地磁場實驗中測量裝置的改進

毛忠泉，聶 丹

(華南理工大學 物理與光電學院，廣東 廣州 510640)

地磁場實驗中測量裝置的改進

毛忠泉，聶 丹

(華南理工大學 物理與光電學院，廣東 廣州 510640)

基于磁阻傳感器的地磁場測量實驗中,磁阻傳感器芯片所在轉(zhuǎn)盤的可調(diào)自由度較低，在測量地磁場總量和磁傾角時會出現(xiàn)較大誤差，且操作較復雜. 為此把原裝置的單環(huán)轉(zhuǎn)盤改良為三環(huán)轉(zhuǎn)盤，改進后的實驗裝置可以直接測量地磁場的大小和磁傾角，并有效地降低實驗誤差，同時能更直觀地展示地磁場矢量和地磁子午面之間的幾何位置關系.

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

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

1 實驗原理

地磁場矢量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. 在大學物理實驗中要求測量出B和β. 磁阻傳感器測量方法是利用磁阻電橋芯片來測量磁場的大小和方向. 磁阻電橋的4個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與芯片平面的磁場大小B的關系為

Uout=U0+KBcosθ,

(1)

其中，U0是與磁場無關的電壓輸出，K為電橋的靈敏度，θ為電橋芯片的引腳方向與磁場方向的夾角. 由(1)式可見，當電橋芯片的引腳方向與磁場方向平行時，輸出電壓最大，設為Umax；當電橋芯片的引腳方向與磁場方向反平行時，輸出電壓最小，設為Umin. 于是，磁場的大小可表示成：

B=(Umax-Umin)/2K,

(2)

由此可見，只要在水平地面或地磁子午面轉(zhuǎn)動電橋芯片，分別測出Umax和Umin，即可得到B∥或B的值，通過測量在地磁子午面中轉(zhuǎn)過的角度即可得到β.

2 實驗裝置及改進方案

2.1 現(xiàn)有實驗裝置及實驗方案

目前大部分高校的地磁場實驗裝置為上海復旦天欣科教儀器有限公司的磁阻效應地磁場測試儀，其裝備了HMC1021Z磁阻電橋芯片. 測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. 測量磁場前，需先通過亥姆赫茲線圈測出芯片的靈敏度K[7-8]. 地磁場的測量則主要有3種方案：

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

2)建立直角坐標系，分別測出Bx，By，Bz，最后通過矢量合成求出B和β[9].

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

圖1 改進前后的地磁場測量儀示意圖(黃色箭頭代表引腳方向)

前2種方案的缺點是間接測量地磁場總強度，不直接涉及地磁子午面，導致學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驗桌面處處水平，轉(zhuǎn)動整個實驗裝置引入很大的誤差，影響實驗數(shù)據(jù)的準確度.

2.2 改進實驗裝置及實驗方案

為了克服上述問題，本文提出改進方案，只需要對轉(zhuǎn)盤做簡單地改良即可. 如圖1(c)所示，把原來的單環(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；鋼環(huán)Ⅲ為刻度盤，通過轉(zhuǎn)軸A與鋼環(huán)Ⅱ相連，可繞轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動，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. 各鋼環(huán)、中心盤間通過鎖止螺釘和轉(zhuǎn)動旋鈕調(diào)節(jié)相對轉(zhuǎn)動.

改進后的實驗裝置可操作性更強，可勝任更多的測試功能. 以下是常用的實驗測量方案：

1)測量靈敏度K. 調(diào)整鋼環(huán)Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ和中心盤在同一個水平面內(nèi)，轉(zhuǎn)動中心盤使芯片引腳與轉(zhuǎn)軸A重合；轉(zhuǎn)動鋼環(huán)Ⅱ使芯片引腳與亥姆赫茲線圈中心軸重合. 測出輸出電壓與勵磁電流的關系，從而計算出K.

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

3)測量總強度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(帶動中心盤)與水平面垂直. 此時，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)動中心盤到電壓輸出的最大值位置，此時引腳所指方向為地磁場矢量的方向，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，測出相應的輸出電壓即可算出B⊥.

2.3 測試結(jié)果

用同一塊K=52.6 V/T的HMC1021Z芯片分別安裝在改進前和改進后的實驗儀中，測量了華南理工大學五山校區(qū)實驗樓的地磁場的水平分量和總量. 圖2為30次等精度測量的結(jié)果. 由圖2可見，對于水平分量，改進前和改進后的測試結(jié)果基本一致. 但是，對于總磁場，改進前測量的數(shù)據(jù)離散度較高，B=(0.512±0.030)×10-4T；而改進后測量的數(shù)據(jù)離散度明顯減小，B=(0.467±0.009)×10-4T. 改進后的實驗數(shù)據(jù)與廣州地磁臺所測數(shù)據(jù)更吻合(0.452×10-4T)[11]，而改進前的測量結(jié)果則誤差較大，這很可能是由于實驗時在非水平的桌面上轉(zhuǎn)動儀器造成的系統(tǒng)誤差. 類似的情況同樣發(fā)生在測量磁傾角的實驗中，此處不再贅述.

圖2 改進前和改進后的實驗裝置測量地磁場的結(jié)果

3 結(jié) 論

綜上所述，通過把地磁場測量裝置的單環(huán)轉(zhuǎn)盤改進為三環(huán)轉(zhuǎn)盤后，可以直接測量地磁場的大小和磁傾角. 通過對比測試，發(fā)現(xiàn)改進后的儀器可以有效地降低實驗的系統(tǒng)誤差. 同時，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，有利于在實驗過程中加深學生對地磁子午面的理解.

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[責任編輯：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

國家自然科學基金(No.NSFC11304098)

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

O441.5

A

1005-4642(2017)07-0014-03