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 (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 (10)
4．地磁场测量 (11)
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（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。铁磁材料
的电阻与电流和磁化方向的夹角有关，电流与磁化方向平行时电阻R
max
最大，电流与磁化
方向垂直时电阻R
min
最小，电流与磁化方向成θ角时，电阻可表示为：
R = R
min ＋(R
max
－R
min
)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。理论分析与实验表明，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：
U＝V
b
×ΔR/R （1）
式中V
b
为电桥工作电压，R为桥臂电阻，ΔR/R为磁阻阻值的相对变化率，与外加磁场强
度成正比，故AMR磁阻传感器输出电压与磁场强度成正比，可利用磁阻传感器测量磁场。商品磁阻传感器已制成集成电路，除图1所示的电源输入端和信号输出端外，还有复位/
反向置位端、补偿端两个功能性输入端口，以确保磁阻传感器的正常工作。
复位/反向置位端的作用是：当AMR置于超过其线性工作范围的磁场中时，磁干扰可能导
致磁畴排列紊乱，改变传感器的输出特性。此时按下复位/反向置位端，通过内部电路沿
易磁化轴方向产生强磁场，使磁畴重新沿易磁化轴方向整齐排列，恢复传感器的使用特性。补偿端的作用是：当4个桥臂电阻不严格相等，或是外界磁场干扰，使得被测磁场为零而输出电压不为零时，此时可调节补偿电流，通过内部电路在磁敏感方向产生磁场，用人为的磁场偏置补偿传感器的偏离。
三、实验仪器介绍
实验仪结构如图2所示，核心部分是磁阻传感器，辅以磁阻传感器的角度、位置调节及读
磁阻传感器盒
传感器轴向移动锁紧螺钉
传感器绕轴旋转锁紧螺钉传感器水平旋转锁紧螺钉
赫姆霍兹线圈
传感器横向移动锁紧螺钉
线圈水平旋转锁紧螺钉
信号接口盒
仪器水平调节螺钉
图2 磁场实验仪
数机构，赫姆霍兹线圈等组成。
本仪器所用磁阻传感器的工作范围为±6高斯，灵敏度为1mV/V/Guass 。当磁阻电桥的工作电压为1V ，被测磁场磁感应强度为1高斯时，输出信号为1mV 。
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5V ，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：
003/285NI B R μ=
?
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，
m H /10470-?=πμ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。
实验仪的前面板示意图如图3所示。
图3 仪器前面板示意图
恒流源为赫姆霍兹线圈提供电流，电流的大小可以通过旋钮调节，电流值由电流表指示。电流换向按钮可以改变电流的方向。
补偿(OFFSET)电流调节旋钮调节补偿电流的方向和大小。电流切换按钮使电流表显示赫姆霍兹线圈电流或补偿电流。
传感器采集到的信号经放大后，由电压表指示电压值。放大器校正旋钮在标准磁场中校准放大器放大倍数。
复位（R/S）按钮每按下一次，向复位端输入一次复位脉冲电流，仅在需要时使用。
四、实验内容
1.测量前的准备工作
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线圈轴线一致。
调节赫姆霍兹线圈电流为零，按复位键恢复传感器特性，调节补偿电流以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300mA（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。
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：电流换向后，必须按复位按键消磁。
表1 AMR磁电转换特性的测量
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，记录输出电压数据于表2中。
表2 AMR 方向特性的测量 磁感应强度4高斯
3.赫姆霍兹线圈的磁场分布测量
赫姆霍兹线圈能在公共轴线中点附近产生较广泛的均匀磁场。
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X 1的点的磁感应强度为：
201223/21()2()R I
B x R x μ=
+
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：
2200223/2223/2
3/2023/223/2
()2[()]2[()]22511{}
1116[1()][1()]22NR I NR I
B x R R
R x R x B x x R R μμ=
+
+++-=++++-
式中B 0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 取不同值时B(X)/B 0值的理论计算结果。
调节传感器磁敏感方向与赫姆霍兹线圈轴线一致，位置调节至赫姆霍兹线圈中心（X ＝0），测量输出电压值。
已知R=140mm ，将传感器盒每次沿轴线平移0.1R ，记录测量数据。
表3 赫姆霍兹线圈轴向磁场分布测量 B 0＝ 4高斯
b ．赫姆霍兹线圈空间磁场分布测量
由毕奥－萨伐尔定律，同样可以计算赫姆霍兹线圈空间任意一点的磁场分布，由于赫姆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，（B
X －B
）/B
小于百分之一，B
Y
/B
X
小
于万分之二，故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。
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V
X
，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 B
＝ 4高斯
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。
在现代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，传感器的磁敏感方向调节至与赫姆霍兹线圈轴线垂直（以便在垂直面内调节磁敏感方向）。
调节传感器盒上平面与仪器底板平行，将水准气泡盒放置在传感器盒正中，调节仪器水平调节螺钉使水准气泡居中，使磁阻传感器水平。松开线圈水平旋转锁紧螺钉，在水平面内仔细调节传感器方位，使输出最大（如果不能调到最大，则需要将磁阻传感器在水平方向转动180度后再调节）。此时，传感器磁敏感方向与地理南北方向的夹角就是磁偏角。松开传感器绕轴旋转锁紧螺钉，在垂直面内调节磁敏感方向，至输出最大时转过的角度就是磁倾角，记录此角度。
记录输出最大时的输出电压值U
1
后，松开传感器水平旋转锁紧螺钉，将传感器转动180
度，记录此时的输出电压U
2，将U=(U
1
－U
2
)/2 作为地磁场磁感应强度的测量值（此法可
消除电桥偏离对测量的影响）。
表5 地磁场的测量
量结果，因此，此实验重在掌握测量方法。
五、实验数据及数据处理
1.磁阻传感器特性测量
a.测量磁阻传感器的磁电转换特性实验所得数据为：
-2.0
-1.5-1.0-0.5
0.0
0.51.01.5U
B
由图知，-6高斯到6高斯为传感器的线性工作范围，直线斜率K=0.25553 , 相关系数R=0.99973
因为电桥电压为5V ，放大倍数为50，故灵敏度为30.25553
1.0221510/1/550
V G mV G
-=?≈?
b ．测量磁阻传感器的各向异性特性 实验所得数据为：
-0.2
0.00.20.40.60.81.01.2
α
U
以夹角α为横轴，输出电压为纵轴，从图中可以看出：该组数据近似的接近余弦规律，近似函数为U=1.025cos α,即输出电压与夹角的余弦成正比。 2．赫姆霍兹线圈的磁场分布测量 a ．赫姆霍兹线圈轴线上的磁场分布测量
实验所得数据为：
3.90
3.95
4.00
4.05
4.10
4.15
X/R
B
线圈轴线上±0.2R 范围内，磁感应强度几乎不变，近似于均匀分布，两侧则随位置远离中心，B(X)逐渐减小。
b ．赫姆霍兹线圈空间磁场分布测量
由表可知，空间中磁场的分布特点：在X≤0.15R，Y≤0.15R范围内，V基本不变，故赫姆霍兹线圈中部区域磁场大小基本不变。
3．地磁场测量
六、误差分析与思考题
1、误差分析
(1)实验过程中，可能会受到周围其他同学的赫姆霍兹线圈的影响。
(2)实验中，身上所携带的电子仪器的影响
(3)转动传感器时，可能使轴向和水平方向有轻微的移动导致测量结果有偏差。
(4)调节仪器时，传感器盒水平性可能被破坏。
(5)转动赫姆霍兹线圈时，可能会导致线圈底座位置的偏离而产生误差。
2、思考题 (1)推导公式:
b R U V R ?=?
电桥各电阻初始值为
1234R R R R ?=?=?=?,
而
1324
1324(R R )(R R )BD R R R R U E
-=++
而
13312442
1324(R R )(R R )R R R R R R R R U E
?+?-?-??=++
所以
1234()4KE
U R R R R ?=
?-?+?-?
由于四电阻的排列顺序且
1234R R R R R ?=?=?=?=?。
则
0U E U ?+=
所以
b R
U V R ?=?
(2)AMR 传感器的应用 ①车辆检测
汽车位置变化可以引起地磁场的变化，当传感器上方有车子时，传感器周围稳定的地磁场分布收到了扰动，这个扰动可以被传感器确定的扑捉到，传感器输出变化明显，可以此检测出特定车位上车辆的到位其情况。
②罗盘定向与导航
传感器的电子输出是与沿着其敏感轴的磁场强度成比例的。当传感器放置在水平面上，从指向磁北的角度开始旋转，输出为航向角度的余弦函数。将至少两个传感器相互垂直地放置，会消除输出的双值性，使输出和航向角一一对应，如图14所示。这些信号可以用
来控制轮船的舵，使它照预先制定的航线行驶，即使航向在绝对意义上讲是不知道的。
七、实验中注意事项及改进方法
1、注意事项
(1)尽量不要携带电子设备进实验室，以免对实验产生干扰。
(2)做实验时注意不要碰撞桌面，以免影响传感器的水平度。
(3)转动线圈时，注意不要让仪器与桌面的相对位置发生移动。
2、实验改进
(1)将线圈台与桌面的位置固定，防止转动线圈时使台面与桌面产生相对位移。
(2)将ARM磁阻传感器的横向和纵向移动机制由滑动改为齿轮的传动，设计齿轮每转动一圈，传感器横向或者纵向移动0.05R；而其它有转动的地方也可以改成齿轮，更加便于调节。
(3)设计一个联动机制，使横向或者纵向移动传感器时，两边移动的位移相等，让实验更
加精确。
(4)仪器上横向、纵向移动的标尺精度不高，换成千分尺那样的可以提高实验精度。
(5)传感器绕轴旋转的刻度盘太小，读数困难，可适当增大并增加刻度，提高实验的准确性。
(6)实验用的是作图法，受到主观因素的影响会产生一定的误差，作图时用origin 8能避免这种情况的产生，提高实验的准确性。
八、总结与收获
这学期的实验总的来说比上学期简单，也可能是有了上学期做实验的一些经验了，显得相对轻松。磁阻传感器与磁场测量这个实验总的来说并不难，首先是实验讲义很详细，其次是老师讲解得十分清楚明白。实验虽然简单，但实验过程也能让我们明白许多，首先是要细心，实验对传感器的水平要求很高，碰一下桌子、碰了一下传感器盒子，输出的结果就可能产生差别，线圈的转动、传感器的横向纵向移动都要非常小心。
这个实验与其他实验不同，还需要自己推导公式和查找AMR磁阻传感器的应用，加深了对实验的理解还让我们了解了传感器的应用领域，没查之前都不知道AMR磁阻传感器还能有这么多的应用范围，不只是测量磁场。这对我们的思维能力是很大的锻炼，让我们各自去发掘实验背后的东西而不仅仅局限于实验本身，我想这就是物理实验的意义所在吧。
九、原始数据照片
参考文献
[1]李朝荣，徐平，唐芳，王慕冰.基础物理实验.北京：北京航空航天大学出版社，2010.
[2]赵凯华，钟锡华.光学.下册.北京：北京大学出版社，1984.
用磁阻传感器测量地磁场解读
实验三十七 用磁阻传感器测量地磁场 地磁场的数值比较小，约T 5 10-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定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。 【实验目的】 1. 掌握磁阻传感器的特性和定标方法。 2. 掌握地磁场的测量方法。 【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
实验8 霍尔效应法测量磁场A4
实验八 霍尔效应法测量磁场 【实验目的】 1．了解霍尔器件的工作特性。 2．掌握霍尔器件测量磁场的工作原理。 3．用霍尔器件测量长直螺线管的磁场分布。 4．考查一对共轴线圈的磁耦合度。 【实验仪器】 长直螺线管、亥姆霍兹线圈、霍尔效应测磁仪、霍尔传感器等。 【实验原理】 1．霍尔器件测量磁场的原理 图1 霍尔效应原理 如图1所示，有－N 型半导体材料制成的霍尔传感器，长为L ，宽为b ，厚为d ，其四个侧面各焊有一个电极1、2、3、4。将其放在如图所示的垂直磁场中，沿3、4两个侧面通以电流I ，则电子将沿负I 方向以速度运动，此电子将受到垂直方向磁场B 的洛仑兹力m e F ev B =?作用，造成电子在半导体薄片的1测积累过量的负电荷，2侧积累过量的正电荷。因此在薄片中产生了由2侧指向1侧的电场H E ，该电场对电子的作用力H H F eE =，与m e F ev B =?反向，当两种力相平衡时，便出现稳定状态，1、2两侧面将建立起稳定的电压H U ，此种效应为霍尔效应，由此而产生的电压叫霍尔电压H U ，1、2端输出的霍尔电压可由数显电压表测量并显示出来。 I
如果半导体中电流I 是稳定而均匀的，可以推导出H U 满足： H H H IB U R K IB d =? =?， 式中，H R 为霍耳系数，通常定义/H H K R d =，H K 称为灵敏度。 由H R 和H K 的定义可知，对于一给定的霍耳传感器，H R 和H K 有唯一确定的值，在电流I 不变的情况下，与B 有一一对应关系。 2．误差分析及改进措施 由于系统误差中影响最大的是不等势电势差，下面介绍一种方法可直接消除不等势电势差的影响，不用多次改变B 、I 方向。如图2所示，将图2中电极2引线处焊上两个电极引线5、6，并在5、6间连接一可变电阻，其滑动端作为另一引出线2，将线路完全接通后，可以调节滑动触头2，使数字电压表所测 电压为零，这样就消除了1、2两引线间的不等势电势差，而且还可以测出不等势电势差的大小。本霍尔效应测磁仪的霍尔电压测量部分就采用了这种电路，使得整个实验过程变得较为容易操作，不过实验前要首先进行霍尔输出电压的调零，以消除霍尔器件的“不等位电势”。 在测量过程中，如果操作不当，使霍尔元件与螺线管磁场不垂直，或霍尔元件中电流与磁场不垂直，也会引入系统误差。 3．载流长直螺线管中的磁场 从电磁学中我们知道，螺线管是绕在圆柱面上的螺旋型线圈。对于密绕的螺线管来说，可以近似地看成是一系列园线圈并排起来组成的。如果其半径为R 、总长度为L ，单位长度的匝数为n ，并取螺线管的轴线为x 轴，其中心点O 为坐标原点，则 （1）对于无限长螺线管L →∞或L R >>的有限长螺线管，其轴线上的磁场是一个均匀磁场，且等于： 00B NI μ= 图2
大学物理实验讲义实验04 磁阻效应法测量磁场
实验15 磁阻效应法测量磁场 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，霍尔效应，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。 【实验目的】 1． 了解AMR 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。 【仪器用具】 ZKY-CC 各向异性磁阻传感器（AMR ）与磁场测量仪 【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（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。铁磁材料的电阻与电流与磁化方向的夹角有关，电流与磁化方向平行时电阻R max 最大，电流与磁化方向垂直时电阻R min 最小，电流与磁化方向成θ角时，电阻可表示为：θ2 min max min cos )(R R R R -+= （1） 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
磁场的测定(霍尔效应法)汇总
霍尔效应及其应用实验(FB510A 型霍尔效应组合实验仪) （亥姆霍兹线圈、螺线管线圈） 实 验 讲 义 长春禹衡时代光电科技有限公司
实验一 霍尔效应及其应用 置于磁场中的载流体，如果电流方向与磁场垂直，则在垂直于电流和磁场的方向会产生一附加的横向电场，这个现象是霍普金斯大学研究生霍尔于1879年发现的，后被称为霍尔效应。如今霍尔效应不但是测定半导体材料电学参数的主要手段，而且利用该效应制成的霍尔器件已广泛用于非电量的电测量、自动控制和信息处理等方面。在工业生产要求自动检测和控制的今天，作为敏感元件之一的霍尔器件，将有更广泛的应用前景。掌握这一富有实用性的实验，对日后的工作将有益处。 【实验目的】 1．了解霍尔效应实验原理以及有关霍尔器件对材料要求的知识。 2．学习用“对称测量法”消除副效应的影响，测量试样的S H I ~V 和M H I ~V 曲线。 3．确定试样的导电类型。 【实验原理】 1．霍尔效应： 霍尔效应从本质上讲是运动的带电粒子在磁场中受洛仑兹力作用而引起的偏转。当带电粒子（电子或空穴）被约束在固体材料中，这种偏转就导致在垂直电流和磁场方向上产生正负电荷的聚积，从而形成附加的横向电场，即霍尔电场H E 。如图1所示的半导体试样，若在X 方向通以电流S I ，在Z 方向加磁场B ，则在Y 方向即试样A A '- 电极两侧就开始聚集异号电荷而产生相应的附加电场。电场的指向取决于试样的导电类型。对图1（a ）所示的N 型试样，霍尔电场逆Y 方向，（b ）的P 型试样则沿Y 方向。即有 ) (P 0)Y (E )(N 0)Y (E H H 型型?>?< 显然，霍尔电场H E 是阻止载流子继续向侧面偏移，当载流子所受的横向电场力H E e ?与洛仑兹力B v e ??相等，样品两侧电荷的积累就达到动态平衡，故有
磁阻传感器和地磁场的测量
磁阻传感器和地磁场的测量 一． 实验目的 掌握磁阻传感器的特性。 掌握地磁场的测量方法。 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6-8-1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 )()(⊥⊥-+=∥ 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 V R R U ??? ? ???= 磁阻传感器的构造示意图 磁阻传感器内的惠斯通电桥 对于一定的工作电压，如V V b 00.6=，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 上式中，K 为传感器的灵敏度，B 为待测磁感应强度。0U 为外加磁场为零时传感器的输出量。 由于亥姆霍兹线圈的特点是能在其轴线中心点附近产生较宽范围的均匀磁场区，所以常用作弱磁场的标准磁场。亥姆霍兹线圈公共
磁场的测定(霍尔效应法)汇总
霍尔效应及其应用实验 (FB510A型霍尔效应组合实验仪)（亥姆霍兹线圈、螺线管线圈） 实 验 讲 义 长春禹衡时代光电科技有限公司
实验一 霍尔效应及其应用 置于磁场中的载流体，如果电流方向与磁场垂直，则在垂直于电流和磁场的方向会产生一附加的横向电场，这个现象是霍普金斯大学研究生霍尔于1879年发现的，后被称为霍尔效应。如今霍尔效应不但是测定半导体材料电学参数的主要手段，而且利用该效应制成的霍尔器件已广泛用于非电量的电测量、自动控制和信息处理等方面。在工业生产要求自动检测和控制的今天，作为敏感元件之一的霍尔器件，将有更广泛的应用前景。掌握这一富有实用性的实验，对日后的工作将有益处。 【实验目的】 1．了解霍尔效应实验原理以及有关霍尔器件对材料要求的知识。 2．学习用“对称测量法”消除副效应的影响，测量试样的S H I ~V 和M H I ~V 曲线。 3．确定试样的导电类型。 【实验原理】 1．霍尔效应： 霍尔效应从本质上讲是运动的带电粒子在磁场中受洛仑兹力作用而引起的偏转。当带电粒子（电子或空穴）被约束在固体材料中，这种偏转就导致在垂直电流和磁场方向上产生正负电荷的聚积，从而形成附加的横向电场，即霍尔电场H E 。如图1所示的半导体试样，若在X 方向通以电流S I ，在Z 方向加磁场B ，则在Y 方向即试样A A '- 电极两侧就开始聚集异号电荷而产生相应的附加电场。电场的指向取决于试样的导电类型。对图1（a ）所示的N 型试样，霍尔电场逆Y 方向，（b ）的P 型试样则沿Y 方向。即有 ) (P 0)Y (E )(N 0)Y (E H H 型型?>?< 显然，霍尔电场H E 是阻止载流子继续向侧面偏移，当载流子所受的横向电场力H E e ?
磁阻效应实验
磁阻效应实验 [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：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）传感器是一种灵敏度高的磁电阻，有着十分重要的应用价值。 [实验项目] 1、理解磁阻效应、霍尔效应等概念。 2、掌握测量锑化铟传感器的电阻与磁感应强度的关系的一种方法。 3、作出锑化铟传感器的电阻变化与磁感应强度的关系曲线，并对此关系 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2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电阻的大小，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 图1 磁阻效应
对变化率ΔR/R（0）正比于ΔR=R（B）-R（0），因此也对变FD-MR-II 型磁阻效应实验仪，图2为该仪器示意图 ρ/ρ（0），这里Δ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。 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。 [实验仪器] 实验采用 图2 FD-MR-II 磁阻效应实验仪 FD-MR-II 型磁阻-2V 直流数字电压表、效应验仪包括直流双路恒流电源、 0电磁铁、数字式毫特仪（GaAs 作探测器） 、锑化铟（InSb）磁阻传感
霍尔效应法测量螺线管磁场
研胳wZprtf 霍尔效应法测量螺线管磁场实验报告 【实验目的】 1?了解霍尔器件的工作特性。 2?掌握霍尔器件测量磁场的工作原理。 3?用霍尔器件测量长直螺线管的磁场分布。 4.考查一对共轴线圈的磁耦合度。 【实验仪器】 长直螺线管、亥姆霍兹线圈、霍尔效应测磁仪、霍尔传感器等。 【实验原理】 1?霍尔器件测量磁场的原理 图1霍尔效应原理 如图1所示，有—N型半导体材料制成的霍尔传感器，长为L,宽为b,厚为d，其四个侧面各焊有一个电 极1、2、3、4。将其放在如图所示的垂直磁场中，沿3、4两个侧面通以电流I，则电子将沿负I方向以速 ur ir u 度运动，此电子将受到垂直方向磁场B的洛仑兹力F m ev e B作用，造成电子在半导体薄片的1测积累 urn 过量的负电荷，2侧积累过量的正电荷。因此在薄片中产生了由2侧指向1侧的电场E H，该电场对电子ur uuu uir n ir 的作用力F H eE H，与F m ev e B反向，当两种力相平衡时，便出现稳定状态，1、2两侧面将建立起 稳定的电压U H，此种效应为霍尔效应，由此而产生的电压叫霍尔电压U H , 1、2端输出的霍尔电压可由 数显电压表测量并显示出来。 如果半导体中电流I是稳定而均匀的，可以推导出 式中，R H为霍耳系数，通常定义K H R H /d , 由R H和K H的定义可知，对于一给定的霍耳传感器，R H和K H有唯一确定的值，在电流I不变的情况下, U H R H U H满足： 世K H IB , d K H称为灵敏度。
研 島加吋 与B有一一对应关系。 2?误差分析及改进措施 由于系统误差中影响最大的是不等势电势差，下面介绍一种 方法可直接消除不等势电势差的影响，不用多次改变B、丨方 向。如图2所示，将图2中电极2引线处焊上两个电极引线5、6,并在5、6间 连接一可变电阻，其滑动端作为另一引出线2, 将线路完全接通后，可以调节 滑动触头2，使数字电压表所测电压为零，这样就消除了1、2两引线间的不等 势电势差，而且还可以测出不等势电势差的大小。本霍尔效应测磁仪的霍尔电 压测量部分就采用了这种电路，使得整个实验过程变得较为容易操作，不过实 验前要首先进行霍尔输出电压的调零， 以消除霍尔器件的不等位电势”。 在测量过程中，如果操作不当，使霍尔元件与螺线管磁场不垂直，或霍尔元件中电流与磁场不垂直，也会引入系统误差3?载流长直螺线管中的磁场 从电磁学中我们知道，螺线管是绕在圆柱面上的螺旋型线圈。对于密绕的螺线管来说，可以近似地看成是 一系列园线圈并排起来组成的。如果其半径为R、总长度为L,单位长度的匝数为n,并取螺线管的轴线 为x轴，其中心点0为坐标原点，贝U (1)对于无限长螺线管L 或L R的有限长螺线管，其轴线上的磁场是一个均匀磁场，且等于： uu B o o NI 式中0――真空磁导率；N ――单位长度的线圈匝数；I ――线圈的励磁电流。 (2)对于半无限长螺线管的一端或有限长螺线管两端口的磁场为： uu 1 B! —oNI 2 即端口处磁感应强度为中部磁感应强度的一半，两者情况如图3所示。 图2 图3
磁阻效应及磁阻传感器实验
一、实验题目：磁阻效应及磁阻传感器的特性研究 二、实验目的：1、了解磁阻效应的基本原理及测量磁阻效应的方法； 2、测量锑化铟传感器的电阻与磁感应强度的关系； 3、画出锑化铟传感器电阻变化与磁感应强度的关系曲线，并进行相应的曲线 和直线拟合； 4、学习用磁阻传感器测量磁场的方法。 三、实验原理： 磁阻效应是指某些金属或半导体的电阻值随外加磁场变化而变化的现象。和霍尔效应一样，磁阻效应也是由于载流子在磁场中受到的洛仑兹力而产生的。若外加磁场与外加电场垂直，称为横向磁阻效应；若外加磁场与外加电场平行，称为纵向磁阻效应。磁阻效应还与样品的形状有关，不同几何形状的样品，在同样大小的磁场作用下，其电阻不同，该效应称为几何磁阻效应。由于半导体的电阻率随磁场的增加而增加，有人又把该磁阻效应称为物理磁阻效应。目前，磁阻效应广泛应用于磁传感、磁力计、电子罗盘、位置和角度传感器、车辆探测、GPS导航、仪器仪表、磁存储（磁卡、硬盘）等领域。 一定条件下，导电材料的电阻值R随磁感应强度B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尔电场。如果霍尔电场作用和某一速度的载流子的洛仑兹力作用刚好抵消，则小于此速度的电子将沿霍尔电场作用的方向偏转，而大于此速度的电子则沿相反方向偏转，因而沿外加电场方向运动的载流子数量将减少，即沿电场方向的电流密度减小，电阻增大，也就是由于磁场的存在，增加了电阻，此现象称为磁阻效应。如果将图1中U H短路，磁阻效应更明显。因为在上述的情况里，磁场与外加电场垂直，所以该磁阻效应称为横向磁阻效应。 当磁感应强度平行于电流时，是纵向情况。若载流子的有效质量和弛豫时间与移动方向无关，纵向磁感应强度不引起载流子漂移运动的偏转，因而没有纵向霍尔效应的磁阻。而对于载流子的有效质量和弛豫时间与移动方向有关的情形，若作用力的方向不在载流子的有效质量和弛豫时间的主轴方向上，此时，载流子的加速度和漂移移动方向与作用力的方向不相同，也可引起载流子漂移运动的偏转现象，其结果总是导致样品的纵向电流减小电阻增加。在磁感应强度与电流方向平行情况下所引起的电阻增加的效应，被称为纵向磁阻效应。 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，设磁电阻电阻值在磁感受应强度为B的磁场的电阻率为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。 测量磁电阻电阻值R与磁感应强度B的关系实验装置及线路如图2所示。尽管不同的磁阻装置有不同的灵敏度，但其电阻的相对变化率ΔR/ R（0）与外磁场的关系都是相似的。实验证明，磁阻效应对外加磁场的极性不灵敏，就是正负磁场的相应相同。一般情况下外加磁场较弱时，电阻相对变化率ΔR/ R（0）正比于磁感应强度B的二次方；随磁场的加强，ΔR/ R （0）与磁感应强度B呈线性函数关系；当外加磁场超过特定值时，ΔR/ R（0）与磁感应强
霍尔效应法测量磁场
霍尔效应测磁场 霍尔效应是导电材料中的电流与磁场相互作用而产生电动势的效应。1879 年美国霍普金斯大学研究生霍尔在研究金属导电机理时发现了这种电磁现象， 故称霍尔效应。后来曾有人利用霍尔效应制成测量磁场的磁传感器，但因金属 的霍尔效应太弱而未能得到实际应用。随着半导体材料和制造工艺的发展，人 们又利用半导体材料制成霍尔元件，由于它的霍尔效应显著而得到实用和发 展，现在广泛用于非电量的测量、电动控制、电磁测量和计算装置方面。在电 流体中的霍尔效应也是目前在研究中的“磁流体发电”的理论基础。近年来，霍尔效应实验不断有新发现。1980年原西德物理学家冯·克利青研究二维电子气系统的输运特性，在低温和强磁场下发现了量子霍尔效应，这是凝聚态物理领域最重要的发现之一。目前对量子霍尔效应正在进行深入研究，并取得了重要应用，例如用于确定电阻的自然基准，可以极为精确地测量光谱精细结构常数等。 在磁场、磁路等磁现象的研究和应用中，霍尔效应及其元件是不可缺少的，利用它观测磁场直观、干扰小、灵敏度高、效果明显。 【实验目的】 1．霍尔效应原理及霍尔元件有关参数的含义和作用 2．测绘霍尔元件的V H—Is，了解霍尔电势差V H与霍尔元件工作电流Is、磁感应强度B之间的关系。 3．学习利用霍尔效应测量磁感应强度B及磁场分布。 4．学习用“对称交换测量法”消除负效应产生的系统误差。 【实验原理】 霍尔效应从本质上讲，是运动的带电粒子在 磁场中受洛仑兹力的作用而引起的偏转。当带电 粒子（电子或空穴）被约束在固体材料中，这种 偏转就导致在垂直电流和磁场的方向上产生正 负电荷在不同侧的聚积，从而形成附加的横向电 场。如图13-1所示，磁场B位于Z的正向，与 之垂直的半导体薄片上沿X正向通以电流Is（称 为工作电流），假设载流子为电子（N型半导体材 料），它沿着与电流Is相反的X负向运动。 由于洛仑兹力f L作用，电子即向图中虚线 箭头所指的位于y轴负方向的B侧偏转，并使B 侧形成电子积累，而相对的A侧形成正电荷积累。 与此同时运动的电子还受到由于两种积累的异种电荷形成的反向电场力f E的作用。随着电荷积累的增加，f E增大，当两力大小相等（方向相反）时，f L=－f E，则电子积累便达到动态平衡。这时在A、B两端面之间建立的电场称为霍尔电场E H，相应的电势差称为霍尔电势V H。 设电子按均一速度v，向图示的X负方向运动，在磁场B作用下，所受洛仑兹力为：
用霍尔效应测量螺线管磁场 物理实验报告
华南师范大学实验报告 学生姓名 学 号 专 业 化学 年级、班级 课程名称 物理实验 实验项目 用霍尔效应测量螺线管磁场 实验类型 □验证 □设计 □综合 实验时间 2012 年 3 月 07 实验指导老师 实验评分 一、 实验目的： 1．了解霍尔效应现象，掌握其测量磁场的原理。 2．学会用霍尔效应测量长直通电螺线管轴向磁场分布的方法。 二、 实验原理： 根据电磁学毕奥－萨伐尔定律，通电长直螺线管线上中心点的磁感应强度为: 2 2 M D L I N B +??μ= 中心 （1） 理论计算可得，长直螺线管轴线上两个端面上的磁感应强度为内腔中部磁 感应强度的1/2： 2 2M D L I N 21B 21B +??μ? ==中心端面 （2） 式中，μ为磁介质的磁导率，真空中的磁导率μ0=4π×10-7 (T ·m/A)，N 为螺线管的总匝数，I M 为螺线管的励磁电流，L 为螺线管的长度，D 为螺线管的平均直径。 三、 实验仪器： 1．FB510型霍尔效应实验仪 2．FB510型霍尔效应组合实验仪（螺线管） 四、 实验内容和步骤： 1. 把FB510型霍尔效应实验仪与FB510型霍尔效应组合实验仪（螺线管）正确连接。把励磁电流接到螺线 管I M 输入端。把测量探头调节到螺线管轴线中心，即刻度尺读数为13.0cm 处，调节恒流源2,使I s =4.00mA ，按下(V H /V s )（即测V H ），依次调节励磁电流为I M =0~±500mA ，每次改变±50mA, 依此测量相应的霍尔电压，并通过作图证明霍尔电势差与螺线管内磁感应强度成正比。 2. 放置测量探头于螺线管轴线中心，即1 3.0cm 刻度处，固定励磁电流±500mA ，调节霍尔工作电流为：I s =0~ ±4.00mA ，每次改变±0.50mA ，测量对应的霍尔电压V H ，通过作图证明霍尔电势差与霍尔电流成正比。 3. 调节励磁电流为500mA ，调节霍尔电流为 4.00mA ，测量螺线管轴线上刻度为X =0.0cm~13.0cm ，每次移动 1cm ，测各位置对应的霍尔电势差。(注意,根据仪器设计,这时候对应的二维尺水平移动刻度读数为：13.0cm 处为螺线管轴线中心，0.0cm 处为螺线管轴线的端面，找出霍尔电势差为螺线管中央一半的数值的刻度位置。与理论值比较，计算相对误差。按给出的霍尔灵敏度作磁场分布B ~X 图。) 五、 注意事项： 图1
霍尔效应测磁场实验报告(完整资料).doc
【最新整理，下载后即可编辑】 实 验 报 告 学生姓名： 学 号： 指导教师： 实验地点： 实验时间： 一、实验室名称：霍尔效应实验室 二、 实验项目名称：霍尔效应法测磁场 三、实验学时： 四、实验原理： （一）霍耳效应现象 将一块半导体（或金属）薄片放在磁感应强度为B 的磁 场中，并让薄片平面与磁场方向（如Y 方向）垂直。如在薄片的横向（X 方向）加一电流强度为H I 的电流，那么在与磁场方向和电流方向垂直的Z 方向将产生一电动势H U 。 如图1所示，这种现象称为霍耳效应，H U 称为霍耳电压。霍耳发现，霍耳电压H U 与电流强度H I 和磁感应强度B 成正比，与磁场方向薄片的厚度d 反比，即 d B I R U H H = （1） 式中，比例系数R 称为霍耳系数，对同一材料R 为一常数。因成品霍耳元件（根据霍耳效应制成的器件）的d 也是一常数，故d R /常用另一常数K 来表示，有 B KI U H H = （2） 式中，K 称为霍耳元件的灵敏度，它是一个重要参数，表示该元件在单位磁感应强度和单位电流作用下霍耳电压的大小。如果霍
耳元件的灵敏度K 知道（一般由实验室给出），再测出电流H I 和霍耳电压H U ，就可根据式 H H KI U B = （3） 算出磁感应强度B 。 图 1 霍 耳 效 应 示 意 图 图2 霍耳效应解释 （二）霍耳效应的解释 现研究一个长度为l 、宽度为b 、厚度为d 的N 型半导体制成的霍耳元件。当沿X 方向通以电流H I 后，载流子（对N 型半导体是电子）e 将以平均速度v 沿与电流方向相反的方向运动，在磁感应强度为B 的磁场中，电子将受到洛仑兹力的作用，其大小为 evB f B = 方向沿Z 方向。在B f 的作用下，电荷将在元件沿Z 方向的两端面堆积形成电场H E （见图2），它会对载流子产生一静电力E f ，其大小为 H E eE f = 方向与洛仑兹力B f 相反，即它是阻止电荷继续堆积的。当B f 和E f 达到静态平衡后，有E B f f =，即b eU eE evB H H /==，于是电荷堆积的两端面（Z 方向）的电势差为 vbB U H = （4）
实验报告磁阻传感器和地磁场的测量
实验报告磁阻传感器和 地磁场的测量 Document serial number【NL89WT-NY98YT-NC8CB-NNUUT-NUT108】
磁阻传感器和地磁场的测量 一． 实验目的 掌握磁阻传感器的特性。 掌握地磁场的测量方法。 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6-8-1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 )()(⊥⊥-+=∥ 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6-8-2所示，图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 V R R U ??? ? ???=
磁阻传感器与地磁场试验仪
磁阻传感器与地磁场实验仪 一、实验装置组成 测量地磁场装置主要包括底座、转轴，带有角度刻度的转盘、磁阻传感器及引线、亥姆霍兹线圈、地磁场测定仪的控制主机(包括数字式电压表、5V 直流电源等)。 实验转盘经过精心设计，可自由转动，方便地调节水平和铅直，内转盘具有一对游标刻度，便于消除偏心差，读数准确，测量误差小。 二、仪器主要用途 1. 给磁阻传器定标，测量磁阻传感器的灵敏度K ； 2．测量地磁场的水平分量B ∥； 3．测量地磁场的磁感应强度B 总；地磁场的垂直分量B ⊥及磁倾角β； 4．用磁阻传感器测量通电单线圈产生磁场分布，并与理论值进行比较。 三、仪器技术要求 1．磁阻传感器. （1）磁阻传感器的工作电压 5V 或6V ，灵敏度约50V/T 。 （2）分辨率可达8 710~10--T ，稳定性好。 2．亥姆霍兹线圈：单只线圈匝数N=500匝，半径10.0cm ；亥姆霍兹线圈轴线上中心位置的磁感应强度为(二个线圈串联)： I I r NI B 42372301096.445100.0850010458 --?=?????=?=πμ 式中B 为磁感应强度，单位T(特斯拉)；I 为通过线圈的电流，单位A(安培) 3．直流恒流源：输出电流 0—500mA 连续可调 4．三位半直流电压表：量程200mV
5．仪器的工作电压：AC 220±10V 四．实验注意事项 1．测量地磁场水平分量，须将转盘调节至水平；测量地磁场B总和磁倾角β时，须将转盘面处于地磁子午面方向。 2．实验仪器周围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。 3．磁阻传感器遇强磁场时，会产生磁畴饱和现象使灵敏度降低。这时可按“复位”按钮使恢复到原灵敏度。 4．带有磁阻传感器的转盘平面的水平和铅直调整要仔细到位，否则会影响测量结果。
霍尔效应法测量螺线管磁场分布
霍尔效应法测量螺线管磁场分布 1879年美国霍普金斯大学研究生霍尔在研究载流导体在磁场中受力性质时发现了一种电磁现象，此现象称为霍尔效应，半个多世纪以后，人们发现半导体也有霍尔效应，而且半导体霍尔效应比金属强得多。近30多年来，由高电子迁移率的半导体制成的霍尔传感器已广泛用于磁场测量和半导体材料的研究。用于制作霍尔传感器的材料有多种:单晶半导体材料有锗，硅；化合物半导体有锑化铟，砷化铟和砷化镓等。在科学技术发展中，磁的应用越来越被人们重视。目前霍尔传感器典型的应用有：磁感应强度测量仪(又称特斯拉计)，霍尔位置检测器，无接点开关，霍尔转速测定仪，100A-2000A 大电流测量仪，电功率测量仪等。在电流体中的霍尔效应也是目前在研究中的“磁流体发电”的理论基础。近年来，霍尔效应实验不断有新发现。1980年德国·克利青教授在低温和强磁场下发现了量子霍尔效应，这是近年来凝聚态物理领域最重要发现之一。目前对量子霍尔效应正在进行更深入研究，并取得了重要应用。例如用于确定电阻的自然基准，可以极为精确地测定光谱精细结构常数等。 通过本实验学会消除霍尔元件副效应的实验测量方法，用霍尔传感器测量通电螺线管激励电流与霍尔输出电压之间关系，证明霍尔电势差与螺线管磁感应强度成正比；了解和熟悉霍尔效应重要物理规律,证明霍尔电势差与霍尔电流成正比；用通电长直通电螺线管轴线上磁感应强度的理论计算值作为标准值来校准或测定霍尔传感器的灵敏度，熟悉霍尔传感器的特性和应用；用该霍尔传感器测量通电螺线管的磁感应强度与螺线管轴线位置刻度之间的关系，作磁感应强度与位置刻线的关系图，学会用霍尔元件测量磁感应强度的方法. 实验原理 1．霍尔效应 霍尔元件的作用如图1所示.若电流I 流过厚度为d 的半导体薄片，且磁场B 垂直作用于该半导体,则电子流方向由于洛伦茨力作用而发生改变，该现象称为霍尔效应，在薄片两个横向面a 、b 之间与电流I ，磁场B 垂直方向产生的电势差称为霍尔电势差. 霍尔电势差是这样产生的：当电流I H 通过霍尔元件（假设为P 型）时，空穴有一定的漂移速度v ，垂直磁场对运动电荷产生一个洛仑兹力 )(B v q F B ?= （1） 式中q 为电子电荷，洛仑兹力使电荷产生横向的偏转，由于样品有边界，所以偏转的载流 子将在边界积累起来，产生一个横向电场E ，直到电场对载流子的作用力F E ＝qE 与磁场作用的洛仑兹力相抵消为止，即 qE B v q =?)( （2） 这时电荷在样品中流动时不再偏转，霍尔电势差就是由这个电场建立起来的。 如果是N 型样品，则横向电场与前者相反，所以N 型样品和P 型样品的霍尔电势差有不同的符号，据此可以判断霍尔元件的导电类型。 设P 型样品的载流子浓度为Р，宽度为ω，厚度为d ，通过样品电流I H ＝Рqv ωd ，则空穴的速度v= I H /Рq ωd 代入（2）式有 d pq B I B v E H ω= ?= （3） 上式两边各乘以ω，便得到 d B I R pqd B I E U H H H H == =ω （4） 其中pq R H 1 = 称为霍尔系数，在应用中一般写成
实验报告磁阻传感器和地磁场的测量
磁阻传感器和地磁场的测量 一．实验目的 掌握磁阻传感器的特性。 掌握地磁场的测量方法。 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6-8-1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 )()(⊥⊥-+=∥ 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6-8-2而输出电压out U 可以用下式表示为b out V R R U ??? ? ???= 磁阻传感器的构造示意图 磁阻传感器内的惠斯通电桥 对于一定的工作电压，如V V b 00.6=，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 上式中，K 为传感器的灵敏度，B 为待测磁感应强度。0U 为外加磁场为零时传感器的输出量。 由于亥姆霍兹线圈的特点是能在其轴线中心点附近产生较宽范围的均匀磁场区，所以常用作弱磁场的标准磁场。亥姆霍兹线圈公共轴线中心点位置的磁感应强度为：I R NI B 42 /301096.445 8 -?== μ 上式中N 为线圈匝数（500匝）；亥姆霍兹线圈的平均半径cm R 10=；真空磁导率270/104A N -?=πμ。
大学物理实验讲义实验 用霍尔效应法测量磁场
实验16用霍尔效应法测量磁场 在工业生产和科学研究中，经常需要对一些磁性系统或磁性材料进行测量，被测磁场的范 围可从~10 15-3 10T （特斯拉），测量所用的原理涉及到电磁感应、磁光效应、热磁效应等。常用的磁场测量方法有核磁共振法、电磁感应法、霍尔效应法、磁光效应法、超导量子干涉器件法等近十种。 一般地，霍尔效应法用于测量10~104 -T 的磁场。此法结构较简单，灵敏度高，探头体积小、测量方便、在霍尔器件的温度范围内有较好的稳定性。但霍尔电压和内阻存在一定的温度系数，并受输入电流的影响，所以测量精度较低。 用半导体材料制成的霍尔器件，在磁场作用下会出现显着的霍尔效应，可用来测量磁场、霍尔系数、判断半导体材料的导电类型（N 型或P 型）、确定载流子（作定向运动的带电粒子）浓度和迁移率等参数。如今，霍尔效应不但是测定半导体材料电学参数的主要手段，而且利用该效应制成的霍尔器件已广泛用于非电量电测、自动控制和信息处理等方面，如测量强电流、压力、转速等，在工业生产要求自动检测和控制的今天，作为敏感元件之一的霍尔器件，将有更为广阔的应用前景。了解这一富有实用性的实验，对于日后的工作将有益处。 【实验目的】 1. 了解霍尔效应产生的机理。 2. 掌握用霍尔器件测量磁场的原理和基本方法。 3. 学习消除伴随霍尔效应的几种副效应对测量结果影响的方法。 4. 研究通电长直螺线管内轴向磁场的分布。 【仪器用具】 TH-H/S 型霍尔效应/螺线管磁场测试仪、TH-S 型螺线管磁场实验仪。 【实验原理】 1. 霍尔效应产生的机理 置于磁场中的载流体，如果电流方向与磁场方向垂直，则在垂直于电流和磁场的方向会产生一附加的横向电场，载流体的两侧会产生一电位差，这个现象是美国霍普斯金大学二年级研究生霍尔于1879年发现的，后被称为霍尔效应，所产生的电位差称为霍尔电压。特别是在半导体样品中，霍尔效应更加明显。 霍尔电压从本质上讲是运动的带电粒子在磁场中受洛仑兹力作用而引起的偏转。当带电粒子（电子和空穴）被约束在固体材料中，这种偏转就导致在垂直电流和磁场方向上产生正负电荷的积累，从而形成附加的横向电场，即霍尔电场。对于图1-1（a ）所示的N 型半导体试样，若在X 方向通以电流S I ，在Z 方向加磁场B ，试样中载流子（电子）将受到洛仑兹力大小为： evB F g =（1-1） 则在Y 方向，在试样A 、A '电极两侧就开始聚积异号电荷而产生相应的附加电场——霍尔电场。电场的指向取决于试样的导电类型，对N 型半导体试样，霍尔电场逆Y 方向，P 型半导体试样，霍尔电场则沿Y 方向，即有： 当S I 沿X 轴正向、B 沿Z 轴正向、H E 逆Y 正方向的试样是N 型半导体。
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)