地磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)中測(cè)量裝置的改進(jìn)

毛忠泉，聶 丹

(華南理工大學(xué) 物理與光電學(xué)院，廣東 廣州 510640)

地磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)中測(cè)量裝置的改進(jìn)

毛忠泉，聶 丹

(華南理工大學(xué) 物理與光電學(xué)院，廣東 廣州 510640)

基于磁阻傳感器的地磁場(chǎng)測(cè)量實(shí)驗(yàn)中,磁阻傳感器芯片所在轉(zhuǎn)盤的可調(diào)自由度較低，在測(cè)量地磁場(chǎng)總量和磁傾角時(shí)會(huì)出現(xiàn)較大誤差，且操作較復(fù)雜. 為此把原裝置的單環(huán)轉(zhuǎn)盤改良為三環(huán)轉(zhuǎn)盤，改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)裝置可以直接測(cè)量地磁場(chǎng)的大小和磁傾角，并有效地降低實(shí)驗(yàn)誤差，同時(shí)能更直觀地展示地磁場(chǎng)矢量和地磁子午面之間的幾何位置關(guān)系.

地磁場(chǎng)；磁傾角；磁阻；子午面；單環(huán)轉(zhuǎn)盤；三環(huán)轉(zhuǎn)盤

地磁場(chǎng)是地球及其周圍空間存在的天然磁場(chǎng). 地磁場(chǎng)的分布類似于磁偶極子所形成的磁場(chǎng)分布，地磁的南極和北極分別對(duì)應(yīng)于地理的北極和南極，磁軸與地球自轉(zhuǎn)軸夾角約為11.5°. 地磁場(chǎng)的強(qiáng)度非常小，約為10-5T量級(jí). 地磁場(chǎng)在軍事、航天、航海和地震預(yù)測(cè)等科研領(lǐng)域中有重要的應(yīng)用. 地磁場(chǎng)測(cè)量方法有多種，如光磁共振法、磁聚焦法、磁旋光成像法、正切電流計(jì)法和磁阻傳感器測(cè)量方法等[1-6]，其中磁阻傳感器測(cè)量方法的測(cè)量裝置簡(jiǎn)單，操作簡(jiǎn)便，拓展性強(qiáng)，是目前大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中最常用測(cè)量方法[7-10]. 但是，實(shí)驗(yàn)教學(xué)儀器主要采用單環(huán)轉(zhuǎn)盤結(jié)構(gòu)，在直接測(cè)量地磁場(chǎng)總強(qiáng)度和磁傾角實(shí)驗(yàn)中容易引入較大誤差，也不利于學(xué)生觀察地磁子午面. 本文介紹一種改進(jìn)該實(shí)驗(yàn)裝置的簡(jiǎn)單方法，通過(guò)把原來(lái)的單環(huán)轉(zhuǎn)盤改進(jìn)為三環(huán)轉(zhuǎn)盤后，可直接測(cè)量地磁場(chǎng)的大小和磁傾角，并能有效地降低實(shí)驗(yàn)誤差.

1 實(shí)驗(yàn)原理

地磁場(chǎng)矢量B在水平地面上的分量為B∥，指向地心的垂直分量為B⊥，B∥與B所在平面為地磁子午面，B∥與B的夾角為磁傾角β. 在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中要求測(cè)量出B和β. 磁阻傳感器測(cè)量方法是利用磁阻電橋芯片來(lái)測(cè)量磁場(chǎng)的大小和方向. 磁阻電橋的4個(gè)橋臂為波莫合金薄膜制備的各向異性磁電阻[7]，其輸出電壓Uout與芯片平面的磁場(chǎng)大小B的關(guān)系為

Uout=U0+KBcosθ,

(1)

其中，U0是與磁場(chǎng)無(wú)關(guān)的電壓輸出，K為電橋的靈敏度，θ為電橋芯片的引腳方向與磁場(chǎng)方向的夾角. 由(1)式可見，當(dāng)電橋芯片的引腳方向與磁場(chǎng)方向平行時(shí)，輸出電壓最大，設(shè)為Umax；當(dāng)電橋芯片的引腳方向與磁場(chǎng)方向反平行時(shí)，輸出電壓最小，設(shè)為Umin. 于是，磁場(chǎng)的大小可表示成：

B=(Umax-Umin)/2K,

(2)

由此可見，只要在水平地面或地磁子午面轉(zhuǎn)動(dòng)電橋芯片，分別測(cè)出Umax和Umin，即可得到B∥或B的值，通過(guò)測(cè)量在地磁子午面中轉(zhuǎn)過(guò)的角度即可得到β.

2 實(shí)驗(yàn)裝置及改進(jìn)方案

2.1 現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)裝置及實(shí)驗(yàn)方案

目前大部分高校的地磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)裝置為上海復(fù)旦天欣科教儀器有限公司的磁阻效應(yīng)地磁場(chǎng)測(cè)試儀，其裝備了HMC1021Z磁阻電橋芯片. 測(cè)試儀由亥姆赫茲線圈和固定了芯片的轉(zhuǎn)盤構(gòu)成，其中轉(zhuǎn)盤只有水平和垂直2種位置，可調(diào)自由度較低，如圖1(a)～(b)所示. 測(cè)量磁場(chǎng)前，需先通過(guò)亥姆赫茲線圈測(cè)出芯片的靈敏度K[7-8]. 地磁場(chǎng)的測(cè)量則主要有3種方案：

1)在水平面轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)盤，測(cè)出Umax和Umin，通過(guò)(2)式求出水平分量B∥[圖1(a)]. 調(diào)整轉(zhuǎn)盤為鉛直，同時(shí)把芯片引腳方向調(diào)節(jié)到鉛直，測(cè)出垂直分量B⊥.B和β由B⊥與B∥合成求出[7].

2)建立直角坐標(biāo)系，分別測(cè)出Bx，By，Bz，最后通過(guò)矢量合成求出B和β[9].

3)把轉(zhuǎn)盤調(diào)整成鉛直，并轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)盤使芯片引腳的方向水平；然后在水平面上轉(zhuǎn)動(dòng)整個(gè)實(shí)驗(yàn)儀，直到輸出電壓為最大(或最小)，此時(shí)轉(zhuǎn)盤平面便是地磁子午面，最后在地磁子午面上轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)盤，電壓輸出最大值時(shí)，引腳方向便是地磁場(chǎng)的方向[圖1(b)],通過(guò)(2)式可求得其大小[7-8].

圖1 改進(jìn)前后的地磁場(chǎng)測(cè)量?jī)x示意圖(黃色箭頭代表引腳方向)

前2種方案的缺點(diǎn)是間接測(cè)量地磁場(chǎng)總強(qiáng)度，不直接涉及地磁子午面，導(dǎo)致學(xué)生不理解地磁子午面. 第3種方案雖然引入了子午面，但是由于不能保證實(shí)驗(yàn)桌面處處水平，轉(zhuǎn)動(dòng)整個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置引入很大的誤差，影響實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度.

2.2 改進(jìn)實(shí)驗(yàn)裝置及實(shí)驗(yàn)方案

為了克服上述問題，本文提出改進(jìn)方案，只需要對(duì)轉(zhuǎn)盤做簡(jiǎn)單地改良即可. 如圖1(c)所示，把原來(lái)的單環(huán)轉(zhuǎn)盤結(jié)構(gòu)改成三環(huán)轉(zhuǎn)盤結(jié)構(gòu). 鋼環(huán)I起支撐作用，固定在支架上；鋼環(huán)Ⅱ可在鋼環(huán)Ⅰ的平面上轉(zhuǎn)動(dòng)；鋼環(huán)Ⅲ為刻度盤，通過(guò)轉(zhuǎn)軸A與鋼環(huán)Ⅱ相連，可繞轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，如圖1(d)所示；HMC1021Z芯片固定在中心盤Ⅳ的中心，中心盤Ⅳ可在鋼環(huán)Ⅲ的平面內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng). 各鋼環(huán)、中心盤間通過(guò)鎖止螺釘和轉(zhuǎn)動(dòng)旋鈕調(diào)節(jié)相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng).

改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)裝置可操作性更強(qiáng)，可勝任更多的測(cè)試功能. 以下是常用的實(shí)驗(yàn)測(cè)量方案：

1)測(cè)量靈敏度K. 調(diào)整鋼環(huán)Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ和中心盤在同一個(gè)水平面內(nèi)，轉(zhuǎn)動(dòng)中心盤使芯片引腳與轉(zhuǎn)軸A重合；轉(zhuǎn)動(dòng)鋼環(huán)Ⅱ使芯片引腳與亥姆赫茲線圈中心軸重合. 測(cè)出輸出電壓與勵(lì)磁電流的關(guān)系，從而計(jì)算出K.

2)測(cè)量水平分量B∥. 在水平面內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)鋼環(huán)Ⅱ[從而帶動(dòng)鋼環(huán)Ⅲ和中心盤，如圖1(c)所示]，測(cè)量出輸出電壓的最值，從而計(jì)算出B∥.

3)測(cè)量總強(qiáng)度B和磁傾角β. 在水平面內(nèi)找到輸出電壓的最大值后，鎖緊鋼環(huán)Ⅰ和Ⅱ之間的螺釘，調(diào)節(jié)鋼環(huán)Ⅲ(帶動(dòng)中心盤)與水平面垂直. 此時(shí)，鋼環(huán)Ⅲ與中心盤所在平面為地磁子午面，如圖1(d)所示. 在地磁子午面上轉(zhuǎn)動(dòng)中心盤到電壓輸出的最大值位置，此時(shí)引腳所指方向?yàn)榈卮艌?chǎng)矢量的方向，從鋼環(huán)Ⅲ的刻度上可直接讀出磁傾角β. 根據(jù)輸出電壓的最值可算出B.

4)測(cè)量垂直分量B⊥. 只需要調(diào)節(jié)中心盤使芯片引腳沿鉛直方向，測(cè)出相應(yīng)的輸出電壓即可算出B⊥.

2.3 測(cè)試結(jié)果

用同一塊K=52.6 V/T的HMC1021Z芯片分別安裝在改進(jìn)前和改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)儀中，測(cè)量了華南理工大學(xué)五山校區(qū)實(shí)驗(yàn)樓的地磁場(chǎng)的水平分量和總量. 圖2為30次等精度測(cè)量的結(jié)果. 由圖2可見，對(duì)于水平分量，改進(jìn)前和改進(jìn)后的測(cè)試結(jié)果基本一致. 但是，對(duì)于總磁場(chǎng)，改進(jìn)前測(cè)量的數(shù)據(jù)離散度較高，B=(0.512±0.030)×10-4T；而改進(jìn)后測(cè)量的數(shù)據(jù)離散度明顯減小，B=(0.467±0.009)×10-4T. 改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與廣州地磁臺(tái)所測(cè)數(shù)據(jù)更吻合(0.452×10-4T)[11]，而改進(jìn)前的測(cè)量結(jié)果則誤差較大，這很可能是由于實(shí)驗(yàn)時(shí)在非水平的桌面上轉(zhuǎn)動(dòng)儀器造成的系統(tǒng)誤差. 類似的情況同樣發(fā)生在測(cè)量磁傾角的實(shí)驗(yàn)中，此處不再贅述.

圖2 改進(jìn)前和改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)裝置測(cè)量地磁場(chǎng)的結(jié)果

3 結(jié) 論

綜上所述，通過(guò)把地磁場(chǎng)測(cè)量裝置的單環(huán)轉(zhuǎn)盤改進(jìn)為三環(huán)轉(zhuǎn)盤后，可以直接測(cè)量地磁場(chǎng)的大小和磁傾角. 通過(guò)對(duì)比測(cè)試，發(fā)現(xiàn)改進(jìn)后的儀器可以有效地降低實(shí)驗(yàn)的系統(tǒng)誤差. 同時(shí)，由于增加了轉(zhuǎn)盤的自由度，使得儀器在操作上的拓展性和靈活性更強(qiáng)，有利于在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中加深學(xué)生對(duì)地磁子午面的理解.

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[責(zé)任編輯：尹冬梅]

Improvement of the equipment in geomagnetic field measuring experiment

MAO Zhong-quan, NIE Dan

(Department of Physic, South China University of Technology, Guangzhou 510640, China)

In the geomagnetic field measuring experiment based on magnetic resistance sensor, the uncertainty in measuring the amplitude of the geomagnetic field and geomagnetic inclination was large due to the low freedom of the spin disc. Here a three-ring spin disc was designed to substitute the single-ring spin disc. In this way, the measuring error was reduced. At the same time, the improved equipment could help to demonstrate directly the relative position of different geomagnetic vectors and the geomagnetic meridian plane.

geomagnetic field; geomagnetic inclination; magnetic resistance; geomagnetic meridian plane; single-ring spin disc; three-ring spin disc

2017-01-18

國(guó)家自然科學(xué)基金(No.NSFC11304098)

毛忠泉(1980-)，男，廣東化州人，華南理工大學(xué)物理與光電學(xué)院講師，博士，從事納米磁學(xué)方面研究.

O441.5

A

1005-4642(2017)07-0014-03