磁电阻与巨磁电阻实验报告
磁电阻与巨磁电阻
姓名：刘一宁班级:核32
指导教师：王合英实验日期：2015.03.13
【摘要】：本实验使用了由基本电路原理配合巨磁电阻原件制作的一套巨磁电阻实验仪，通过改变巨磁电阻处的磁场测量了巨磁电阻的磁阻特性曲线、磁电转换特性曲线，并在体验了其在测量电流、测量转速、磁读写等方面的应用。最后获得了巨磁电阻词组特性曲线、GMR 模拟传感器的磁电转换曲线、GMR开关传感器的磁电转换特性曲线、巨磁电阻测量电流的数据、齿轮旋转过程中巨磁电阻梯度传感器输出电压曲线、磁信号读出情况，自旋阀磁电阻两个不同角度的磁阻特性曲线。发现巨磁电阻的磁阻随磁场变大而减小，且与方向无关，但是其存在磁滞现象。而自旋阀磁电阻则在磁场由一个方向磁饱和变化到另一个方向磁饱和的过程中磁电阻不断减小或增加，这与磁电阻和磁场的角度有关，且在0磁场附近变化特别明显。
关键词：巨磁电阻、自旋阀磁电阻、磁阻特性曲线、磁电转换特性
一、引言：
1988年法国巴黎大学的肯特教授研究小组首先在Fe/Cr多层膜中发现了巨磁电阻效应，在国际上引起了很大的反响。20世纪90年代，人们在Fe/Cu，Fe/Al，Fe/Au，Co/Cu，Co/Ag和Co/Au 等纳米结构的多层膜中观察到了显著的巨磁阻效应。
1994年，IBM公司研制成巨磁电阻效应的读出磁头，将磁盘记录密度一下子提高了17倍，达5Gbit/in2，最近达到11Gbit/in2，从而在与光盘竞争中磁盘重新处于领先地位。由于巨磁电阻效应大，易使器件小型化，廉价化，除读出磁头外同样可应用于测量位移，角度等传感器中，可广泛地应用于数控机床，汽车测速，非接触开关，旋转编码器中，与光电等传感器相比，它具有功耗小，可靠性高，体积小，
能工作于恶劣的工作条件等优点。利用巨磁电阻效应在不同的磁化状态具有不同电阻值的特点，可以制成随机存储器（MRAM），其优点是在无电源的情况下可继续保留信息。
巨磁电阻效应在高技术领域应用的另一个重要方面是微弱磁场探测器。随着纳米电子学的飞速发展，电子元件的微型化和高度集成化要求测量系统也要微型化。
在21世纪，超导量子相干器件、超微霍耳探测器和超微磁场探测器将成为纳米电子学中的主要角色。其中以巨磁电阻效应为基础设计超微磁场传感器，要求能探测
10-2T至10-6T的磁通密度。如此低的磁通密度在过去是无法测量的，特别是在超微系统测量如此微弱的磁通密度十分困难，纳米结构的巨磁电阻器件可以完成这个任务。
瑞典皇家科学院9日宣布，将2007年诺贝尔物理学奖授予法国科学家阿尔贝·费尔和德国科学家彼得·格林贝格尔，以表彰他们发现了“巨磁电阻”效应。瑞典皇家科学院说：“今年的物理学奖授予用于读取硬盘数据的技术，得益于这项技术，硬盘在近年来迅速变得越来越小。”
最近，中国学者比较关注巨磁电阻在工程方面的具体应用，比如《电子测量技术》2014年第6期“基于自旋阀巨磁电阻传感器的直流电流测量”一文介绍自旋阀巨磁阻（gian tmagne to resistive,GMR）传感器具有灵敏度高、线性度好、体积小等显著的优点,在直流电流测量中具有极大的发展潜力。而《大学物理》2014年02期“基于巨磁电阻效应的杨氏模量测量装置”一文介绍了利用巨磁电阻传感器、磁钢片及电位差计组成的实验装置,可精确测量微小长度变化量.将该装置应用于杨氏
模量实验并与光杠杆测量方法比较可知,应用巨磁电阻传感器的测量方法简单,测量
过程便捷,测量精度较高.
我认为，本实验最主要的目的是让我们理解巨磁电阻的原理、技术，及其对科学技术发展的贡献。这个实验可以让我们可以体验到基于测试目的的实验的设计方法及实施过程，在这个过程中体验科学发现的精髓与快乐，藉此提高我们对物理科学的兴趣和独立查阅科学文献的能力。
二、实验：
本实验使用了巨磁电阻实验仪、基本特性测量组件、GMR 传感器、电流测量组件、角位移组件、磁卡读写组件等实验装置。其中巨磁电阻实验仪包括稳压电源、恒流源、电压表、电流表。基本特性组件由GMR模拟传感器，螺线管线圈及比较电路，输入输出插孔组成，用以对GMR的磁阻特性和磁电转换特性进行测量。在这个实验中使用螺线管线圈提供变化磁场，GMR传感器置于螺线管的中央。而在将GMR 构成传感器时，为了消除温度变化等环境因素对输出的影响，一般采用桥式结构。
但是对于电桥结构，如果4个GMR电阻对磁场的响应完全同步，就不会有信号输出。
故将处在电桥对角位置的两个电阻R3、R4 覆盖一层高导磁率的材料如坡莫合金，以屏蔽外磁场对它们的影响，而R1、R2 阻值随外磁场改变。分析表明，输出电压：U OUT = U INΔR/（2R-ΔR）。屏蔽层同时设计为磁通聚集器，它的高导磁率将磁力线聚
集在R1、R2电阻所在的空间,进一步提高了R1、R2 的磁灵敏度。同时巨磁电阻被
光刻成微米宽度迂回状的电阻条，以增大其电阻至k Ω数量级，使其在较小工作电
流下得到合适的电压输出。电流测量组件将导线置于GMR 模拟传感器近旁，用GMR
传感器测量导线通过不同大小电流时导线周围的磁场变化，就可确定电流大小。角
位移测量组件用巨磁阻梯度传感器作传感元件，铁磁性齿轮转动时，齿牙干扰了梯
度传感器上偏置磁场的分布，使梯度传感器输出发生变化，每转过一齿，就输出类
似正弦波一个周期的波形。磁读写组件用于演示磁记录与读出的原理。磁卡做记录
介质，磁卡通过写磁头时可写入数据，通过读磁头时将写入的数据读出来。写磁头
是绕线的磁芯，线圈中通过电流时产生磁场，在磁性记录材料上记录信息。巨磁阻
读磁头利用磁记录材料上不同磁场时电阻的变化读出信息。最后采用四端接线法接
自旋阀磁电阻，放置于线圈中央，调整其与线圈轴线的夹角可以测量自旋阀磁电阻
在不同外磁场方向时的的磁阻特性曲线。
三、 实验结果及讨论：
由于篇幅限制，各原始实验数据记录表格请见附件。
数据处理如下：
1、 巨磁电阻磁阻特性曲线测量与分析：
（1）、以磁感应强度B 作横坐标，电阻为纵坐标作出磁阻特性曲线。
R /ΩB/GS
图1
（2）、由公式式中R(0)为外加磁场为零时样
品电阻，R(H )为不同外加磁场下样品电阻，R ( Hs )为外加磁场使薄膜磁化饱和时
样品的电阻。计算得到0磁场时GMR=（(2369.668+2368.265)/2-2051.282）
/2051.282=15.5%.
（3）、观察曲线可以发现，磁场强度越弱则巨磁电阻的电阻值越大，而且，在
趋于饱和之前，其电阻值随磁场变化的关系接近一条直线，为什么电阻值会与
磁场强度有关呢？这可以用双电流模型解释：
按照Mott的双电流模型，传导电子分为自旋向上和自旋向下的电子，多层膜中非磁性层对这两种状态的传导电子的影响是相同的，而磁层的影响却完全不同。当相邻铁磁层反平行时，如果s 电子的自旋与第一铁磁层中局域 d 电子的自旋平行，则几乎不受散射，但它与相邻铁磁层中局域d 电子的自旋反平行，就受到强烈的散射（即填充到空置的与自己自旋相同的态）。所以两相邻磁层的磁矩方向相反时，两种自旋状态的传导电子，或者在第一个磁层即因磁矩与之相反而到强烈散射，或者在穿过磁矩与其自旋方向相同的磁层后，必然在下一个磁层处遇到与其方向相反的磁矩，并受到强烈的散射作用，这样两种自旋态的电子分别在某一层受到强散射，宏观上表现为高电阻状态（图解3-1）；如果施加足够大的外场，使得磁层的磁矩都沿外场方向排列（图解3-2），则自旋与其磁矩方向相同的电子受到的散射小，只有方向相反的电子受到的散射作用强，宏观上表现出低电阻状态。图 3-1和图 3-2中右侧的图表示对应高阻态和低阻态的等效电路图。
图解3-1 零磁场时传导电子的运动状态
图解3-2 磁场使磁性层磁化饱和时传导电子的运动状态
2-1、GMR模拟传感器的磁电转换特性测量：
以磁感应强度B作横坐标，电压表的读数为纵坐标作出磁电转换特性曲线。同
一外磁场强度下输出电压的差值反映了材料的磁滞特性。
U /m v
B/GS
图2-1
2-2、GMR 开关（数字）传感器的磁电转换特性曲线测量：
以磁感应强度B 作横坐标，电压读数为纵坐标作开关传感器的磁电转换特性曲线并进行分析。以2V 表示高电平，0V 表示低电平：
B/GS
图2-2
3、 用GMR 模拟传感器测量电流：
（1）、以电流读数作横坐标，电压表的读数为纵坐标作图。
低磁偏置：
U /m V I/mA
图3-1
适当磁偏置：U /m V
I/mA 图3-2
（2）、由图可以看出，低磁偏置的时候，随着电流的变化，纵坐标的变化较小，
在误差的值一定的情况下，相对误差比起适当磁偏置的情况会高6倍左右.
4、 GMR 梯度传感器的特性及应用：
（1）、以齿轮转动角度为横坐标，输出电压为纵坐标，做曲线如下：
输出电压/m V 转动角度/°
图4
（2）、为什么会是这样的图形呢？将GMR 电桥两对对角电阻分别置于集成电路
两端，4个电阻都不加磁屏蔽，即构成梯度传感器。这种传感器若置于均匀磁场
中，由于4个桥臂电阻阻值变化相同，电桥输出为零。如果磁场存在一定的梯度，
各GMR 电阻感受到的磁场不同，磁阻变化不一样，就会有信号输出。在真实的
实验中，由于仪器限制，不能将输出电压降至0，但是其随转动角度的变化仍然
具有周期性。
5、 磁记录与读出：
6、 自旋阀磁电阻的测量装置与方法：
（
1）、自旋阀的磁电阻曲线:取向角度：90°
R /Ω
B/GS
图6-1
（2）
、自旋阀的磁电阻曲线:取向角度：180°
R /Ω
B/GS
图6-2
（3）、发现自旋阀磁电阻在0磁场附近随磁场强度变化非常剧烈，这是因为自由
层使用软铁磁材料，它的磁化方向易于随外磁场转动。这样，很弱的外磁场就
会改变自由层与被钉扎层磁场的相对取向，对应于很高的灵敏度，同时也非常
容易达到磁饱和，所以磁场稍大时电阻值变化就不再明显。
（4）、还发现自旋阀磁电阻与多层膜磁电阻不同，它在磁场从一个方向的饱和
降至零再到反方向饱和的过程中，电阻值持续上升或下降（而不是像多层膜磁
电阻一样电阻0时阻值最大）。这是因为制造时，使自由层的初始磁化方向与被
钉扎层垂直导致的，这也造成了磁场方向与自旋阀磁电阻不同夹角时其灵敏度
的变化。
四、总结：
本实验的主要目的是测量巨磁电阻的特性曲线。在实验中使用了由基本电路原理配合巨磁电阻原件制作的一套巨磁电阻实验仪，通过改变巨磁电阻处的磁场测量了巨磁电阻的磁阻特性曲线、磁电转换特性曲线，并在体验了其在测量电流、测量转速、磁读写等方面的应用。最后获得了巨磁电阻词组特性曲线、GMR模拟传感器的磁电转换曲线、GMR开关传感器的磁电转换特性曲线、巨磁电阻测量电流的数据、齿轮旋转过程中巨磁电阻梯度传感器输出电压曲线、磁信号读出情况，自旋阀磁电阻两个不同角度的磁阻特性曲线。发现巨磁电阻的磁阻随磁场变大而减小，且与方向无关，在未饱和前随磁场近似线性变化，存在磁滞现象。而自旋阀磁电阻则在磁场由一个方向磁饱和变化到另一个方向磁饱和的过程中磁电阻不断减小或增加，在0磁场附近变化特别明显且灵敏度与磁电阻和磁场的角度有关。
五、参考文献：
王合英《巨磁电阻效应及其应用》
六、附录：实验原始数据电子版及纸版签字图片
表2.1 GMR模拟传感器磁电转换特性的测量（电桥电压4V）
表4 齿轮角位移的测量
实验一 金属箔式应变片实验报告
厦门大学嘉庚学院传感器 实验报告 实验项目：实验一、二、三 金属箔式应变片 ——单臂、半桥、全桥 实验台号： 专 业： 物联网工程 年 级： 2014级 班 级： 1班 学生学号： ITT4004 学生姓名： 黄曾斌 实验时间： 2016 年 5 月 20 日
实验一 金属箔式应变片——单臂电桥性能实验 一．实验目的 了解金属箔式应变片的应变效应，单臂电桥工作原理和性能。 二．基本原理 金属电阻丝在未受力时，原始电阻值为R=ρL/S 。 电阻丝在外力作用下发生机械变形时，其电阻值发生变化，这就是电阻应变效应，描述电阻应变效应的关系式为： 式中R R /?为电阻丝电阻的相对变化，K 为应变灵敏系数，L L /?=ε 为电阻丝长度 相对变化，金属箔式应变片就是通过光刻、腐蚀等工艺制成的应变敏感元件，通过它转换被测部位的受力状态变化，电桥的作用是完成电阻到电压的比例变化，电桥的输出电压反映了相应的受力状态。 输出电压： 1.单臂工作：电桥中只有一个臂接入被测量，其它三个臂采用固定电阻；输出 U O14/εEK =。 2.双臂工作：如果电桥两个臂接入被测量，另两个为固定电阻就称为双臂工作电桥，又称为半桥形式；半桥电压输出U O2 2/εEK =。 3.全桥方式：如果四个桥臂都接入被测量则称为全桥形式。全桥电压输出U O3 εEK =。 三．需用器件与单元 CGQ-001实验模块、CGQ-013实验模块、应变式传感器、砝码、电压表、±15V 电源、±4V 电源、万用表（自备）。 ()() E R R R R R R R R U O 43213 241++-=
电阻应变片粘贴实验报告
实验报告（三）电阻应变片的粘贴 实验目的: 1、初步掌握电阻应变片的粘贴技术； 2、初步掌握焊线和检查。 实验设备和器材: 1、电阻应变片 2、试件 3、砂布 4、丙酮（或酒精）等清洗器材 5、502粘接剂 6、测量导线 7、电烙铁 电阻应变片的工作原理: 1、电阻应变片工作原理是基于金属导体的应变效应，即金属导体在外力作用下发生机械变形时，其电阻值随着所受机械变形(伸长或缩短)的变化而发生变化象。 2、当试件受力在该处沿电阻丝方向发生线变形时，电阻丝也随着一起变形（伸长或缩短），因而使电阻丝的电阻发生改变（增大或缩小）。 实验步骤:
1、定出试件被测位置，画出贴片定位线。 2、在贴片处用细砂布按45°方向交叉打磨。 3、然后用浸有丙酮（或酒精）的棉球将打磨处擦洗干净（钢试件用丙酮棉球，铝试件用酒精棉球）直至棉球洁白为止。 4、一手拿住应变片引线，一手拿502胶，在应变片基底底面涂上502胶（挤上一滴502胶即可）。 5、立即将应变片底面向下放在试件被测位置上，并使应变片基准对准定位线。将一小片薄膜盖在应变片上，用手指柔和滚压挤出多余的胶，然后手指静压一分钟，使应变片和试件完全粘合后再放开。从应变片无引线的一端向有引线的一端揭掉薄膜。 6、在紧连应变片的下部贴上绝缘胶布，胶布下面用胶水粘接一片连接片（焊片）。 7、将应变片的引线和连接应变仪的导线相连并焊接在连接片上，以便固定。用绝缘胶布将导线固定在梁上。 实验心得体会（必须写，不少于300字） 经过今天的这次试验我知道了电阻应变片是根据电阻应变效应作成的传感器。在发生机械变形时，电阻应变片的电阻会发生变化。使用时，用粘合剂将应变计贴在被测试件表面上，试件变形时，应变
巨磁电阻效应及其应用 实验报告
巨磁电阻效应及其应用 【实验目的】 1、 了解GMR 效应的原理 2、 测量GMR 模拟传感器的磁电转换特性曲线 3、 测量GMR 的磁阻特性曲线 4、 用GMR 传感器测量电流 5、 用GMR 梯度传感器测量齿轮的角位移，了解GMR 转速（速度）传感器的原理 【实验原理】 根据导电的微观机理，电子在导电时并不是沿电场直线前进，而是不断和晶格中的原子产生碰撞（又称散射），每次散射后电子都会改变运动方向，总的运动是电场对电子的定向加速与这种无规散射运动的叠加。称电子在两次散射之间走过的平均路程为平均自由程，电子散射几率小，则平均自由程长，电阻率低。电阻定律 R=ρl/S 中，把电阻率ρ视为常数，与材料的几何尺度无关，这是因为通常材料的几何尺度远大于电子的平均自由程（例如铜中电子的平均自由程约34nm ），可以忽略边界效应。当材料的几何尺度小到纳米量级，只有几个原子的厚度时（例如，铜原子的直径约为0.3nm ），电子在边界上的散射几率大大增加，可以明显观察到厚度减小，电阻率增加的现象。 电子除携带电荷外，还具有自旋特性，自旋磁矩有平行或反平行于外磁场两种可能取向。早在1936年，英国物理学家，诺贝尔奖获得者N.F.Mott 指出，在过渡金属中，自旋磁矩与材料的磁场方向平行的电子，所受散射几率远小于自旋磁矩与材料的磁场方向反平行的电子。总电流是两类自旋电流之和;总电阻是两类自旋电流的并联电阻，这就是所谓的两电流模型。 在图2所示的多层膜结构中，无外磁场时，上下两层磁性材料是反平行（反铁磁）耦合的。施加足够强的外磁场后，两层铁磁膜的方向都与外磁场方向一致，外磁场使两层铁磁膜从反平行耦合变成了平行耦合。电流的方向在多数应用中是平行于膜面的。 无外磁场时顶层磁场方向 无外磁场时底层磁场方向 图2 多层膜GMR 结构图 图3是图2结构的某种GMR 材料的磁阻特性。由图可见，随着外磁场增大，电阻逐渐减小，其间有一段线性区域。当外磁场已使两铁磁膜完全平行耦合后，继续加大磁场，电阻不再减小，进入磁饱和区域。磁阻变化率 ΔR/R 达百分之十几，加反向磁场时磁阻特性是对称的。注意到图2中的曲线有两条，分别对应增大磁场和减小磁场时的磁阻特性，这是因为铁磁材料都具有磁滞特性。 图3 某种GMR 材料的磁阻特性 磁场强度 / 高斯 电阻 \ 欧姆
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应变片实验报告
传感器实验--- 金属箔式应变片：单臂、半桥、全桥比较 【实验目的】 了解金属箔式应变片，单臂单桥的工作原理和工作情况。 验证单臂、半桥、全桥的性能及相互之间关系。 【所需单元及部件】 直流稳压电源、电桥、差动放大器、双孔悬臂梁称重传感器、砝码、一片应变片、电压 /频率表、电 源，重物加在短小的圆盘上。 【旋钮初始位置】 直流稳压电源打到 +2V 挡，电压/频率表打到2V 挡，差动放大增益最大。 【应变片的工作原理】 当金属丝在外力作用下发生机械变形时，其电阻值将发生变化，这种现象称为金属的电阻应变 效应。 设有一根长度为 L 、截面积为S 、电阻率为p 的金属丝，在未受力时，原始电阻为 当金属电阻丝受到轴向拉力 F 作用时，将伸长 横截面积相应减小 A S ,电阻率因晶格变化 等因素的影响而改变 Ap 故引起电阻值变化 AR 。对式（1 — 1）全微分，并用相对变化量来表示， 则有： 【测量电路】 应变片测量应变是通过敏感栅的电阻相对变化而得到的。通常金属电阻应变片灵敏度系数 K 很 小，机械应变一般在 10X10-6?3000X 10-6之间，可见，电阻相对变化是很小的。例如，某传感器弹性 元件在额定载荷下产生应变 1000 10 -6 ，应变片的电阻值为120 ，灵敏度系数 K=2,则电阻的 R 相对变化量为 K 2 1000 10 -6 =0.002，电阻变化率只有 0.2%。这样小的电阻变化，用一 R 般测量电阻的仪表很难直接测出来，必须用专门的电路来测量这种微弱的电阻变化。最常用的电路 为电桥电路。 R L S R L S (1-2)
直流电桥的电压输出 当电桥输出端接有放大器时，由于放大器的输入阻抗很高，所以，可以认为电桥的负载电阻为 无穷大，这时电桥以电压的形式输出。输出电压即为电桥输出端的开路电压，其表达式为 R 1 R 3 R 2 R 4 (R I R 2X R 3 R 4) 设电桥为单臂工-作状态，即R i 为应变片，其余桥臂均为固定电阻。 当R i 感受应变产生电阻增 衡引起的输出电压为 根据式（1-4）可得到输出电压为 duoo oLho （a ）单臂 （b ）半桥 （c ）全桥 图1-1应变电桥 (1-3) R i 时，由初始平衡条件 R 1R 3 R 2R 4 得負 t ，代入式（1-3），则电桥由于 R 1产生不平 R 2 (R 1 R 2)2 R 1U R 1 R 2 (R 1 R 2)2 R 1 L U (1-4) 对于输出对称电桥，此时 R 1 R 2 R ，R 3 R 4 R',当R 1臂的电阻产生变化 R 1 R ,
应变片电阻式传感器测压力实验报告
设计目的 了解应变直流电桥的应用及电路的标定 基本原理 一应变片传感器 电阻应变片压力传感器由基体材料、金属应变丝或应变箔、绝缘保护片和引出线等部分组成 1 应变片的工作原理 电阻应变式压力传感器是由电阻应变片组成的测量电路和弹性敏感元件组合起来的传感器。当弹性敏感元件受到压力作用时，将产生应变，粘贴在表面的电阻应变片也会产生应变，表现为电阻值的变化。这样弹性体的变形转化为电阻应变片阻值的变化。把4个电阻应变片按照桥路方式连接，两输入端施加一定的电压值，两输出端输出的共模电压随着桥路上电阻阻值的变化增加或者减小。一般这种变化的对应关系具有近似线性的关系。找到压力变化和输出共模电压变化的对应关系，就可以通过测量共模电压得到压力值。 电阻应变片的工作原理是吸附在基体材料上应变电阻随机械形变而产生阻值变化的现象，俗称为电阻应变效应。金属导体的电阻值可用下式表示：
S L R ρ= 式中： ρ——金属导体的电阻率（Ω·m ） S ——导体的截面积（2m ） L ——导体的长度（m ） 以金属丝应变电阻为例，当金属丝受外力作用时，其长度和截面积都会发生变化，从上式中可很容易看出，其电阻值即会发生改变，假如金属丝受外力作用而伸长时，其长度增加，而截面积减少，电阻值便会增大。当金属丝受外力作用而压缩时，长度减小而截面增加，电阻值则会减小。只要测出加在电阻的变化（通常是测量电阻两端的电压），即可获得应变金属丝的应变情况。 2 全桥电路 应变片将应变的变化转换成电阻相对变化ΔR/R ，要把电阻的变化转换成电压或电流的变化，才能用电测仪表进行测量。这里使用全桥电路，如下图所示。
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巨磁电阻实验报告
巨磁电阻实验报告 【目的要求】 1、了解GMR效应的原理 2、测量GMR模拟传感器的磁电转换 特性曲线 3、测量GMR的磁阻特性曲线 4、用GMR传感器测量电流 5、用GMR梯度传感器测量齿轮的角 位移，了解GMR转速（速度）传感器的原理【原理简述】 根据导电的微观机理，电子在导电时并不是沿电场直线前进，而是不断和晶格中的原子产生碰撞（又称散射），每次散射后电子都会改变运动方向，总的运动是电场对电子的定向加速与这种无规散射运动的叠加。称电子在两次散射之间走过的平均路程为平均自由程，电子散射几率小，则平均自由程长，电阻率低。电阻定律R=ρl/S中，把电阻率ρ视为常数，与材料的几何尺度无关，这是因为通常材料的几何尺度远大于电子的平均自由程（例如铜中电子的平均自由程约34nm），可以忽略边界效应。当材料的几何尺
度小到纳米量级，只有几个原子的厚度时（例如，铜原子的直径约为0.3nm），电子在边界上的散射几率大大增加，可以明显观察到厚度减小，电阻率增加的现象。 电子除携带电荷外，还具有自旋特性，自旋磁矩有平行或反平行于外磁场两种可能取向。早在1936年，英国物理学家，诺贝尔奖获得者N.F.Mott指出，在过渡金属中，自旋磁矩与材料的磁场方向平行的电子，所受散射几率远小于自旋磁矩与材料的磁场方向反平行的电子。总电流是两类自旋电流之和;总电阻是两类自旋电流的并联电阻，这就是所谓的两电流模型。 在图2所示的多层膜结构中，无外磁场时，上下两层磁性材料是反平行（反铁磁）耦合的。施加足够强的外磁场后，两层铁磁膜的方向都与外磁场方向一致，外磁场使两层铁磁膜从反平行耦合变成了平行耦合。电流的方向在多数应用中是平行于膜面的。 电 阻 \ 欧 姆
传感器实验报告应变片的温度效应及补偿
北京XX大学 实验报告 课程（项目）名称：实验三应变片的温度效应及补偿学院：自动化专业：自动化 班级：学号： 姓名：成绩： 2013年12月10日
实验一 一、任务与目的 了解温度对应变测试系统的影响。 二、原理（条件） 当应变片所处环境温度发生变化时，由于其敏感栅本身的温度系数，自身的标称电阻值发生变化，而贴应变片的测试件与应变片敏感栅的热膨胀系数不同，也会引起附加形变，产生附加电阻。 为避免温度变化时引入的测量误差，在实用的测试电路中要进行温度补偿。本实验中采用的是电桥补偿法 三、内容与步骤 （1）了解加热器在实验仪所在的位置及加热符号，加热器封装在双平行的上片梁与下片梁之间，结构为电阻丝。 （2）将差动放大器的（＋）、（－）输入端与地短接，输出端插口与F／V表的输入插口Vi相连。 （3）开启主、副电源，调节差放零点旋钮，使F／V表显示零。再把F／V表的切换开关置2V档，细调差放零点，使F／V表显示零。关闭主、副电源， F／V表的切换开关置20V档，拆去差动放大器输入端的连线。 （4）按图接线，开启主副电源，调电桥平衡网络的W1电位器，使F／V表显示零，然后将F／V表的切换开关置2V档,调W1电位器，使F／V表显示零。 （5）在双平行梁的自由端（可动端）装上测微头，并调节测微头，使F／V表显示零。 （6）将－15V电源连到加热器的一端插口，加热器另一端插口接地；F／V表的显示在变化，待F／V表显示稳定后，记下显示数值(起始-0.60 终止 0.094 温度：)，并用温度计（自备）测出温度(室温)，记下温度值。（注 意：温度计探头不要触在应变片上，只要触及应变片附近的梁体即可。）
金属箔式应变片性能实验报告
实验报告 姓名：学号：班级： 实验项目名称：实验一金属箔式应变片性能——单臂电桥，半桥 实验目的：了解金属箔式应变片，单臂单桥的工作原理和工作情况；：验证单臂、半桥性能及相互之间关系。 实验原理： 单臂、半桥、全桥是指在电桥组成工作时，有一个桥臂、二个桥臂、全部四个桥臂（用应变片）阻值都随被测物理量而变化。 电桥的灵敏度：电桥的输出电压（或输出电流） 与被测应变在电桥的一个桥臂上引起的电阻变化率之 间的比值，称为电桥的灵敏度。如图是直流电桥，它 的四个桥臂由电阻R1、R2、R3、R4组成，U。是供桥电 压，输出电压为： 当R1×R3=R2×R4则输出电压U为零，电桥处于平 衡状态。 如果将R4换成贴在试件上的应变片，应变片随试件的受力变形而变形，引起应变片电阻R4的变化，平衡被破坏，输出电压U发生变化。当臂工作时，电桥只有R4桥臂为应变片，电阻变为R＋R，其余各臂仍为固定阻值R,代入上式有 组桥时，R1和R3，R2和R4受力方向一致。 实验步骤（电路图）： （1）了解所需单元、部件在实验仪上的所在位置，观察梁上的应变片，测微头在双平行梁前面的支座上，可以上、下、前、后、左、右调节。 （2）将差动放大器调零：用连线将差动放大器的正（＋）、负（－）、地短接。将差动放大器的输出端与F／V表的输入插口Vi 相连；开启主、副电源；调节差动放大器的增益到最大位置，然后调整差动放大器的调零旋钮使F／V表显示为零，关闭主、副电源。
（3）根据图１接线R1、R2、R3为电桥单元的固定电阻。R4为应变片；将稳压电源的切换开关置±4V档，F／V表置20V档。调节测微头脱离双平行梁，开启主、副电源，调节电桥平衡网络中的W1，使F／V表显示为零，然后将F／V表置2V档，再调电桥W1（慢慢地调），使F／V表显示为零。 图1金属箔式应变片性能—单臂电桥电路 （4）将测微头转动到10mm刻度附近，安装到双平等梁的自由端（与自由端磁钢吸合），调节测微头支柱的高度（梁的自由端跟随变化）使F／V表显示最小，再旋动测微头，使F／V 表显示为零（细调零），这时的测微头刻度为零位的相应刻度。 （5）——往下或往上旋动测微头，使梁的自由端产生位移记下F／V表显示的值。建议每旋动测微头一周即ΔX＝0.5mm 记一个数值填入下表： （6）据所得结果计算灵敏度S＝ΔV／ΔX（式中ΔX为梁的自由端位移变化，ΔV为相应F ／V表显示的电压相应变化）。 (7) 将R3固定电阻换为与R4工作状态相反的另一应变片即取二片受力方向不同应变片，形成半桥，调节测微头使梁到水平位置（目测），调节电桥W1使F／V表显示表显示为零，重复（5）过程同样测得读数，填入下表： 实验结果及分析： 单臂电桥结果： 位移（mm）-1.0 -0.5 0.5 1.0 1.5 电压（mv）-0.057 -0.044 0.012 0.025 0.036 灵敏度计算：电压变化的平均值=0.013mv S=ΔV／ΔX=0.026mv/mm 结果分析：半桥的灵敏度是单臂电桥灵敏度的2倍。 实验中的注意事项及实验感想、收获或建议等：
巨磁电阻效应及其应用实验报告
巨磁电阻效应及其应用实 验报告 The following text is amended on 12 November 2020.
巨磁电阻效应及其应用 【实验目的】 1、了解GMR效应的原理 2、测量GMR模拟传感器的磁电转换特性曲线 3、测量GMR的磁阻特性曲线 4、用GMR传感器测量电流 5、用GMR梯度传感器测量齿轮的角位移，了解GMR转速（速度）传感器的原理【实验原理】 根据导电的微观机理，电子在导电时并不是沿电场直线前进，而是不断和晶格中的原子产生碰撞（又称散射），每次散射后电子都会改变运动方向，总的运动是电场对电子的定向加速与这种无规散射运动的叠加。称电子在两次散射之间走过的平均路程为平均自由程，电子散射几率小，则平均自由程长，电阻率低。电阻定律 R=l/S中，把电阻率视为常数，与材料的几何尺度无关，这是因为通常材料的几何尺度远大于电子的平均自由程（例如铜中电子的平均自由程约34nm），可以忽略边界效应。当材料的几何尺度小到纳米量级，只有几个原子的厚度时（例如，铜原子的直径约为），电子在边界上的散射几率大大增加，可以明显观察到厚度减小，电阻率增加的现象。 ;总电阻是两类自旋电流的并联电阻，这就是所谓的两电流模型。 在图2所示的多层膜结构中，无外磁场时，上下两层磁性材料是反平行（反铁磁）耦合的。施加足够强的外磁场后，两层铁磁膜的方向都与外磁场方向一致，外磁场使两层铁磁膜从反平行耦合变成了平行耦合。电流的方向在多数应用中是平行于膜面的。 图3是图2结构的某种GMR材料的磁阻特性。由图可见，随着外磁场增大，电阻逐渐减小，其间有一段线性区域。当外磁场已使两铁磁膜完全平行耦合后，继续加大磁场，电阻不再减小，进入磁饱和区域。磁阻变化率ΔR/R 达百分之十几，加反向磁场时磁阻特性是对称的。注意到图2中的曲线有两条，分别对应增大磁场和减小磁场时的磁阻特性，这是因为铁磁材料都具有磁滞特性。 有两类与自旋相关的散射对巨磁电阻效应有贡献。 其一，界面上的散射。无外磁场时，上下两层铁磁膜的磁场方向相反，无论电子的初始自旋状态如何，从一层铁磁膜进入另一层铁磁膜时都面临状态改变（平行－反平行，或反平行－平行），电子在界面上的散射几率很大，对应于高电阻状态。有外磁场时，上下两层铁磁膜的磁场方向一致，电子在界面上的散射几率很小，对应于低电阻状态。 其二，铁磁膜内的散射。即使电流方向平行于膜面，由于无规散射，电子也有一定的几率在上下两层铁磁膜之间穿行。无外磁场时，上下两层铁磁膜的磁场方向相反，无论电子的初始自旋状态如何，在穿行过程中都会经历散射几率小（平行）和散射几率大（反平行）两种过程，两类自旋电流的并联电阻相似两个中等阻值的电阻的并联，对应于高电阻状态。有外磁场时，上下两层铁磁膜的磁场方向一致，自旋平行的电子散射几率小，自旋反平行的电子散射几率大，两类自旋电流的并联电阻相似一个小电阻与一个大电阻的并联，对应于低电阻状态。
实验一-金属箔式应变片实验报告
成绩： 预习审核： 评阅签名： 厦门大学嘉庚学院传感器 实验报告 实验项目：实验一、二、三金属箔式应变片——单臂、半桥、全桥 实验台号： 专业：物联网工程 年级：2014级 班级：1班 学生学号：ITT4004 学生姓名：黄曾斌 实验时间：2016 年 5 月20 日
实验一 金属箔式应变片——单臂电桥性能实验 一．实验目的 了解金属箔式应变片的应变效应，单臂电桥工作原理和性能。 二．基本原理 金属电阻丝在未受力时，原始电阻值为R=ρL/S 。 电阻丝在外力作用下发生机械变形时，其电阻值发生变化，这就是电阻应变效应，描述电阻应变效应的关系式为： 式中R R /?为电阻丝电阻的相对变化，K 为应变灵敏系数，L L /?=ε 为电阻丝长度 相对变化，金属箔式应变片就是通过光刻、腐蚀等工艺制成的应变敏感元件，通过它转换被测部位的受力状态变化，电桥的作用是完成电阻到电压的比例变化，电桥的输出电压反映了相应的受力状态。 输出电压： 1.单臂工作：电桥中只有一个臂接入被测量，其它三个臂采用固定电阻；输出 U O14/εEK =。 2.双臂工作：如果电桥两个臂接入被测量，另两个为固定电阻就称为双臂工作电桥，又称为半桥形式；半桥电压输出U O2 2/εEK =。 3.全桥方式：如果四个桥臂都接入被测量则称为全桥形式。全桥电压输出U O3 εEK =。 三．需用器件与单元 CGQ-001实验模块、CGQ-013实验模块、应变式传感器、砝码、电压表、±15V 电源、±4V 电源、万用表（自备）。 ()() E R R R R R R R R U O 43213 241++-=
巨磁电阻实验报告
巨磁电阻实验报告 【目的要求】 1、 了解GMR 效应的原理 2、 测量GMR 模拟传感器的磁电转换特性曲线 3、 测量GMR 的磁阻特性曲线 4、 用GMR 传感器测量电流 5、 用GMR 梯度传感器测量齿轮的角位移，了解GMR 转速（速度）传感器的原理 【原理简述】 根据导电的微观机理，电子在导电时并不是沿电场直线前进，而是不断和晶格中的原子产生碰撞（又称散射），每次散射后电子都会改变运动方向，总的运动是电场对电子的定向加速与这种无规散射运动的叠加。称电子在两次散射之间走过的平均路程为平均自由程，电子散射几率小，则平均自由程长，电阻率低。电阻定律 R=ρl/S 中，把电阻率ρ视为常数，与材料的几何尺度无关，这是因为通常材料的几何尺度远大于电子的平均自由程（例如铜中电子的平均自由程约34nm ），可以忽略边界效应。当材料的几何尺度小到纳米量级，只有几个原子的厚度时（例如，铜原子的直径约为0.3nm ），电子在边界上的散射几率大大增加，可以明显观察到厚度减小，电阻率增加的现象。 电子除携带电荷外，还具有自旋特性，自旋磁矩有平行或反平行于外磁场两种可能取向。早在1936年，英国物理学家，诺贝尔奖获得者N.F.Mott 指出，在过渡金属中，自旋磁矩与材料的磁场方向平行的电子，所受散射几率远小于自旋磁矩与材料的磁场方向反平行的电子。总电流是两类自旋电流之和;总电阻是两类自旋电流的并联电阻，这就是所谓的两电流模型。 在图2所示的多层膜结构中，无外磁场时，上下两层磁性材料是反平行（反铁磁）耦合的。施加足够强的外磁场后，两层铁磁膜的方向都与外磁场方向一致，外磁场使两层铁磁膜从反平行耦合变成了平行耦合。电流的方向在多数应用中是平行于膜面的。 无外磁场时顶层磁场方向 无外磁场时底层磁场方向 图 2 多层膜GMR 结构图 图3是图2结构的某种GMR 材料的磁阻特性。由图可见，随着外磁场增大，电阻逐渐减小，其间有一段线性区域。当外磁场已使两铁磁膜完全平行耦合后，继续加大磁场，电阻不再减 图3 某种GMR 材料的磁阻特性 磁场强度 / 高斯 电阻 \ 欧姆
金属箔式应变片半桥性能实验报告
南京信息工程大学传感器实验(实习)报告 实验(实习)名称金属箔式应变片半桥性能实验实验(实习)日期12.2得分指导老师 系专业班级姓名学号 实验目的：比较半桥与单臂电桥的不同性能、了解其特点。 实验内容： 基本原理：不同受力方向的两只应变片接入电桥作为邻边，电桥输出灵敏度提高，非线性得到改善。当应变片阻值和应变量相同时，其桥路输出电压U O2＝EKε／2。 需用器件与单元：主机箱、应变式传感器实验模板、托盘、砝码。 实验步骤： 1、将托盘安装到应变传感器的托盘支点上。将实验模板差动放大器调零：用导线将实验模板上的±15v、⊥插口与主机箱电源±15v、⊥分别相连，再将实验模板中的放大器的两输入口短接(V i＝0)；调节放大器的增益电位器R W3大约到中间位置(先逆时针旋到底，再顺时针旋转2圈)；将主机箱电压表的量程切换开关打到2V档，合上主机箱电源开关；调节实 验模板放大器的调零电位器R W4，使电压表显示为零。 图2 应变式传感器半桥接线图 2、拆去放大器输入端口的短接线，根据图2接线。注意R2应和R3受力状态相反，即将传感器中两片受力相反（一片受拉、一片受压）的电阻应变片作为电桥的相邻边。调节实验模板上的桥路平衡电位器R W1，使主机箱电压表显示为零；在应变传感器的托盘上放置一只砝码，读取数显表数值，依次增加砝码和读取相应的数显表值，直到200g（或500 g）砝码加完。记下实验数据填入表2画出实验曲线，计算灵敏度S2＝U／W，非线性误差δ。实验完
毕，关闭电源。 实验结果： 表2 解：S=200/80=2.5 δ=Δm/y FS×100％=1/200x100%=0.5%
传感器实验报告应变片测量
传感器实验报告 一、实验原理 利用电阻式应变片受到外力发生形变之后，金属丝的电阻也随之发生变化。通过测量应变片的电阻变化再反算回去应变片所受到的应变量。利用电桥将电阻变化转化成电压变化进行测量，电桥的输出电压经过应变放大仪之后输出到采集卡，labview 采集程序通过采集卡 读取到应变放大仪的输出。 1 4 电桥输出电压与导体的纵向应变ε之间的关系为： 1 4 v V K ε=??? (1.1) 其中K 为电阻应变片的灵敏系数，V 为供桥电压，v 为电桥输出电压。由上式可知通过测量电桥输出电压再代入电阻应变片的灵敏系数就可以求出导体的纵向应变，即应变片的纵向应变。 二、实验仪器 悬臂梁 一条 应变片 一片 焊盘 两个 502胶水 一瓶 电阻桥盒 一个 BZ2210应变仪 一台 采集卡 一个 电脑 一台 砝码 一盒 三、实验步骤 1、先用砂纸摩擦桥臂至光滑，再用无水乙醇擦拭桥臂； 2、拿出应变片和焊盘，将502胶水滴在应变片及焊盘背面，把其贴在桥臂上，并压紧应变片； 3、使用电烙铁将应变片和焊盘焊接起来，再将焊盘跟桥盒连接起来，这里采用的是1 桥的接法； 4、将桥盒的输出接入到应变放大仪的通道1； 5、应变仪的输出接到采集卡上； 6、运行labview 的采集程序进行测试；
7、改变砝码的重量，从采集程序记录得出的数据。 8、对所得的数据做数据处理。 四、实验数据
五、数据分析 1、线性度分析 取出实验数据的0~250g的部分做线性度分析，数据如表2所示。
对上述数据进行初步分析，第一组跟第三组数据都是呈线性的，而第二组数据在70g-100g 这里却有了0.0013的变化，变化较大，不符合理论值，所以在进行数据分析时排除第二组数据，仅适用第一、第三组数据进行数据分析。对第一、第三组数据使用MATLAB 进行分析，先将两组数据做曲线拟合，得到拟合曲线之后将x 代入拟合曲线中求出对应的值，再把两组数据的端点取出做直线，将两条线相减得到最大差值，分别求出两组数据的最大差值，再代入公式max =100%L FS L Y γ?± ? 求出每组数据的线性度。FS Y 指的是满量程输出，这里取重量为250g 的数据。 具体实现的MATLAB 代码： x=[0 10 20 30 40 50 70 100 120 150 170 200 250]; x0=[0 250]; y01=[2.8646 2.8734]; y03=[2.8736 2.8828]; y1=[2.8646 2.8646 2.8648 2.8652 2.8653 2.8687 2.8662 2.8677 2.8681 2.8696 2.8701 2.8715 2.8734];%第一组数据 y2=[2.8613 2.8615 2.8619 2.8623 2.8625 2.8629 2.8637 2.865 2.8657 2.8668 2.8836 2.8847 2.886];%第二组数据 y3=[2.8736 2.8739 2.8742 2.8745 2.8749 2.8752 2.876 2.8771 2.8778 2.879 2.8798 2.8807 2.8828];%第三组数据 p1=polyfit(x,y1,1); p2=polyfit(x,y2,1); p3=polyfit(x,y3,1); p4=polyfit(x0,y01,1); p5=polyfit(x0,y03,1);
巨磁电阻效应及应用实验
巨磁电阻效应及其应用 2007年诺贝尔物理学奖授予了巨磁电阻( Giant magneto resistance,简称GMR)效应的发现者：法国物理学家阿尔贝·费尔(Albert Fert)和德国物理学家彼得·格伦贝格尔( Peter Grunberg )。诺贝尔奖委员会说明：“这是一次好奇心导致的发现，但其随后的应用却是革命性的，因为它使计算机硬盘的容量从几百、几千兆，一跃而提高几百倍，达到几百G乃至上千G。” 凝聚态物理研究原子，分子在构成物质时的微观结构，它们之间的相互作用力，及其与宏观物理性质之间的联系。 人们早就知道过渡金属铁、钴、镍能够出现铁磁性有序状态。量子力学出现后，德国科学家海森伯(W. Heisenberg，1932年诺贝尔奖得主)明确提出铁磁性有序状态源于铁磁性原子磁矩之间的量子力学交换作用，这个交换作用是短程的，称为直接交换作用。 图 1 反铁磁有序 后来发现很多的过渡金属和稀土金属的化合物具有反铁磁有序状态，即在有序排列的磁材料中，相邻原子因受负的交换作用，自旋为反平行排列，如错误!未找到引用源。所示。则磁矩虽处于有序状态，但总的净磁矩在不受外场作用时仍为零。这种磁有序状态称为反铁磁性。法国科学家奈尔(L. E. F. Neel)因为系统地研究反铁磁性而获1970年诺贝尔奖。在解释反铁磁性时认为，化合物中的氧离子(或其他非金属离子)作为中介，将最近的磁性原子的磁矩耦合起来，这是间接交换作用。另外，在稀土金属中也出现了磁有序，其中原子的固有磁矩来自4f电子壳层。相邻稀土原子的距离远大于4f电子壳层直径，所以稀土金属中的传导电子担当了中介，将相邻的稀土原子磁矩耦合起来，这就是RKKY型间接交换作用。 直接交换作用的特征长度为0.1～0.3nm，间接交换作用可以长达1nm以上。1nm已经是实验室中人工微结构材料可以实现的尺度。1970年美国IBM实验室的江崎和朱兆祥提出了超晶格的概念，所谓的超晶格就是指由两种（或两种以上）组分（或导电类型）不同、厚度d极小的薄层材料交替生长在一起而得到的一种多周期结构材料。由于这种复合材料的周期长度比各薄膜单晶的晶格常数大几倍或更长，因此取得“超晶格”的名称。上世纪八十年代，由于摆脱了以往难以制作高质量的纳米尺度样品的限制，金属超晶格成为研究前沿，凝聚态物理工作者对这类人工材料的磁有序，层间耦合，电子输运等进行了广泛的基础方面的研究。 德国尤利希科研中心的物理学家彼得·格伦贝格尔一直致力于研究铁磁性金属薄膜表面和界面上的磁有序状态。研究对象是一个三明治结构的薄膜，两层厚度约10nm的铁层之间夹有厚度为1nm 的铬层。选择这个材料系统并不是偶然的，首先金属铁和铬是周期表上相近的元素，具有类似的电子壳层，容易实现两者的电子状态匹配。其次，金属铁和铬的晶格对称性和晶格常数相同，它们之间晶格结构也是匹配的，这两类匹配非常有利于基本物理过程的探索。但是，很长时间以来制成的三明治薄膜都是多晶体，格伦贝格尔和很多研究者一样，并没有特别的发现。直到1986年，他采用了分子束外延(MBE)方法制备薄膜，样品成分还是铁-铬-铁三层膜，不过已经是结构完整的单晶。在
应变片实验报告
传感器实验---- 金属箔式应变片：单臂、半桥、全桥比较 【实验目的】 了解金属箔式应变片，单臂单桥的工作原理和工作情况。 验证单臂、半桥、全桥的性能及相互之间关系。 【所需单元及部件】 直流稳压电源、电桥、差动放大器、双孔悬臂梁称重传感器、砝码、一片应变片、电压/频率表、电源, 重物加在短小的圆盘上。 【旋钮初始位置】 直流稳压电源打到±2V挡，电压/频率表打到2V挡，差动放大增益最大。【应变片的工作原理】 当金属丝在外力作用下发生机械变形时，其电阻值将发生变化，这种现象称为金属的电阻应变效应。 设有一根长度为L、截面积为S、电阻率为ρ的金属丝，在未受力时，原始电阻为 （1-1） 当金属电阻丝受到轴向拉力F作用时，将伸长ΔL，横截面积相应减小ΔS，电阻率因晶格变化等因素的影响而改变Δρ，故引起电阻值变化ΔR。对式（1－1）全微分，并用相对变化量来表示，则有:
ρ ρ ?+?-?=?S S L L R R （1-2） 【测量电路】 应变片测量应变是通过敏感栅的电阻相对变化而得到的。通常金属电阻应变片灵敏度系数K 很小，机械应变一般在10×10-6～3000×10-6之间，可见，电阻相对变化是很小的。例如，某传感器弹性元件在额定载荷下产生应变101000?=ε-6，应变片的电阻值为Ω120，灵敏度系数K=2,则电阻的相对变化量为 ??==?10002εK R R 10-6 =0.002，电阻变化率只有0.2%。这样小的电阻变化，用一般测量电阻的仪表很难直接测出来，必须用专门的电路来测量这种微弱的电阻变化。最常用的电路为电桥电路。 （a ）单臂 （b ）半桥 （c ）全桥 图1-1 应变电桥 直流电桥的电压输出 当电桥输出端接有放大器时，由于放大器的输入阻抗很高，所以，可以认为电桥的负载电阻为无穷大，这时电桥以电压的形式输出。输出电压即
应变片实验报告
传感器实验-——- 金属箔式应变片:单臂、半桥、全桥比较 【实验目得】 了解金属箔式应变片，单臂单桥得工作原理与工作情况。 验证单臂、半桥、全桥得性能及相互之间关系。 【所需单元及部件】 直流稳压电源、电桥、差动放大器、双孔悬臂梁称重传感器、砝码、一片应变片、电压/频率表、电源，重物加在短小得圆盘上。 【旋钮初始位置】 直流稳压电源打到±2Ｖ挡,电压/频率表打到2V挡,差动放大增益最大. 【应变片得工作原理】 当金属丝在外力作用下发生机械变形时,其电阻值将发生变化,这种现象称为金属得电阻应变效应。 设有一根长度为Ｌ、截面积为S、电阻率为ρ得金属丝，在未受力时,原始电阻为 (１－1） 当金属电阻丝受到轴向拉力F作用时,将伸长ΔL，横截面积相应减小ΔS,电阻率因晶格变化等因素得影响而改变Δρ，故引起电阻值变化ΔＲ。对式(1-1)全微分,并用相对变化量来表示，则有: (1-2) 【测量电路】 应变片测量应变就是通过敏感栅得电阻相对变化而得到得。通常金属电阻应变片灵敏度系数K 很小,机械应变一般在1０×１0－6～３000×1０－６之间，可见,电阻相对变化就是很小得。例如,某传感器弹性元件在额定载荷下产生应变-6，应变片得电阻值为,灵敏度系数Ｋ=2,则电阻得相对变化量为1０—6=0、００２，电阻变化率只有0、２％。这样小得电阻变化，用一般测量电阻得仪表很难直接测出来,必须用专门得电路来测量这种微弱得电阻变化。最常用得电路为电桥电路。
（a)单臂(b)半桥(ｃ）全桥 图1—1 应变电桥 直流电桥得电压输出 当电桥输出端接有放大器时,由于放大器得输入阻抗很高,所以,可以认为电桥得负载电阻为无穷大，这时电桥以电压得形式输出。输出电压即为电桥输出端得开路电压,其表达式为 (1-3) 设电桥为单臂工作状态，即为应变片,其余桥臂均为固定电阻。当感受应变产生电阻增量时,由初始平衡条件得,代入式(1—3)，则电桥由于产生不平衡引起得输出电压为 （1－４） 对于输出对称电桥，此时,Ｒ′，当臂得电阻产生变化，根据式（1-4)可得到输出电压为 (1—5) 对于电源电桥，，′,当R1臂产生电阻增量时，由式(１-４）得 (１-６) 对于等臂电桥，当得电阻增量时,由式(1—10)可得输出电压为 (１—7) 由上面三种结果可以瞧出，当桥臂应变片得电阻发生变化时,电桥得输出电压也随着变化。当时，电桥得输出电压与应变成线性关系。还可以瞧出,在桥臂电阻产生相同变化得情况下，等臂电桥以及输出对称电桥得输出电压要比电源对称电桥得输出电压大,即它们得灵敏度要高。因此在使用中多采用等臂电桥或输出对称电桥。 在实际使用中,为了进一步提高灵敏度,常采用等臂电桥,四个应变片接成两个差动对称得全桥工作形式,如图１—1所示。 由图１-1可见=R+Ｒ，=R-Ｒ，=R＋R,=R—R,将上述条件代入式(1—４)得 (1—8) 由式(1—8)瞧出,由于充分利用了双差动作用,它得输出电压为单臂工作得４倍，所以大大提高了测量得灵敏度。 实验步骤: 1.了解所需单元、部件在实验仪上得所在位置,观察梁上得应变片，应变片为棕色衬底箔式结构小方薄片。上下二片梁得外表面各贴二片受力应变片。 2．将差动放大器调零：用连线将差动放大器得正(+）、负（－)、地短接。将差动放大器得输出端与电压/频率表得输入插口ｉn相连,电压/频率表放在2V档;开启电源;调节差动放大器得“差动增益”到最大位置,然后调整差动放大器得“差动调零"旋钮使电压/频率表显示为零,关闭电源. 根据图1接线R1、Ｒ2、R3为电桥单元得固定电阻。R x为应变片;将稳压电源得切换开关置±4V 挡，F/V表置2０V挡。开启电源,调节电桥平衡网络中得W D,使F/V表显示为零,等待数分钟后将电压/频率表置2Ｖ挡,再调电桥W D(慢慢地调)，使电压／频率表显示为零。
巨磁阻效应实验报告
巨磁阻效应实验报告 篇一:磁阻效应实验报告 近代物理实验报告 专业2011级应用物理学班级(2) 指导教师彭云雄姓名同组人 实验时间 2013 年 12 月23 日实验地点 K7-108 实验名称磁阻效应实验 一、实验目的 1、 2、 3、 4、测量电磁铁的磁感应强度与励磁电流的关系和电磁铁磁场分布。测量锑化铟传感器的电阻与磁感应强度的关系。作出锑化铟传感器的电阻变化与磁感应强度的关系曲线。对此关系曲线的非线性区域和线性区域分别进行拟合。 二、实验原理 图1磁阻效应原理 1 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2 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。 2 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B，则磁阻传感器的电阻值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。 2设在弱磁场中ΔR/R(0)=KB(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)] 22=R(0)+R(0)KB0COSωt 2 1212R(0)KB0+R(0)KB0COS2ωt (3) 22 1122(3)式中，R(0)+R(0)KB0为不随时间变化的电阻值，而R(0)KB0cos2ωt为以角频22=R(0)+ 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。
磁电阻测量实验报告
竭诚为您提供优质文档/双击可除磁电阻测量实验报告 篇一：巨磁电阻实验报告 实验报告班 姓名张涛学号1003120505指导老师徐富新 实验时间20XX年5月25日，第十三周，星期日 篇二：_磁电阻特性_实验报告 实验8-1Insb磁电阻特性研究 【实验目的】 1、掌握磁感应强度的测量方法； 2、了解磁电阻的一些基本知识； 3、测量和分析Insb材料磁电阻特性；【实验原理】 磁电阻(magnetoResistance，mR)通常定义为 ?RR(0) ? R(b)?R(0) R(0) （8-1-1）
其中：R（0）是零外场下的电阻，R（b）是外场b下的电阻。有时，上式也可以表示为目前，已被研究的磁性材料的磁电阻效应大致包括：由磁场直接引起的磁性材料的正常磁电阻、与技术磁化相联系的各向异性磁电阻、掺杂稀土氧化物中特大磁电阻、磁性多层膜和颗粒膜中特有的巨磁电阻、以及隧道磁电阻等。图8-1-2列出了几种磁电阻阻值R随外磁场μ0h的变化形式。在以上磁电阻效应中，正常磁电阻应用最为普遍。 图8-1-1几种典型的磁电阻效应 正常磁电阻普遍存在于所有磁性与非磁性材料中，其来源于外磁场对载流子的洛仑兹力，它导致载流子运动发生偏转或产生螺旋运动，从而使载流子碰撞几率增加，造成电阻升高，因而，在正常磁电阻中，??//、??T和???均为正，并且有?T??//。正常磁电阻与外场的关系如图8-1-2所示。在特定的温度，随外场的增加，在低场区域，正常磁电阻近似地与外场成平方关系。对于单晶样品，在较高的磁场区域，??//显示了饱和的趋势(曲线 图8-1-2 Ｂ)，而??T和???显示出各向异性，即随外场增加或正 比于(曲线A)或趋于饱和(曲线b)。对于多晶样品，在强场中，正常磁电阻则显示出与外场h的线性关系(曲线c)。正 常磁电阻的各项异性来源于费米面的褶皱。