 10.0，20.0，30.0，40.0，50.0，60.0mA時(shí)對(duì)應(yīng)的輸出電壓U，并算U，詳見(jiàn)表1；接著測(cè)出反向電流時(shí)對(duì)應(yīng)的傳感器輸出的電壓值U，詳見(jiàn)表2.

表 1 勵(lì)磁電流分別為 10.0，20.0，30.0，40.0，50.0，60.0mA時(shí)對(duì)應(yīng)的輸出電壓U

表2 反向電流時(shí)對(duì)應(yīng)的傳感器輸出的電壓值U

直接測(cè)量地磁場(chǎng)水平分量，U//=-0.7mV.電壓輸出最大值轉(zhuǎn)盤(pán)的指示值和水平面之間的夾角β1=50.1°，最小值時(shí)轉(zhuǎn)盤(pán)的指示值和水平面之間的夾角β2=57.2°，電壓的最大讀數(shù)U'1=1.45mV，最小的讀數(shù)U'2=-2.65mV.代入數(shù)據(jù)可得B總=4.47×10-5T,磁傾角β=53.65；地磁場(chǎng)B的垂直分量B⊥=B總Sinβ1=3.60×10-5T.

5 結(jié)論

儀器利用動(dòng)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(shù)，使實(shí)驗(yàn)變得簡(jiǎn)單，更具有可操作性；利用計(jì)算機(jī)編程，使得電壓變動(dòng)可以精確到0.01mv，具有較高的測(cè)量精度.實(shí)驗(yàn)改進(jìn)給科研實(shí)驗(yàn)、實(shí)驗(yàn)教學(xué)、應(yīng)用儀器進(jìn)行地質(zhì)勘測(cè)提供參考.

〔1〕馮彥,蔣勇,孫涵,等.地磁場(chǎng)水平梯度及高空地磁場(chǎng)的計(jì)算與分析[J].地球物理學(xué)進(jìn)展,2013,28（2）：735-746.

〔2〕唐玉發(fā),張合,劉建敬.基于磁阻傳感器與加速度計(jì)復(fù)合的姿態(tài)角檢測(cè)技術(shù)[J].傳感器與微系統(tǒng),2013,38（1）：56-58+62.

〔3〕莊明偉,王小安,徐圖.基于巨磁電阻效應(yīng)的多功能測(cè)量?jī)x[J].物理實(shí)驗(yàn),2012（1）：18-20+24.

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