数字式弱磁场测量仪的研制及其应用

1、 数字式弱磁场测量仪的研制及其应用吴浚浩韩山师范学院物理与电子工程系521041 1引言在大学物理实验中常需测量1mT 以下 的弱磁场。传统的实验方法是用探测线圈配以指针式交流电压表来进行测量。由于探测线圈体积较大,探测到的磁感应强度是某个区域内的平均值,并且指针式交流电压表一般等级较低,所以测量误差较大。为此本文作者研制了一种高灵敏度数字式毫特仪,供测量02.000m T 范围的弱磁感应强度,其分辨率达0.001mT。该仪器以高灵敏度的95A 型集成线性霍尔传感器为探头,用三位半数字电压表测量传感器输出电压,经定标后可精确测量弱磁场磁感应强度。该仪器探头体积为(2×3×4

2、m m ,易于在磁场中移动、定位,实验表明采用高灵敏度的95A 型集成线性霍尔传感器测量弱磁场比用探测线圈感应法测量准确度高得多,因此,本实验方法在物理实验中是值得推广的新方法之一。2仪器概述2.1弱磁场的测量 霍尔传感器已被广泛应用于较强磁场(0.11T的测量,但在弱磁场的测量上就发生了困难,因为半导体霍尔元件在测量弱磁场时产生霍尔电势差值较小,其值与剩余电压(包括四个副效应产生的电压及不平衡电压量值相近,因此用一般霍尔元件制成高灵敏度毫特仪精确测量10-4T 10-6T 范围弱磁场是有一定困难。2.2集成霍尔传感器新一代的95A 型高灵敏度集成线性霍尔传感器正是满足精确测量弱磁场而研制生产

3、的。该传感器除了在工业、交能、通讯等领域被广泛应用外,现已在大学物理实验教学中得到了应用1。95A 型集成线性霍尔传感器的内部结构、外形和输出特性如图1所示。它由霍尔元件、放大器和薄膜电阻制成的剩余电压补偿器组成。实际测量磁感应强度时输出信号大,且不必考虑剩余电压的影响。电源电压一般为5V ,在磁感应强度为零时,输出电压为2.500V 。当霍尔传感器与磁感应强度B 垂直时,该传感器输出电压U 与磁感应强度B的关系为:其中K 是该传感器的灵敏度为31.25V /T,线性测量范围00.67T 。2.3仪器特点 图195A型集成霍尔传感器内部结构、外形和输出特性 所研制的高灵敏度数字式毫特仪主要由探

4、头、差分放大器、数字式显示器和稳压电源等部分所组成,如图2所示。其中集成霍尔探头、差分放大器和三位半数字显示器由直流稳压电源供电。95A 型集成探头在弱磁场中产生经放大的霍尔电压,此霍尔电压经差分放大器将信号放大后,再由三位半数字面板表以毫特斯拉单位显示。本仪器的独特之处在于探头部分选用了两只配对的灵敏度相同的95A 型集成霍尔传感器,一正一反组合而成,从而获得双倍霍尔电压,使得测量更加准确、稳定、可靠。此外,由于本仪器的高灵敏性,0.001mT 的分辨率已能涉及地磁场(10-2m T ,所以本仪器设置了调零装置,用补偿法消除地磁场和其它杂散信号的影响。3仪器校准方法由于本仪器的探头采用了线性

5、元件,且仪器的量程在探头的线性传输范围之内,放大器已是在线性范围工作,所以本仪器具有良好的线性特征。这样要校准时,只需选取仪器量程中间某点已知磁感应强度值进行定标及零点校准就可。3.1校准根据本仪器的量程及准确度,选用了计算线圈法2进行校准。此法是做一精密长直螺线管,精确测量它的几何尺 寸,其中,真空中的磁导率0=4×10-7,N 为匝数,L 为螺线管长度,D 为直径,I 为通过螺线管的电流,根据公式:计算出该螺线管几何中心处的磁感应强度B ,以此值作为本数字式毫特仪的定标值,调节仪器内部放大器相应电位器,使数码显示为定标值即可。此法的准确度可达10-510-62。3.2校零点方法是

6、保持探头在测量位置不动,移开被测对象或切断被测对象的励磁电源,调节仪器面板上的调零旋钮,使数码示示器示“0.000”,而后移动被测对象至探头位置或接通被测对象励磁电源即可。4数字式毫特仪在物理实验中的应用本仪器可用于大学物理实验课中的“通电螺线管磁场测定”、“圆线圈和亥姆霍兹线圈磁场的测定”以及“地磁场测定”等弱磁场测定实验。以下介绍用本仪器测定亥姆霍兹线圈磁场分布实验。4.1原理及装置载流圆线圈或亥姆霍兹线圈轴线上的磁感应强度可由毕奥-萨伐尔定律及场的叠加原理计算得到,也可用自制高灵敏度数字式毫特仪直接测量。整个装置如图3所示。它由圆线圈和亥姆霍兹线圈实验平台(含线圈、固定夹、直尺、高灵敏度

7、毫特仪和数字式直流恒流电流组成。其中实验平台含有两个可移动的圆线圈(各500匝,其平均半径R =10.00c m ,台面上有相间1.00c m 的均匀刻线;高灵敏度毫特仪如前所述;数字式连续可调直流恒流电源可输出50500mA 电流对一组线圈供电。4.2方法及数据首先使圆线圈同轴,并使探头能在线圈轴线上移动,取左右线圈分别在X=-5.00cm 及X=5.00cm 处(d=R,尔后对左右线圈分别能以100m A 电流,测量轴线上的磁感应强度B a (X 和B b (X ;再将它们同向串接仍通以100m A 的电流,测量轴线上的磁感度强度B a +b (X 。数据见表一。值得注意的是:由于本毫特仪

8、的高灵敏度性,而实验装置台面并非严格水平位置,所以,在每个测量点都必须断电调零,以排除地磁场及杂散场的影响。线圈单独通电时,线圈圆心处磁感应强度的实测值分别为:B a (-5.00=0.316mT,B b (5.00=0.312m T ; 其理论值为:m T图2高灵敏度毫特性简图1.毫特计读数2.电流表读数3.直流电流源输出端4.电流调节旋钮5.调零旋钮6.传感器插头7.固定架8.霍耳传感器图3亥姆霍兹线圈实验装置图 其百分误差都为:0.64%。同样,在线圈轴线上距圆心5c m 处,磁感应强度的实测值分别为:B a (-10.00=0.224m T ,B b(10.00=0.225m T ;其

9、理论值为:其百分误差极小。当两线圈同向串接通电时,从表1中数据项B a (X +B b (X 值与B a +b (X 值可见:在其误差范围内数据相当一致,说明磁场满足迭加原理,并在X =-4.00cm 至X=4.00cm 之间为匀强磁场:在X =0.00c m 处,实验值为B a +b (0=0.450m T ,理论值为B =0.451m T ,相当一表 1亥姆霍兹线圈轴线上磁场分布数据致。当改变两线圈之间的距离d ,使之分别为R /2;2R 时,测得轴线上的磁感应强度变化如图4所示。通过用本高灵敏度数字毫持仪测量圆线圈和亥姆霍兹线圈的磁场,不仅能使学生加深对毕-萨定律的认识、验证磁场迭加原理、学习亥姆霍兹线圈产生均匀磁场的方法及以此计量磁场的方法,而且还能使学生掌握弱磁场的测量原理及如何用集成霍尔传感器测量磁场的方法,5结束浯本仪器研