FB520型三维亥姆霍兹线圈磁场试验仪说明书

1、用集成霍尔元件测定亥姆霍兹 FB5型三维亥姆霍兹线圈磁场实验仪） 实 义 杭州精科仪器有限公司 用集成霍尔元件测定载流圆线圈与亥姆霍兹线圈磁场 在工业、国防、科研中都需要对磁场进行测量，测量磁场的方法有不少，如冲击电流 计法、霍耳效应法、核磁共振法、天平法、电磁感应法等等，本实验介绍霍尔效应法测磁 场的方法，它具有测量原理简单，测量方法简便及测试灵敏度较高等优点。 【实验目的】 1了解用霍尔效应法测量磁场的原理，掌握FB520型三维亥姆霍兹线圈磁场实验仪的使 用方法。 2. 了解载流圆线圈的轴向磁场和径向磁场分布情况。 3测量载流圆线圈和亥姆霍兹线圈的轴线上的磁场分布。 4.当两平行线圈的间距

2、改变为 d二R / 2和d = 2R时，测定其轴线上的磁场分布。 【实验原理】 1.载流圆线圈与亥姆霍兹线圈的磁场 1）载流圆线圈磁场 根据毕奥-萨伐尔定律一半径为 R，通以直流电流I的圆线圈，其轴线上离圆线圈中 心距离为X米处的磁感应强度的表达式为 ： 2 o * No * I *R B 2（R2 +X2）3/2 式中N 0为圆线圈的匝数，X为轴上某一点到圆心 磁场的分布图如图1所示，是一条单峰的关于 （2）亥姆霍兹线圈 (1) O的距离，=4 二 10H/m, Y轴对称的曲线。 A B 匀强磁场 O X 图丄载铳圆线圈的磁场分布 ox 图2亥姆霍兹线圏的磁场分布 通以同方向电流I，线圈间距

3、等于线圈半径（即 （理论计算也可以证明）：两线圈合磁场在 O点的距离，则该点的磁 由该公式推论，当 Z R 2 R2 =0时，即亥姆霍兹线圈中心轴中心点 R2 O的磁感应强度为: (2) 两个完全相同的圆线圈彼此平行且共轴， d =R）时，从磁感应强度分布曲线可以看出， 中心轴线上（两线圈圆心连线）附近较大范围内是均匀的，这样的一对线圈称为亥姆霍兹 线圈，如图2所示。从分布曲线可以看出，在两线圈中心连线一段，出现一个平台，这说 明该处是匀强磁场。 根据霍尔效应可以知道，当霍尔探头放入磁场中时，由于运动电荷受到洛伦兹力作 用，电流方向会发生偏离，在某两个端面之间产生的电势差，通过电势差的大小就可

4、以测 量磁场的大小。当亥姆霍兹线圈两线圈通有方向一致的电流时，两线圈形成的磁场方向也 一致，两线圈之间就形成均匀磁场，霍尔探头在该区域运动时其测量的数值几乎不变。当 然两线圈通上相反方向电流，则其间的磁场可以互相抵消为零。 如果Z是亥姆霍兹线圈中心轴线上离中心 由理论计算可知， 感应强度： N -I 8 (3) =A 0R532 图3是亥姆霍兹线圈两线圈间隔距离等于R/2, R, 2R时线圈中心轴线上的磁感应强度 的分布特性曲线，从图中可以看出几种特性曲线的不同特点。 20 2 -10 -8-6-4-2024681012 X(ca) 图$亥姆霍兹线圏间距改变时，磷场分布曲线 【实验仪器】 FB

5、520型三维亥姆霍兹线圈磁场实验仪 。 一. FB520三维线圈磁场实验信号源 仪器背部为FB520交流电源插座和电源开关，以及配 实验仪测试架的专用插座。仪器主机见图4 FB520三维亥姆霍兹线圈磁场 图4 FBP0型三维亥姆霍兹线圈磁场实验仪实物片 1 励磁电流I M输出：直流0 0.500A恒流输出连续可调，接到测试架的励磁线圈，提 供实验用的励磁电流。励磁电流 |M输出端连接到测试架线圈时，可以选择接单个线圈或 双线圈。接双线圈时，将两线圈串联，即一个线圈的黑接线柱与另一线圈的红接线柱相连。 另外两端子接至实验仪的 IM端。 2 由集成霍尔元件构成的微特斯拉计：每台仪器在出厂时，工作电

6、流Is及集成霍尔元件 输出信号放大器都已配套调节好，只要用专用四芯连接线把实验仪与测试架连接。测量磁 感应强度B可直接读数。使用前，在仪器位置方向确定后，在励磁电流为零时，用调零旋 钮调零。以消除地磁场及实验环境周围的杂散磁场对实验的影响。（提醒：集成霍尔元件 工作电流出厂时已配对调好，如果把实验仪与测试架互换，将造成测试数据不准，甚至出 现无法调零的情况，这时只要注意按仪器上的编号更正即可）。 3换向开关：用于改变磁场线圈励磁电流 |M的方向。 二. FB520三维亥姆霍兹线圈磁场测试架（本测试架的特点是实现三维可靠调节） 1亥姆霍兹线圈： 如图5所示，两个圆线圈（1）、（2）安装于底板（3

7、） 上，其中圆线圈（1）为固定线圈， 圆线圈（2）可以沿底板移动，从而调节两线圈的间距，移动范围为：d =50 200mm , 操作时，只需松开圆线圈（2）底座上的紧固螺钉，就可以用双手均匀地移动圆线圈（2）, 从而改变两个圆线圈的间距，实验架上设有R, 2R, R/2等位置标志，移到所需的位置 后，再拧紧紧固螺钉。励磁电流通过圆线圈后面的插孔接入，可以做单个线圈或双线圈的 磁场分布。 2.三维可移动装置： 见图5，滑块（10）可以沿导轨（5）左右移动，配合铜杆（8）的位置调节，可以改变集 成霍尔元件（4） X方向的位置坐标，移动距离：一 200mm。移动时，用力要轻，速度 不可过快，如果滑块

8、移动时阻力太大或太松，则应适当调节滑块上的螺钉（9）的松紧度； 左右（即X方向）移动不能影响前后方向即Y方向位置；必要时，可以锁紧导轨（5）右 端的紧定螺钉（13）,防止Y方向位置发生改变。沿 Y方向轻推滑块（10）,让导轨（5） 沿导轨（6）均匀移动，可使集成霍尔元件 Y方向的位置坐标变化，移动距离：_80mm ； 这时，导轨（5）右端的紧定螺钉（13）应处于松开状态。注意：这时不可左右方向用力， 以免改变集成霍尔元件 X方向的位置。 松开紧固螺钉（12）,铜杆（8）可以沿导轨（7） 上下移动，移到所需的位置后，再拧紧紧固螺钉（12）,用于改变霍尔元件 Z方向的位置 坐标，移动距离：_80m

9、m。在进行X方向位置移动时，一般将 Z方向标尺置于0点，这 样保证集成霍尔元件正处于线圈中心轴线上。实验装置在X,Y,Z方向均配有位置标尺， 是三维磁场测量系统，可以方便地测量空间磁场的三维坐标。 3. 集成霍尔元件： 装置采用优质95A集成霍尔元件，特点是灵敏度高，温度漂移小，作为微特斯拉计的 传感器是非常好的选择。可以对三维磁场分布进行准确测量。集成霍尔元件（4）安装于 铜管（8）的左前端，导线从铜管中引出，连接到测试架后面板上的专用插座。 改变圆线圈（2）的位置进行磁场分布测量实验时， 为了读数方便，应该改变铜管（8） 的位置。松开紧固螺钉（11）,移动铜管至R, 2R, R/2的位置，

10、对应于圆线圈（2）在 R, 2R, R/2的位置，这样做的优点是移动滑块（ 10）时，X方向的读数是以0位置为 对称的。如果不改变铜管（8）的位置，则应对 X方向位置读数进行修正。 【实验内容】 1测量单个载流圆线圈（1）轴线上（X方向）磁场B1的分布： 用连接线将励磁电流Im输出端连接到圆线圈（1）,霍尔传感器探头的信号线连接到测 试架后面板的专用四芯插座。紧固滑块（10）,再拧紧紧固螺钉（12）。 开机前，预热10分钟，调节FB520型霍尔法亥姆霍兹线圈磁场实验仪的电流调节， 使励磁电流Im =0.000A,在线圈磁场强度等于零的条件下，把特斯拉计调零（目的是消 除地磁场和其他环境杂散干扰

11、磁场以及不平衡电势的影响），这样特斯拉计就校准好了。 （注意：如果测量过程中改变了测试架位置方向，需重复调零步骤。） 调节励磁电流lM =0.500A，移动X方向导轨滑块（10）,以10mm为间隔距离测量 单个线圈通电时轴线上各点的磁感应强度，将数据记录在表1,即圆线圈轴线上 B的分布 图，并绘出B1 X曲线。 表 1 B1 X 关系 （lM = 0.500A ） 载流圆线圈（1）轴线上磁场分布的数据记录（坐标原点设在圆线圈中心） 轴向距离 X （mm） 磁感应强度 B 实（mT） 相对误差 % -200 -50 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 50 200 2测量

12、单个载流圆线圈 2轴线上（X方向）磁场B2的分布： 表 2 B2 X 关系 （L = ： 0.500A ） 载流圆线圈（1）轴线上磁场分布的数据记录（坐标原点设在圆线圈中心） 轴向距离 X （mm） 磁感应强度 B 实（mT） 相对误差 % -200 -50 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 50 200 （1）先松开线圈（2）的固定螺丝，把两线圈的距离调节到 d = R =100mm，组成亥姆霍 兹线圈。要达到这样的设置只需要将铜管位置到 R处，Y方向导轨（5），Z方向导轨（7） 都置于（0），固定螺丝，这样就可以将霍尔位于亥姆霍兹线圈的轴线上。 （2）将线圈（1）

13、，（2）同向串联，并通入励磁电流|M。 （3）与前相同，开机前预热10分钟，调节FB520型亥姆霍兹线圈磁场实验仪的电流调节， 使励磁电流IM = 0.000A ,在线圈磁场强度等于零的条件下，把特斯拉计调零。 调节励磁电流Im =0.5A，移动X方向导轨，以10mm为间隔距离测量通电亥姆霍兹 线圈轴线上磁感应强度。记录数据填入表3,并绘出Br X曲线。 表 3 BR X 关系 （lM 二 _0.500A） 载流圆线圈（1）轴线上磁场分布的数据记录（坐标原点设在圆线圈中心） 轴向距离 X （mm） 磁感应强度 B 实（mT） 相对误差 % -200 -50 -40 -30 -20 -10 0

14、10 20 30 40 50 200 4.比较与验证磁场叠加原理: 将表1和表2中的磁场强度B1, B2数据按X方向的坐标位置相加，得到B1 B2，将 B1, B2数据及B1 B2数据绘制在一起并与表 3的Br数据比较。 （注：以下内容选做）： *5 .测量两线圈不同距离时两线圈轴线上各点的磁感应强度： （1）移动载流圆线圈（2）到载流圆线圈（1）距离为50mm即d二R/2的地方，铜管位置也 到R/2处，重复前叙内容，并绘出 Br X曲线。表格自拟。 /2 （2）移动载流圆线圈（2）到载流圆线圈（1）距离为200mm即d =2R地方，铜管位置也到 便2R处，重复前叙内容，并绘出B2R X曲线。

15、表格自拟。 将一起绘出Br X图，B2R X图和Br X图，并进行比较，分析总结出通电 线圈轴线上各点的磁感应强度的分布规律。 *6 测量亥姆霍兹线圈 Y方向上磁感应强度的分布： 移动载流圆线圈（2）与载流圆线圈（1）距离为100mm，铜管位置到 R 处，X向导 轨（10）, Z向导轨（7），均置零。调节励磁电流 g =0.5A，移动Y方向导轨，以每 10mm为间隔距离测量一个数据，方法与前类似，绘出B Y曲线。表格自拟。 *7 测量亥姆霍兹线圈 Z方向上磁感应强度的分布： 线圈，线圈（1）的距离，铜管位置均不变，X方向导轨（10）, Z方向导轨（5）, 均置零。调节励磁电流，lM =0.5A

16、，移动Z方向导轨，以每10mm为间隔距离测量 一个数据，方法与前类似，绘出B Z曲线。表格自拟。 *8 测量亥姆霍兹线圈任意位置上磁感应强度的分布： 根据前叙内容，测量线圈 ，线圈的不同距离，任意点的磁感应强度，需要相应调 节X, Y, Z方向的导轨，置集成霍尔传感器于所需要测量的位置上。 【附录】 FB520型三维亥姆霍兹线圈磁场实验仪使用说明书 一.用途及特点： 1. 用途： FB520型三维亥姆霍兹线圈磁场测量实验仪设计有连续可调稳压、恒流电源。磁场 测定探头采用高灵敏度 95A型集成霍尔传感器，该仪器可用于研究载流圆线圈磁场分布、 亥姆霍兹线圈磁场分布。 FB520型三维磁场实验仪由二

17、部分组成：（1）磁场实验仪，（2）磁场测试架。 2. 特点： （1）霍尔传感器位置可做 X,Y,Z三维移动，从而对亥姆霍兹线圈三维磁场分布情况进行测 量和分析研究。 （2）励磁电源可以提供连续可调的励磁电流，并用数字式电流表精确指示。 （3）两个圆线圈，按设计要求，右边一个为固定线圈，左边一个线圈可以沿导轨平移，以 实现改变线圈间距，满足实验需要。例如使间距分别为：d=R, d=R/2及d=2R等。 （4）采用高灵敏度95A型集成霍尔传感器作为磁场探头（注意：微特斯拉计的探头每一台都 是专配的，需按编号配套使用，不得互换，否则将不能保证测量数据的准确性）。 (5) 微特斯拉计设计有补偿电路，用

18、以消除地磁场及环境杂散磁场对磁场实验产生的干扰。 (注：仪器位置改变时，地磁场对探头影响发生变化，应重新对微特斯拉计进行调零)。 二主要性能指标： 1稳压恒流源输出电流：单个圆线圈可达0 0.900A，两个圆线圈串联时大于 0.400A 且连续可调。 2 磁场测试架机械结构：其中左边的一个线圈的位置可以调节，可满足实验中改变线圈 间距的需要：在d=R、d=R/2、d =2R等特定位置，测试架和导轨上均刻有标志线， 可以方便地确定线圈位置。 3 测试传感器调节范围： 轴向：_ 20.0cm 径向：水平方向 二8.0cm，垂直方向 二8.0cm 4圆线圈参数： 线圈平均半径 R= 0.100m，单

19、只匝数：400匝；允许最大励磁电流：1000mA 5. 95A集成霍尔传感器： 线性测量范围：-67mT 67mT，工作电压DC4.5 5.5V。 灵敏度：(31.3_1.3)V/T，线性误差1%，温度误差：:：0.06% / C 6 微特斯拉计显示精度：- 2T，分辨率：1lT 7 电流表显示精度：_2mA &仪器的工作环境：大气压强为：86 106kPa ,环境温度：0 40 C ,相对湿度： 2580% 9外形尺寸(长x宽x高)： FB520型三维亥姆霍兹线圈磁场实验仪：320 260 120mm FB520型三维亥姆霍兹线圈磁场实验仪测试架：800 275 270mm 三仪器结构： 仪器由FB520型三维亥姆霍兹线圈磁场实验仪和测试架两部分组成。参见图4、图5。 1 FB520型霍尔法亥姆霍兹线圈磁场实验仪： (1) 由连续可调式直流励磁恒流源，用数字式电流表指示励磁电流，用钮子式双刀双掷开 关改变励磁电流的方向。 (2) 提供95A型集成霍尔传感器工作电源，接收传感器信号加以放大处理，对地磁场及