常用磁场测量方法

实验E—9

集成霍耳传感器测磁场

常用磁场测量方法近代（一）电磁感应法

1831年，法拉第发现电磁感应定律导致此方法产生，至今仍在应用。测量范围：（一）电磁感应法检测线圈平移,翻动冲击检流计法（参见P128)格拉索特磁通计电子磁通计V-F变换磁通计检测线圈旋转,振动（发电机原理法）

1.单线圈旋转

2.单线圈振动

3.双线圈旋转

4.双线圈振动（二）磁通门法

1930年出现利用磁性材料饱和特性的磁通门法，用于探矿，军事，航天等领域，主要测10高斯以下弱磁场。HBT1T2（三）霍耳效应法

1879年，美国霍普金斯大学二年级研究生霍耳发现霍耳效应。IBfLfEbdvUH=RHIB/d-++++++------+fE=eE,fL=eVBRH=±1/ne1959年第一个商品化的霍耳器件问世，1960年就发展成近百种成为通用型的测量仪器，测量范围的恒磁场或高频磁场，误差，尤其适合小间隙空间测量。整数量子霍耳效应

1980年，德国物理学家冯•克利青观察到在超强磁场（18T）和极低温（1.5K）条件下二维电子气系统中横向霍耳电阻随外加磁场变化的曲线上出现一系列量子化平台，同时对应的纵向电阻下降到零的现象。他因此发现获1985年诺贝尔物理学奖。量子霍耳电阻RH=h/ie²(i=1,2,3……）,与样品材料性质无关。分数量子霍耳效应

1982年美籍华裔物理学家崔琦、美籍德裔物理学家施特默在样品纯度更高、磁场更强（20T）和温度更低（0.1K）的极端条件下也观察到横向霍耳电阻呈现量子化平台同时纵向电阻下降到零的现象，但极为不同的是这些平台对应的不是整数值而是分数值。美国物理学家劳夫林研究后指出这是一种新型的物质形态（量子液体其激发态内存在带分数电荷的准粒子）和新的物理机制。三人因此共获1998年诺贝尔物理学奖。量子霍耳电阻RH=h/ve²（v=1/3,2/3,4/3,5/3,1/5,2/5,3/5,4/5,7/5,8/5,2/7,3/7,4/7,5/2…）应用

(1)量子霍耳电阻作为电阻单位欧姆的自然基准。国际计量局（BIPM）在1988年正式将第一阶RH平台的电阻值定义为冯•克利青常数，符号Rk,并规定Rk-90=25812.807作为电阻单位的标准值。

(2)高精度独立测定精细结构常数

测定为=137.0359902(85),不确定度6.2*（四）磁光效应法

1845年，法拉第发现纵向磁致旋光效应（透射法）；此后，1876年克尔发现反射光偏振面旋转即克尔效应（反射法）。（五）磁膜测磁法利用铁磁薄膜的单轴各向异性。

特点：结构简单,低噪声,低功耗。（六）磁共振法

(核磁共振，电子顺磁共振）

1946年布洛赫和柏塞尔同时发明核磁共振技术，因此共获1952年诺贝尔物理学奖。

这种方法测量准确度可达，非常适合磁场的精密测量，广泛应用于生物医学。电子顺磁共振中，因电子的磁旋比比质子的大660倍，可测极微弱的磁场。

（七）光泵法

1897年塞曼发现光线在磁场中分裂的现象（超精细结构）即塞曼效应，洛伦兹用经典电子论作解释，并因此共同获得1902年诺贝尔物理学奖。光泵法基于塞曼效应，它通过光抽运使工作物质基态亚能级原子数反转，光吸收量减少，再用超精细结构能级差的射频场作用于它，使原子数回到原始状态，光吸收量重新增加。测出此时的射频频率可测得磁场。（八）超导量子干涉器件法（SQUID）

1962年，约瑟夫森提出两个弱耦合超导体构成的约瑟夫森结存在超导隧道效应。由于两超导体之间氧化绝缘层极薄（）两侧的超导电子对（库柏对）对势垒的穿透性使得结上无电压降时超导电流仍能无电阻的通过绝缘层，这称为直流约瑟夫森效应。如果超导电流I>Ic,结上出现电压降且相位差随时间变化，说明出现一个交变电流，成为交流约瑟夫森效应。用电感很小的包含两个或一个约瑟夫森结的超导环可制成两种不同的SQUID。SQUID是迄今灵敏度最高的磁场测量仪，分辨力可达T，可用于测量人体心脏和脑活动产生的微小磁场变化。

集成霍耳传感器测磁场（一）了解SS495A集成元件基本性能

1、集成元件引脚：1-V+、2-V-、3-Vout

工作电压：DC4.5-5.5V,功耗：5v*7ma2、输出电压Us与磁感强度B关系式

Us=KsB+2.500(V)表明

a、线性关系.实际线性范围-67—+67mTb、零点电压Uso=2.500(V)c、灵敏度Ks实际Ks=(31.3+1.3)V/T3、测量精度线性误差1%温度误差<0.06%/°C（二）正确安装(接线)、设置(调零和标定或校准)

1、仪器安装(接线)

a、V+:电压源4.8-5.2,V-:接地,Vout:数字电压表+

b、由Us=KsB+2.500及Us-2.500=U=KsB,可设置外补偿电压U/2

和单刀双掷开关k1K1-3:数字电压表—，K1-2:电压源2.4-2.6，k1-1:接地

c、为消除系统误差采用倒向测量取平均。设U1=U+>0，U2=-U+<0,(U1+|U2|)/2=U

设置双刀换向开关K2

换向开关K2（中）：恒流源；换向开关K2（上）：螺线管UsUHK1213+-123V+V-VoutSS495A数字电压表4.8-5.2地2.4-2.6螺线管K2-+恒流源稳压电源

2、传感器调零（令K2断开，Im=0,使B=0)a、调整工作电压（调整4.8—5.2V)B=0,Uso=2.500(V)b、外补偿（调整2.4—2.6V）B=0,Uo=0.0(mV)UsUHK1213+-123V+V-VoutSS495A数字电压表4.8-5.2地2.4-2.6稳压电源螺线管K2-+恒流源

3、传感器标定或校准

线性关系一般可采用两点校准（利用已知准确值）现利用螺线管中心点理论值由实验测量和线性回归处理测定传感器灵敏度Ks,从而完成标定。

Im从0~250mA间隔25mA测一组（Im,Us）

注意：1、传感器置于螺线管中心点

2、若B反向，则Im增加时Us反而减少，此时将K2换向使B恢复正向。（三）传感器使用（测量）

测绘通电螺线管轴线上磁感强度分布曲线B~X图

1、再次调整工作电压和补偿电压，确认K2断开时，

Uso=2.500V,Uo=0.0mV2、合上K2,调整励磁电流Im=200mA3、移动霍尔传感器从X=0.00cm(1.00cm）~30.00cm,

间隔1.00cm,每位置上换向测量各1次，记录U1和

U2(U1>0,U2<0)

注意:测量中随时考察U1与|U2|,发现差值较大时例如>0.5mV

即刻重新检查和调整工作电压和补偿电压使符合要求。数据记录与数据处理（一）最小二乘法（一元线性回归）计算Ks

（二）记录与处理表格（自拟）测定Ks的记录处理表格中要求有

Im,Im²,Us,Us²,ImUs各项及其平均值注意:为准确计算相关系数r,各平均值宜多取几位数字。