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用各向异性磁阻效应测量磁场

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各向异性磁阻传感

各向异性磁阻传感
各向异性磁阻传感器和磁 场测量
刘文军
概 述
• 物质在磁场中电阻率发生变化的现象称为磁阻效 应，可制成磁阻传感器。 • 磁场的测量可利用电磁感应，霍耳效应，磁阻效 应等各种效应。其中磁阻效应法发展最快，测量 灵敏度最高。 • 磁阻传感器可用于直接测量磁场或磁场变化，如 弱磁场测量，地磁场测量，各种导航系统中的罗 盘，计算机中的磁盘驱动器，各种磁卡机等等。 也可通过磁场变化测量其它物理量，如利用磁阻 效应已制成各种位移、角度、转速传感器，各种 接近开关，隔离开关，广泛用于汽车，家电及各 类需要自动检测与控制的领域。
实验仪器
磁阻传感器盒 传感器轴向移动锁紧螺钉
赫姆霍兹线圈 传感器 横向移动锁紧螺钉
传感器绕轴旋转锁紧螺钉 传感器水平旋转锁紧螺钉
线圈水平旋转锁紧螺钉 信号接口盒 仪器水平调节螺钉
磁场实验仪
实验原理
铁磁材料的电阻与电流及磁 化方向的夹角有关，电流与 磁化方向平行时电阻R最大， 电流与磁化方向垂直时电阻R 最小，电流与磁化方向成θ角 时，电阻可表示为：
磁阻传感器特性测量 a 测量磁阻传感器的磁电转换特性 • 按表1数据从300mA逐步调小赫姆霍兹线圈 电流，记录相应的输出电压值。切换电流 换向开关（赫姆霍兹线圈电流反向，磁场 及输出电压也将反向），逐步调大反向电 流，记录反向输出电压值。注意：电流换 注意： 注意 向后，必须按复位按键消磁。 向后，必须按复位按键消磁。
表1 AMR磁电转换特性的测量
线圈电流(mA) 线圈电流 磁感应强度( 磁感应强度(高 斯) 输出电压(V) 输出电压(V) 30 0 6 250 200 150 5 4 3 100 2 50 1 0 0 -50 -100 -150 -200 -1 -2 -3 -4 250 -5 -300 -6

磁阻传感器-地磁场传感器实验报告模板

磁阻传感器-地磁场传感器实验报告模板

一、实验目的：1.掌握磁阻传感器的各向异性磁阻效应。

2.掌握地磁场的测量方法。

3.熟练使用最小二乘法拟合。

二、实验仪器设备：测量地磁场装置主要包括底座，转轴，带角刻度的转盘，磁阻传感器的引线，地磁场测定仪控制主机。

三、实验原理：物质在磁场中电阻率发生变化的现象称为磁阻效应。

对于铁、钴、镍及其合金等磁性金属，当外加磁场平行于磁体内部磁化方向时，电阻几乎不随外加磁场变化；当外加磁场偏离金属的内部磁化方向时，此类金属的电阻减小，这就是强磁金属的各向异性磁阻效应。

HMC1021Z 型磁阻传感器由长而薄的坡莫合金(铁镍合金)制成一维磁阻微电路集成芯片(二维和三维磁阻传感器可以测量二维或三维磁场)。

它利用通常的半导体工艺，将铁镍合金薄膜附着在硅片上，如图1所示。

薄膜的电阻率)(θρ依赖于磁化强度M 和电流I 方向间的夹角θ，具有以下关系式θρρρθρ2cos )()(⊥⊥-+=∥ （1）其中∥ρ、⊥ρ分别是电流I 平行于M 和垂直于M 时的电阻率。

当沿着铁镍合金带的长度方向通以一定的直流电流，而垂直于电流方向施加一个外界磁场时，合金带自身的阻值会生较大的变化，利用合金带阻值这一变化，可以测量磁场大小和方向。

同时制作时还在硅片上设计了两条铝制电流带，一条是置位与复位带，该传感器遇到强磁场感应时，将产生磁畴饱和现象，也可以用来置位或复位极性；另一条是偏置磁场带，用于产生一个偏置磁场，补偿环境磁场中的弱磁场部分(当外加磁场较弱时，磁阻相对变化值与磁感应强度成平方关系)，使磁阻传感器输出显示线性关系。

HMC1021Z 磁阻传感器是一种单边封装的磁场传感器，它能测量与管脚平行方向的磁场。

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。

传感器内部结构如图2所示。

图2中由于适当配置的四个磁电阻电流方向不相同，当存在外界磁场时，引起电阻值变化有增有减。

因而输出电压out U 可以用下式表示为 b out U R R U ⨯⎪⎭⎫ ⎝⎛∆= (2)图1磁阻传感器的构造示意图 图2磁阻传感器内的惠斯通电桥 对于一定的工作电压，如V U b 00.5=，HMC1021Z 磁阻传感器输出电压out U 与外界磁场的磁感应强度成正比关系，KB U U out +=0 （3）（3）式中，K 为传感器的灵敏度，B 为待测磁感应强度。

用磁阻效应测量地磁场

用磁阻效应测量地磁场

用磁阻效应测量地磁场地磁场的数值比较小，约10－5T 量级，但在直流磁场测量，特别是弱磁场测量中，往往需要知道其数值，并设法消除其影响，地磁场作为一种天然磁源，在军事、工业、医学、探矿等科研中也有着重要用途。

本实验采用新型坡莫合金磁阻传感器测量地磁场磁感应强度及地磁场磁感应强度的水平分量和垂直分量；测量地磁场的磁倾角，从而掌握磁阻传感器的特征及测量地磁场的一种重要方法。

由于磁阻传感器体积小，灵敏度高、易安装，因而在弱磁场测量方面有广泛应用前景。

一、实验原理物质在磁场中电阻率发生变化的现象称为磁阻效应。

对于铁、钴、镍及其合金等磁性金属，当外加磁场平行于磁体内部磁化方向时，电阻几乎不随外加磁场变化；当外加磁场偏离金属的内部磁化方向时，此类金属的电阻减小，这就是强磁金属的各向异性磁阻效应。

本实验所用得HMC1021Z 型磁阻传感器由长而薄的坡莫合金（铁镍合金）制成一维磁阻微电路集成芯片（二维和三维磁阻传感器可以测量二维或三维磁场）。

它利用通常的半导体工艺，将铁镍合金薄膜附着在硅片上，如图1所示。

薄膜的电阻率ρ（θ）依赖于磁化强度M 和电流I 方向间的夹角θ，具有以下关系式2()()cos ρθρρρθ⊥⊥=+-P （1）其中ρP 、ρ⊥分别是电流I 平行于M 和垂直于M 时的电阻率。

当沿着铁镍合金带的长度方向通以一定的直流电流，而垂直于电流方向施加一个外界磁场时，合金带自身的阻值会生较大的变化，利用合金带阻值这一变化，可以测量磁场大小和方向。

同时制作时还在硅片上设计了两条铝制电流带，一条是置位与复位带，该传感器遇到强磁场感应时，将产生磁畴饱和现象，也可以用来置位或复位极性；另一条是偏置磁场带，用于产生一个偏置磁场，补偿环境磁场中的弱磁场部分（当外加磁场较弱时，磁阻相对变化值与磁感应强度成平方关系），使磁阻传感器输出显示线性关系。

HMC1021Z 磁阻传感器是一种单边封装的磁场传感器，它能测量与管脚平行方向的磁场。

B504实验报告模板-各向异性磁阻传感器与磁场测量

B504实验报告模板-各向异性磁阻传感器与磁场测量

姓名
学号
教师姓名
上课日期 2016 年 月 日 教室 7 教 B 段 602 房间 座位号
（以上信息请根据网络选课页面填写完整。） 任课教师签字：
最终成绩：
【预习要点】 1. 磁阻元件的发展与应用。 2. 了解以下概念：各向异性磁铁材料，磁阻，磁阻效应，各向异性磁阻传感器（AMR）可以测量什么。 3. 重点了解磁阻传感器的构成：磁阻元件、易磁化方向、磁敏感方向、磁阻电桥。 4. AMR 测量磁场的原理。 5. 了解磁场实验仪面板，特别注意：复位端（R/S）、补偿端(OFFSET)的作用。 6. 地磁场知识：地磁倾角，地磁场感应强度。 【实验目的】（见教材）
Ux 测（V）
Bx 测=Ux/0.25(Gs)
Bx/B0
4. <表 4> 赫氏线圈空间磁场分布测量（B0=4 Gs） X
Y
Vx
0
0.05R
0.10R
0
0.05R
0.10R
0.15R
0.20R
0.25R
0.30R
0.15R
0.20R
0.25R
5. <表 5> 地磁场的测量（选作） 磁偏角（度） 磁倾角（度）
。 （3） 确定所用传感器的灵敏度平均值。 灵敏度=（输出电压/放大倍数×磁感应强度）。
L=
(mV/V·Gs)
学号
贴坐标纸处
2、对表 2，判断所测输出电压是否符合余弦规律。
。 以角度 α 为横坐标，被测电压 U 测为纵坐标作图。
贴坐标纸处
3、 对表 3 以位置 X 为横坐标，Bx 为纵坐标作图，讨论
对表3以位置x为横坐标bx为纵坐标作图讨论赫氏线圈的轴向磁场分布特点是对表4数据讨论赫氏线圈的空间磁场分布特点是贴坐标纸处贴坐标纸处贴坐标纸处实验题目如何测量磁场的大小班级姓名学号警示

磁阻传感器与磁场测量

磁阻传感器与磁场测量

北航基础物理实验研究性报告各向异性磁阻传感器（AMR）与地磁场测量第一作者： 13271138 卢杨第二作者： 13271127 刘士杰所在院系：化学与环境学院2015年5月27日星期三摘要物质在磁场中电阻率发生变化的现象称为磁阻效应，磁阻传感器利用磁阻效应制成。

磁场的测量可利用电磁感应，霍耳效应，磁阻效应等各种效应。

其中磁阻效应法发展最快，测量灵敏度最高。

磁阻传感器可用于直接测量磁场或磁场变化，如弱磁场测量，地磁场测量，各种导航系统中的罗盘，计算机中的磁盘驱动器，各种磁卡机等等。

也可通过磁场变化测量其它物理量，如利用磁阻效应已制成各种位移、角度、转速传感器，各种接近开关，隔离开关，广泛用于汽车，家电及各类需要自动检测与控制的领域。

磁阻元件的发展经历了半导体磁阻（MR），各向异性磁阻（AMR），巨磁阻（GMR），庞磁阻（CMR）等阶段。

本实验研究AMR的特性并利用它对磁场进行测量。

关键词：磁阻传感器；磁电转换；赫姆霍兹线圈；车辆检测；罗盘目录一、实验目的 (4)二、实验原理 (4)三、实验仪器介绍 (6)四、实验内容 (8)1.测量前的准备工作 (8)2.磁阻传感器特性测量 (8)a.测量磁阻传感器的磁电转换特性 (8)b.测量磁阻传感器的各向异性特性 (9)3.赫姆霍兹线圈的磁场分布测量 (9)a. 赫姆霍兹线圈轴线上的磁场分布测量 (9)b．赫姆霍兹线圈空间磁场分布测量 (11)4．地磁场测量 (12)五、实验数据及数据处理 (13)1.磁阻传感器特性测量 (13)a.测量磁阻传感器的磁电转换特性 (13)b．测量磁阻传感器的各向异性特性 (14)2．赫姆霍兹线圈的磁场分布测量 (15)a．赫姆霍兹线圈轴线上的磁场分布测量 (15)b．赫姆霍兹线圈空间磁场分布测量 (16)3．地磁场测量 (17)六、误差分析与思考题 (17)1、误差分析 (17)2、思考题 (18)七、实验中注意事项及改进方法 (19)1、注意事项 (19)2、实验改进 (19)八、总结与收获 (20)九、原始数据照片 (20)一、实验目的1．熟悉和了解AMR的原理2．测量磁阻传感器的磁电转换特性和各向异性特性3．测量赫姆霍兹线圈的磁场分布4．测量地磁场磁场强度，磁倾角，磁偏角二、实验原理各向异性磁阻传感器AMR（Anisotropic Magneto-Resistive sensors）由沉积在硅片上的坡莫合金（Ni80 Fe20）薄膜形成电阻。

磁阻传感器实验zhx

磁阻传感器实验zhx

图1 各向异性磁电阻效应 磁电阻传感器实验磁场的测量可利用电磁感应，霍耳效应，磁电阻效应等方法实现。

所谓磁电阻效应，即物质在磁场中电阻率发生变化的现象，磁电阻传感器利用磁电阻效应制成。

而其中各向异性磁电阻传感器是一种能够测量磁场大小和方向的传感器，它具有体积小, 功耗低, 灵敏度高, 抗干扰能力强, 可靠性高, 易于安装等优点, 在测量弱磁场以及基于弱磁场的地磁导航、数字智能罗盘、位置测量、伪钞鉴别等方面显示出巨大的优越性, 还能用来制作高精度的转速传感器、压力传感器、角位移传感器等, 具有广阔的应用前景。

目前国外已大批量生产此类型的集成磁电阻传感器, 并在工业、航天、航海、医疗仪器等多种仪器仪表方面有着广泛应用。

本实验使用Honeywell 公司生产的HMC 型各向异性磁电阻传感器, 它能够测量低至85微高斯的磁场, 是测量弱磁场的灵敏传感器。

本实验主要研究其结构和特性并利用它对磁场进行测量。

【实验目的】1．了解各向异性磁电阻传感器测量磁场的基本原理；2．学会用各向异性磁电阻传感器测定地亥姆霍兹线圈磁场的方法； 3．验证场的叠加原理。

【实验原理】磁电阻效应有基于霍尔效应的普通磁电阻效应和各向异性磁电阻效应之分。

对于强磁性金属(铁、钴、镍 及其合金) , 当外加磁场平行于磁体内部磁化方向时, 电阻几乎不随外加磁场而变; 当外加磁场偏离金属的内磁化方向时, 金属的电阻减小, 这就是各向异性磁电阻效应(见图1)。

本实验所使用的各向异性磁电阻传感器由沉积在硅片上的坡莫合金（Ni 80 Fe 20）薄膜形成电阻。

沉积时外加磁场，形成易磁化轴方向。

坡莫合金薄膜的电阻和电流与磁化方向的夹角有关，电流与磁化方向平行时电阻最大，电流与磁化方向垂直时电阻最小。

坡莫合金薄膜的电阻率依赖于磁化强度M 和电流I 方向的夹角θ, 即θρρρθρ2//cos )()(⊥⊥-+= （1）其中//ρ, ⊥ρ 分别是平行于M 和垂直于M 时的电阻率。

地磁场测定实验

地磁场测定实验地磁场的数值比较小，约510-T 量级，但在直流磁场测量，特别是弱磁场测量中，往往需要知道其数值，并设法消除其影响，地磁场作为一种天然磁源，在军事、工业、医学、探矿等科研中也有着重要用途。

本实验采用新型坡莫合金磁阻传感器测量地磁场磁感应强度及地磁场磁感应强度的水平分量和垂直分量；测量地磁场的磁倾角，从而掌握磁阻传感器的特性及测量地磁场的一种重要方法。

由于磁阻传感器体积小，灵敏度高、易安装，因而在弱磁场测量方面有广泛应用前景。

一、实验目的（1）了解磁阻传感器的各向异性磁阻效应 （2）掌握测量地磁场的定标及测量原理和方法（3）熟练使用最小二乘法拟合 二、实验原理物质在磁场中电阻率发生变化的现象称为磁阻效应。

对于铁、钴、镍及其合金等磁性金属，当外加磁场平行于磁体内部磁化方向时，电阻几乎不随外加磁场变化；当外加磁场偏离金属的内部磁化方向时，此类金属的电阻减小，这就是强磁金属的各向异性磁阻效应。

HMC1021Z 型磁阻传感器由长而薄的坡莫合金(铁镍合金)制成一维磁阻微电路集成芯片(二维和三维磁阻传感器可以测量二维或三维磁场)。

它利用通常的半导体工艺，将铁镍合金薄膜附着在硅片上，如图1所示。

薄膜的电阻率)(θρ依赖于磁化强度M 和电流I 方向间的夹角θ，具有以下关系式θρρρθρ2cos )()(⊥⊥-+=∥ （1）其中∥ρ、⊥ρ分别是电流I 平行于M 和垂直于M 时的电阻率。

当沿着铁镍合金带的长度方向通以一定的直流电流，而垂直于电流方向施加一个外界磁场时，合金带自身的阻值会生较大的变化，利用合金带阻值这一变化，可以测量磁场大小和方向。

同时制作时还在硅片上设计了两条铝制电流带，一条是置位与复位带，该传感器遇到强磁场感应时，将产生磁畴饱和现象，也可以用来置位或复位极性；另一条是偏置磁场带，用于产生一个偏置磁场，补偿环境磁场中的弱磁场部分(当外加磁场较弱时，磁阻相对变化值与磁感应强度成平方关系)，使磁阻传感器输出显示线性关系。

地磁场测定实验


定标原理解释
电流正向时测得电压为: 电流反向时测得电压为:
U U 0 KBH KB// sin
U U 0 KBH KB// sin
两式相减即可抵销 U 0 ,地磁场影响。
地磁场水平分量B//
方法1:将传感器调至0度,记录当前数据;再转至180
度,记录当时数据.调节调零旋钮使0度和180度数据 数值相等、符号相反。此时U 0 为零，转动传感器 找到数值极大时即为地磁场水平分量。 方法2:将磁阻传感器平行固定在转盘上，调整转盘 至水平。水平旋转转盘，找到传感器输出电压最大 方向，这个方向就是地磁场磁感应强度的水平分量 B//的方向。记录此时传感器输出电压U1后，再旋 转转盘，记录传感器输出最小的电压U2。由|U1U2|/2=KB//，求得当地地磁场水平分量B//。
磁阻传感器输出电路
利用四个同样的磁阻传感器组成一电桥,由于磁阻传 感器与地磁场夹角的不同,此电桥为不平衡电桥 对于一定的工作电压：磁阻传感器输出电压与外界 磁场的磁感应强度成正比关系
U U 0 KB
K为传感器的灵敏度，B为待测磁感应强度，U0为外 加磁场为零时传感器的输出电压。
亥姆霍磁线圈的磁场与传感器定标
测量方法解释
0度时测得电压为
U0 U0 KB// sin
180度时测得电压为
U180 U0 KB// sin(180 )
sin 和 sin(180 ) 应该数值相等符号相反。 方法一通过调零抵消 U 0 。 方法二通过相减抵消 U 0 。
用磁阻传感器测量地磁场
实验内容： 1、测量地磁场实验仪的灵敏度（定标）； 2．测量当地地磁场水平分量、测定磁倾角

实验05 磁阻效应法测量磁场

0 0 2
实验仪器
亥姆霍兹线圈、 磁阻传感器 恒流源、电压 表等
实验仪器
传感器绕轴旋转锁紧螺钉 传感器轴向移 动锁紧螺钉
磁阻传感器盒 亥姆霍兹线圈
传感器横向移动 锁紧螺钉
传感器水平旋转锁紧螺钉
仪器水平调节螺钉
信号接口盒
线圈水平旋转锁紧螺 钉
磁阻传感器-核心
磁阻传感器芯片 [-6,+6]Gs，1mV/V/Gs 易磁化轴 方向
A
C
A
C
FE
FE
IS
EH
IS
EH
Fg
Fg C
A
A
C
（a）
图 1-1 霍尔效应原理图
（b）
磁阻效应-磁阻效应传感器
磁阻效应-物质在磁场中电阻率发生变化 直接测量磁场、磁场变化 弱磁场、地磁场、导航系统的罗盘、硬盘 位移、角度、转速传感器 接近开关、隔离开关 汽车、家电、各类需要自动检测与控制的 领域

R Rmax cos Rmin sin
2 2
材料
i
夹角
平行

垂直

M
如何应用AMR测量磁场？
实验原理

45度
i
M0
i
M0
M -ΔR
2、磁阻电桥： M 消除温度等外界因素-惠斯通电桥 45 B// R B cos R 惠斯通电桥：U Vb R / R 近似有
磁阻效应法测量磁场
背景知识
电磁场无所不在 地球磁场、手机通信、电磁炉、发电机、 指南针、硬盘、人体、恒星

磁场测量

磁场看不见摸不着，如何测量磁场？ 磁力法-被测磁场与磁化物体（或通电线圈）的 机械力（力矩） 电磁感应法-法拉第电磁感应原理 磁饱和法-铁磁材料磁调制 霍尔效应法 磁阻效应法 磁共振法 超导效应法 V V 磁光效应法

磁阻传感器以及磁场测量

北航基础物理实验研究性报告各向异性磁阻传感器（AMR）与地磁场测量第一作者： 13271138 卢杨第二作者： 13271127 刘士杰所在院系：化学与环境学院2014年5月27日星期三摘要物质在磁场中电阻率发生变化的现象称为磁阻效应，磁阻传感器利用磁阻效应制成。

磁场的测量可利用电磁感应，霍耳效应，磁阻效应等各种效应。

其中磁阻效应法发展最快，测量灵敏度最高。

磁阻传感器可用于直接测量磁场或磁场变化，如弱磁场测量，地磁场测量，各种导航系统中的罗盘，计算机中的磁盘驱动器，各种磁卡机等等。

也可通过磁场变化测量其它物理量，如利用磁阻效应已制成各种位移、角度、转速传感器，各种接近开关，隔离开关，广泛用于汽车，家电及各类需要自动检测与控制的领域。

磁阻元件的发展经历了半导体磁阻（MR），各向异性磁阻（AMR），巨磁阻（GMR），庞磁阻（CMR）等阶段。

本实验研究AMR的特性并利用它对磁场进行测量。

关键词：磁阻传感器；磁电转换；赫姆霍兹线圈；车辆检测；罗盘目录一、实验目的 (4)二、实验原理 (4)三、实验仪器介绍 (5)四、实验内容 (8)1.测量前的准备工作 (8)2.磁阻传感器特性测量 (8)a.测量磁阻传感器的磁电转换特性 (8)b.测量磁阻传感器的各向异性特性 (9)3.赫姆霍兹线圈的磁场分布测量 (9)a. 赫姆霍兹线圈轴线上的磁场分布测量 (9)b．赫姆霍兹线圈空间磁场分布测量 (11)4．地磁场测量 (12)五、实验数据及数据处理 (13)1.磁阻传感器特性测量 (13)a.测量磁阻传感器的磁电转换特性 (13)b．测量磁阻传感器的各向异性特性 (14)2．赫姆霍兹线圈的磁场分布测量 (15)a．赫姆霍兹线圈轴线上的磁场分布测量 (15)b．赫姆霍兹线圈空间磁场分布测量 (16)3．地磁场测量 (17)六、误差分析与思考题 (17)1、误差分析 (17)2、思考题 (18)七、实验中注意事项及改进方法 (19)1、注意事项 (19)2、实验改进 (19)八、总结与收获 (20)九、原始数据照片 (20)一、实验目的1．熟悉和了解AMR的原理2．测量磁阻传感器的磁电转换特性和各向异性特性3．测量赫姆霍兹线圈的磁场分布4．测量地磁场磁场强度，磁倾角，磁偏角二、实验原理各向异性磁阻传感器AMR（Anisotropic Magneto-Resistive sensors）由沉积在硅片上的坡莫合金（Ni80 Fe20）薄膜形成电阻。

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图 5 仪器前面板示意图
实验内容及步骤： （1） 测量准备：连接实验仪与电源，开机预热 20 分钟。将磁阻传感器位置调节至赫姆霍
兹线圈中心，传感器磁敏感方向与赫姆霍兹线圈轴线一致。调节赫姆霍兹线圈电流为 零，按复位键（见图 2，恢复传感器特性），调节补偿电流（见图 3，补偿地磁场等因 素产生的偏离），使传感器输出为零。调节赫姆霍兹线圈电流至 300 mA（线圈产生的 磁感应强度 6 高斯），调节放大器校准旋钮，使输出电压为 1 .500 伏。
的应用。
a. 赫姆霍兹线圈轴线上的磁场分布测量
根据毕奥－萨伐尔定律，可以计算出通电圆线圈在轴线上任意一点产生的磁感应强度矢
量垂直于线圈平面，方向由右手螺旋定则确定，与线圈平面距离为 X1 的点的磁感应强度为：
B( x1 )
=
µ0 R 2 I 2(R2 + x12 )3/ 2
赫姆霍兹线圈是由一对彼此平行的共轴圆形线圈组成。两线圈内的电流方向一致，大小 相同，线圈匝数为 N，线圈之间的距离 d 正好等于圆形线圈的半径 R，若以两线圈中点为坐标 原点，则轴线上任意一点的磁感应强度是两线圈在该点产生的磁感应强度之和：
相同，线圈之间的距离 d 正好等于圆形线圈的半径 R。这种线圈的特点是能在公共轴线中点
附近产生较广泛的均匀磁场，根据毕奥－萨伐尔定律，可以计算出赫姆霍兹线圈公共轴线中
点的磁感应强度为：
= B0
8 ⋅ µ0NI 53/ 2 R
式中 N 为线圈匝数，I 为流经线圈的电流强度，R 为赫姆霍兹线圈的平均半径，
按表 4 数据改变磁阻传感器的空间位置，记录 X 方向的磁场产生的电压 VX，测量赫姆 霍兹线圈空间磁场分布。
表 4 赫姆霍兹线圈空间磁场分布测量
B0＝ 4 高斯
X
0
0.05R
0.1R
0.15R
0.2R
0.25R
0.3R
VX Y
0
0.05R
0.1R
0.15R
0.2R
0.25R
0.3R
由表 4 数据讨论赫姆霍兹线圈的空间磁场分布特点。
磁畴重新整齐排列，恢复传感器的使用特性。
若脉冲电流方向相反，则磁畴排列方向反转，
传感器的输出极性也将相反。 从补偿端每输入 5 mA 补偿电流，通过
c 反向置位脉冲使磁畴排列方向反转
图 2 置位/反向置位脉冲的作用
内部电路将在磁敏感方向产生 1 高斯的磁
场。可用来补偿传感器的偏离。 输
出
图 3 为 AMR 的磁电转换特性曲 电
程中应注意在改变所测磁场方向时，保持 AMR 方向不变。
将赫姆霍兹线圈电流调节至 200mA，测量所测磁场方向与磁敏感方向一致时的输出电 压。
松开线圈水平旋转锁紧螺钉，每次将赫姆霍兹线圈与传感器盒整体转动 10 度后锁紧，松
开传感器水平旋转锁紧螺钉，将传感器盒向相反方向转动 10 度（保持 AMR 方向不变）后锁紧，
（2） 磁阻传感器特性测量 a. 测量磁阻传感器的磁电转换特性 磁电转换特性是磁阻传感器最基本的特性。磁电转换特性曲线的直线部分对应的磁感应
强度，即磁阻传感器的工作范围，直线部分的斜率除以电桥电压与放大器放大倍数的乘积， 即为磁阻传感器的灵敏度。按表 1 数据从 300 mA 逐步调小赫姆霍兹线圈电流，记录相应的输 出电压值。切换电流换向开关（赫姆霍兹线圈电流反向，磁场及输出电压也将反向），逐步调
压
线。其中电桥偏离是在传感器制造 毫
过程中，4 个桥臂电阻不严格相等 伏
/
反向置位后的特性曲线 电桥偏离
复位后的特性曲线
带来的，外磁场偏离是测量某种磁
场时，外界干扰磁场带来的。不管
外磁场偏离
要补偿哪种偏离，都可调节补偿电
流，用人为的磁场偏置使图 5 中的 特性曲线平移，使所测磁场为零时 输出电压为零。
输出电压(V)
以磁感应强度为横轴，输出电压为纵轴，将上表数据作图，并确定所用传感器的线性工
作范围及灵敏度。
b. 测量磁阻传感器的各向异性特性
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 α 时，AMR 测
量的是所测磁场在磁敏感方向的投影。由于补偿调节是在确定的磁敏感方向进行的，实验过
（4）地磁场测量 地球本身具有磁性，地表及近地空间存在的磁场叫地磁场。地磁的北极，南极分别在地
理南极，北极附近，彼此并不重合，可用地磁场强度，磁倾角，磁偏角三个参量表示地磁场 的大小和方向。磁倾角是地磁场强度矢量与水平面的夹角，磁偏角是地磁场强度矢量在水平 面的投影与地球经线（地理南北方向）的夹角。
大反向电流，记录反向输出电压值。注意：电流换向后，必须按复位按键消磁。
表 1 AMR 磁电转换特性的测量
线圈电流(mA) 300 250 200 150 100 50 0 -50 -100 -150 -200 -250 -300
磁感应强度(高斯) 6 5 4 3 2 1 0 -1 -2 -3 -4 -5 -6
强度为 1 高斯时，输出信号为 1 mV。
磁阻传感器的输出信号通常须经放大电路放大后，再接显示电路，故由显示电压计算磁
场强度时还需考虑放大器的放大倍数。本实验仪电桥工作电压 5 V，放大器放大倍数 50，磁
感应强度为 1 高斯时，对应的输出电压为 0.25 伏。
赫姆霍兹线圈是由一对彼此平行的共轴圆形线圈组成。两线圈内的电流方向一致，大小
在现代的数字导航仪等系统中，通常用互相垂直的三维磁阻传感器测量地磁场在各个方 向的分量，根据矢量合成原理，计算出地磁场的大小和方位。本实验学习用单个磁阻传感器 测量地磁场的方法。
将赫姆霍兹线圈电流调节至零，将补偿电流调节至零，传感线垂直（以便在垂直面内调节磁敏感方向）。
磁阻元件的发展经历了半导体磁阻（MR），各向异性磁阻（AMR），巨磁阻（GMR）， 庞磁阻（CMR）等阶段。本实验研究 AMR 的特性并利用它对磁场进行测量。
各向异性磁阻传感器 AMR（Anisotropic Magneto-Resistive sensors）由沉积在硅片上的坡 莫合金（Ni80 Fe20）薄膜形成电阻。沉积时外加磁场，形成易磁化轴方向。铁磁材料的电阻同 电流与磁化方向的夹角有关，电流与磁化方向平行时电阻 Rmax 最大，电流与磁化方向垂直时 电阻 Rmin 最小，电流与磁化方向成 θ 角时，电阻可表示为：
用各向异性磁阻效应测量磁场
实验目的： 1． 了解各向异性磁阻的原理并对其特性进行实验研究 2． 测量赫姆霍兹线圈的磁场分布 3． 测量地磁场
实验仪器： ZKY-DCC 磁场实验仪，电源，水平校准仪，导线等。
实验原理：
磁场的测量可利用电磁感应、霍耳效应以及磁阻效应等各种效应，其中磁阻效应法发展 最快，测量灵敏度最高。物质在磁场中电阻率发生变化的现象称为磁阻效应，磁阻传感器就 是利用磁阻效应制成的，可用于直接测量磁场或磁场变化，如弱磁场测量，地磁场测量，各 种导航系统中的罗盘，计算机中的磁盘驱动器，各种磁卡机等等。也可通过磁场变化测量其 它物理量，如利用磁阻效应已制成各种位移、角度、转速传感器，各种接近开关，隔离开关， 广泛用于汽车，家电及各类需要自动检测与控制的领域。
R = Rmin＋(Rmax－Rmin)cos2θ 在磁阻传感器中，为了消除温度等外界因素对输出的影响，由 4 个相同的磁阻元件构成 惠斯通电桥，结构如图 1 所示。图 1 中，易磁化轴 方向与电流方向的夹角为 45 度。理论分析与实践表 明，采用 45 度偏置磁场，当沿与易磁化轴垂直的方 向施加外磁场，且外磁场强度不太大时，电桥输出 与外加磁场强度成线性关系。 无外加磁场或外加磁场方向与易磁化轴方向平 行时，磁化方向即易磁化轴方向，电桥的 4 个桥臂 电阻阻值相同，输出为零。当在磁敏感方向施加如 图 1 所示方向的磁场时，合成磁化方向将在易磁化 方向的基础上逆时针旋转。结果使左上和右下桥臂 电流与磁化方向的夹角增大，电阻减小 ΔR；右上 与左下桥臂电流与磁化方向的夹角减小，电阻增大 ΔR。通过对电桥的分析可知，此时输出电压可表示 为：
µ0 = 4π ×10−7 H / m 为真空中的磁导率。采用国际单位制时，由上式计算出的磁感应强度单
位为特斯拉（1 特斯拉＝10000 高斯）。本实验仪 N＝310，R＝0.14m，线圈电流为 1mA 时，赫
姆霍兹线圈中部的磁感应强度为 0.02 高斯。
磁阻传感器盒 传感器轴向移动锁紧螺钉
赫姆霍兹线圈 传感器横向移动锁紧螺钉
霍兹线圈的轴对称性，只要计算（或测量）过轴线的平面上两维磁场分布，就可得到空间任
意一点的磁场分布。
理论分析表明，在 X ≤ 0.2R，Y ≤0.2R 的范围内，（BX－B0）/B0 小于百分之一，BY/BX 小于万分之二，固可认为在赫姆霍兹线圈中部较大的区域内，磁场方向沿轴线方向，磁场大
小基本不变。
= B( x)
µ0 NR2I
+
µ0 NR2I
2[R2 + ( R + x)2 ]3/ 2 2[R2 + ( R − x)2 ]3/ 2
2
2
=
B0
53/ 2 16
{ [1 +
(1
1 +
x
)2 ]3/ 2
+
[1 +
(1
1 −
x
} )2 ]3/ 2
2R
2R
式中 B0 是 X＝0 时，即赫姆霍兹线圈公共轴线中点的磁感应强度。表 3 列出了 X 取不同
B(X)/B0 计算值 0.946 0.975 0.992 0.998 1.000 1 1.000 0.998 0.992 0.975 0.946
B(X)测量值(V)
B(X)值(高斯)
将表 3 数据作图，讨论赫姆霍兹线圈的轴向磁场分布特点。
b．赫姆霍兹线圈空间磁场分布测量