磁场测量

各向异性磁阻传感器（AMR）与地磁场测量

实验指导书

北京航空航天大学物理实验中心

2013年3月10日

各向异性磁阻传感器与磁场测量

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。

一、实验要求

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。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，

图1 磁阻电桥

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=? 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