磁阻效應(yīng)法測(cè)量磁場(chǎng)

1、實(shí)驗(yàn)64 磁阻效應(yīng)及磁阻效應(yīng)法測(cè)量磁場(chǎng)磁阻器件由于其靈敏度高、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)在工業(yè)、交通、儀器儀表、醫(yī)療器械、探礦等領(lǐng)域應(yīng)用十分廣泛，如：數(shù)字式羅盤(pán)、交通車(chē)輛檢測(cè)、導(dǎo)航系統(tǒng)、偽鈔檢別、位置測(cè)量等探測(cè)器。磁阻器件品種較多，可分為正常磁電阻，各向異性磁電阻，特大磁電阻，巨磁電阻和隧道磁電阻等。其中正常磁電阻的應(yīng)用十分普遍。銻化銦（InSb）傳感器是一種價(jià)格低廉、靈敏度高的正常磁電阻，有著十分重要的應(yīng)用價(jià)值。它可用于制造在磁場(chǎng)微小變化時(shí)測(cè)量多種物理量的傳感器。本實(shí)驗(yàn)使用兩種材料的傳感器：砷化鎵（GaAs）測(cè)量磁感應(yīng)強(qiáng)度和研究銻化銦（InSb）在磁感應(yīng)強(qiáng)度變化時(shí)的電阻，融合霍爾效應(yīng)和磁阻效應(yīng)兩種物

2、理現(xiàn)象。【實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?了解磁阻現(xiàn)象與霍爾效應(yīng)的關(guān)系與區(qū)別；2測(cè)量銻化銦傳感器的電阻與磁感應(yīng)強(qiáng)度的關(guān)系；3作出銻化銦傳感器的電阻變化與磁感應(yīng)強(qiáng)度的關(guān)系曲線(xiàn)；【實(shí)驗(yàn)儀器】磁阻效應(yīng)實(shí)驗(yàn)儀【實(shí)驗(yàn)原理】在一定條件下，導(dǎo)電材料的電阻值R隨磁感應(yīng)強(qiáng)度B的變化規(guī)律稱(chēng)為磁阻效應(yīng)。圖1 磁阻效應(yīng)如圖1所示，當(dāng)材料處于磁場(chǎng)中時(shí)，導(dǎo)體或半導(dǎo)體內(nèi)的載流子將受洛侖茲力的作用發(fā)生偏轉(zhuǎn)，在兩端產(chǎn)生積聚電荷并產(chǎn)生霍爾電場(chǎng)。如霍爾電場(chǎng)作用和某一速度的載流子的洛侖茲力作用剛好抵消，那么小于或大于該速度的載流子將發(fā)生偏轉(zhuǎn)，因而沿外加電場(chǎng)方向運(yùn)動(dòng)的載流子數(shù)目將減少，電阻增大，表現(xiàn)出橫向磁阻效應(yīng)。如果將圖1 中a、b端短接，霍爾電場(chǎng)將不

3、存在，所有電子將向a端偏轉(zhuǎn)，磁阻效應(yīng)更明顯。通常以電阻率的相對(duì)改變量來(lái)表示磁阻的大小，即用/(0)表示，其中(0)為零磁場(chǎng)時(shí)的電阻率，設(shè)磁電阻阻值在磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的磁場(chǎng)中電阻率為(B)，則=(B)(0), 由于磁阻傳感器電阻的相對(duì)變化率R/R(0)正比于/(0), 這里R =R(B) R(0)，因此也可以用磁阻傳感器電阻的相對(duì)改變量R/R(0)來(lái)表示磁阻效應(yīng)的大小。實(shí)驗(yàn)證明，當(dāng)金屬或半導(dǎo)體處于較弱磁場(chǎng)中時(shí)，一般磁阻傳感器電阻相對(duì)變化率R/R（0）正比于磁感應(yīng)強(qiáng)度B的平方，而在強(qiáng)磁場(chǎng)中R/R（0）與磁感應(yīng)強(qiáng)度B呈線(xiàn)性函數(shù)關(guān)系。磁阻傳感器的上述特性在物理學(xué)和電子學(xué)方面有著重要應(yīng)用。如果半導(dǎo)體材料磁

4、阻傳感器處于角頻率為的弱正弦波交流磁場(chǎng)中，由于磁電阻相對(duì)變化量R/R（0）正比于B2，那么磁阻傳感器的電阻R將隨角頻率2作周期性變化。即在弱正弦波交流磁場(chǎng)中磁阻傳感器具有交流電倍頻性能。若外界交流磁場(chǎng)的磁感強(qiáng)度B為 （1）式中，為磁感應(yīng)強(qiáng)度的振幅，為角頻率,t為時(shí)間。設(shè)在弱磁場(chǎng)中， （2）（2）式中，k為常量。假設(shè)電流恒定為，由（1）式和（2）式可得（3）（3）式中，為不隨時(shí)間變化的電阻值，而為以角頻率2作余弦變化的電阻值。因此，磁阻傳感器的電阻值在弱正弦波交流磁場(chǎng)中，將產(chǎn)生倍頻交流電阻值變化。由（3）式可知磁阻上的分壓為振蕩頻率兩倍的交流電壓和一直流電壓的疊加。 （4）儀器介紹圖2 磁阻效應(yīng)

5、實(shí)驗(yàn)儀面板圖 儀器的面板結(jié)構(gòu)是圖2,與實(shí)驗(yàn)儀的聯(lián)接是圖3圖3 磁阻效應(yīng)實(shí)驗(yàn)儀連接圖IM勵(lì)磁電流：01000mA連續(xù)可調(diào)；霍爾、磁阻傳感器工作電流I1(I2)05mA ；水平位移范圍±20mm；霍爾元件的靈敏度k=177mV/mA·T；【實(shí)驗(yàn)內(nèi)容】1測(cè)定勵(lì)磁電流和磁感應(yīng)強(qiáng)度的關(guān)系:測(cè)量勵(lì)磁電流IM與UH的關(guān)系。（測(cè)量電磁鐵的磁化曲線(xiàn)）按圖2面板圖，把各相應(yīng)連接線(xiàn)接好（為了避免把電磁鐵的勵(lì)磁電流錯(cuò)接到霍爾元件上,儀器設(shè)計(jì)時(shí),特地用四芯插座和專(zhuān)用電纜連接勵(lì)磁電流和勵(lì)磁線(xiàn)圈。）測(cè)試開(kāi)始時(shí)，可調(diào)節(jié)IM=0mA，處于零磁場(chǎng)狀態(tài)，調(diào)節(jié)左邊霍爾傳感器位置，使霍爾傳感器在電磁鐵氣隙最外邊，離

6、氣隙中心約20mm。調(diào)霍爾工作電流IH=5.00mA，預(yù)熱分鐘后，測(cè)量霍爾傳感器的不等位電壓U01.8mV。然后調(diào)節(jié)左邊霍爾傳感器位置，使傳感器印板上0刻度對(duì)準(zhǔn)電磁鐵上中間基準(zhǔn)線(xiàn)，面板上繼電器控制按鈕開(kāi)關(guān)K1和K2均按下。調(diào)勵(lì)磁電流IM為0、100、200、300、400、 。1000mA。記錄對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)并繪制電磁鐵BIM關(guān)系磁化曲線(xiàn)。由霍爾元件的原理可知，磁場(chǎng)B的計(jì)算公式是：。2 測(cè)量電磁鐵氣隙磁場(chǎng)沿水平方向的分布: 調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流IM=500mA ，IH=5.00mA時(shí)，測(cè)量霍爾輸出電壓VH與水平位置X的關(guān)系。根據(jù)中數(shù)據(jù)作BX關(guān)系曲線(xiàn)3測(cè)量磁感應(yīng)強(qiáng)度和磁阻變化的關(guān)系:（1）調(diào)節(jié)傳感器位置，使傳感器印刷板上0刻度對(duì)準(zhǔn)電磁鐵上中間基準(zhǔn)線(xiàn)，把勵(lì)磁電流先調(diào)節(jié)為0，釋放K1、K2 ，按下K3 ，K4打向上方。在無(wú)磁場(chǎng)的情況下，調(diào)節(jié)磁阻工作電流I2，使儀器數(shù)字式毫伏表顯示電壓U2=800.0mV，記錄此時(shí)的I2數(shù)值，此時(shí)按下K1、K2 ，記錄霍爾輸出電壓VH，改變K4方向再測(cè)一次VH值，依次記錄數(shù)據(jù)。各開(kāi)關(guān)回復(fù)原狀；（2）按上述步驟，逐步增加勵(lì)磁電流，改變I2，在基本保持U2=800.0mV不變的情況下，重復(fù)以上過(guò)程，將數(shù)據(jù)記錄到自擬的表格中，根據(jù)數(shù)據(jù)作關(guān)系曲線(xiàn)。（3）觀(guān)察并分析曲線(xiàn)中描述變量間的函數(shù)關(guān)系，分段研究非線(xiàn)性與線(xiàn)性區(qū)域的函數(shù)關(guān)系，用