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新型磁阻传感器在地磁场测量中的应用
王国余1 , 张　欣2 , 景　亮3
(1. 江苏大学理学院,江苏镇江212013 ;
2. 上海应用技术学院数理教学部,上海200235 ;
3. 江苏大学电气与信息工程学院,江苏镇江212013)
摘　要: 简要介绍了一种新型高灵敏度磁阻传感器的工作原理和使用方法,并利用它测量了地磁场的主
要参量。实验结果表明,用该磁阻传感器测量地磁场,测量方法实用性强,精确度较高。
关键词: 磁阻传感器; 地磁场; 亥姆霍兹线圈; 磁感应强度; 磁倾角
中图分类号: TM936. 6 　　　文献标识码: A 　　　文章编号: 1000 - 9787(2002) 10 - 0043 - 03
Application of a new magnetoresistance sensor
for measuring the earth2magnetic f ield
WAN G Guo2yu1 , ZHAN G Xin2 , J IN G Liang3
( 1. Coll of Sci ,Jiangsu University , Zhenjiang 212013 ,China ;
2. Dept of Mathematics and Phys , Shanghai Institute of Applied Technology ,Shanghai 200235 ,China ;
3. Coll of Elec and Info Engin ,Jiangsu University , Zhenjiang 212013 ,China)
Abstract : The function and using of a new type of magnetoresistance sensor is briefly introduced. The main pa2
rameters of the earth2magnetic field are measured by using the type of magnetoresistance sensor. The experimen2
tal result indicates that the method is actable and the precision is well.
Key words : magnetoresistance sensor ; earth2magnetic field ; Helmholtz coils ; magnetic inductive intensity ;
magnetic declination
0 　引　言
地球本身具有磁性,所以地球及近地空间存在
着磁场, 叫做地磁场。地磁场数值较小约0. 5 ×
10 - 4 T ,其强度与方向也随地点而异。但在直流弱
磁场测量中,往往需要知道其数值,并设法消除其影
响。地磁场作为一种重要的天然磁源,在军事、工
业、医学、探矿等科研中也有着重要用途。
通常用三个参量来表示地磁场的方向和大小:
(1) 磁偏角α,即地球表面任一点的地磁场磁感应强
度矢量B 所在的垂直平面(地磁子午面) 与地理子
午面之间的夹角; (2) 磁倾角β, 即地磁场磁感应强
度矢量B 与水平面之间的夹角; (3) 地磁场磁感应
强度的水平分量B ∥, 即地磁场磁感应强度矢量B
在水平面上的投影。测量了地磁场的这三个参量,就
可确定某一地点的地磁场磁感应强度B 矢量的大
小和方向。以前一般采用正切电流计来测定地磁场
收稿日期:2002 - 05 - 28
的水平分量[1 ] ,由于仪器体积大, 操作步骤繁琐, 测
量误差较大,且用磁针或冲击电流计测量不能非电
量电测,此法在科研中已不太应用。为此, 设计利用
新型的磁阻传感器(HMC1021Z 型) 直接测定地磁
场的磁倾角β和磁感应强度B 及水平分量B ∥的大
小,并求出其垂直分量B ⊥的大小,取得了较为精确
的实验结果。这种磁阻传感器磁场线性范围为
±6 ×10- 4 T ,可检测到低至8. 5 ×10- 9 T 的磁场,且
体积小、灵敏度高、易安装, 在测量弱磁场方面具有
广泛的应用前景。
1 　磁阻传感器的工作原理
1. 1 　磁阻效应
物质在磁场中电阻发生变化的现象称为磁阻效
应。对于铁、钴、镍及其合金等强磁性金属,当外加磁
场平行于磁体内部磁化方向时, 电阻几乎不随外加
磁场变化;当外加磁场偏离金属的内磁化方向时,此
　2002年第21 卷第10 期　　　　　　　　　　传感器技术　(Journal of Transducer Technology) 43
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类金属的电阻值将减小, 这就是强磁金属的各向异
性磁阻效应。
1. 2 　磁阻传感器
HMC1021Z型磁阻传感器由长而薄的玻莫合金
(铁镍合金) 制成, 利用标准的半导体工艺, 将薄膜
附着在硅片上,如图1 (a) 。
图1 　磁阻传感器
Fig 1 　Magnetoresistance sensor
　　薄膜的电阻率依赖于磁化强度M 和电流I 方
向的夹角θ,即
ρ(θ) = ρ⊥+ (ρ∥- ρ⊥) cos2θ ,
其中　ρ∥、ρ⊥分别是电流I 平行于M 和垂直于M
时电阻率。当沿着铁磁合金带的长度方向施加一个
电流,在垂直于电流的方向施加一个磁场时,合金带
自身的阻值会发生最大的变化。同时制作时还在硅
片上设计了两条铝制电流带,一条是置位/ 复位带,
该传感器遇强磁场感应时,将产生磁畴饱和现象,此
偏置磁场带用来磁畴排列的复位(即恢复灵敏度) ,
也可用来置位或复位输出的极性; 另一条是偏置磁
场带,用来产生一个偏置磁场以补偿环境磁场。
HMC1021Z型磁阻传感器是一维磁阻微电路集
成芯片,是一种单边封装的磁场传感器,感应与管脚
平行方向的磁场,其结构为惠斯登电桥, 如图1 (b) 。
其中供电电源为Ub , 在电阻器中有电流流过。在电
桥上施加一个偏置磁场H , 使得两个相对放置的电
阻器的磁化方向朝着电流方向转动, 引起电阻阻值
增大;另外两个相对放置的电阻器的磁化方向背向
电流方向转动,引起电阻阻值减小。这样就将磁场转
换成差动输出的电压,该输出电压Uout 可以用下式
表示为
Uout = (ΔR/ R) ·Ub ,
其中　R 为薄膜电阻;ΔR/ R 为阻值的相对变化
量; Ub 为传感器的工作电压。
2 　用磁阻传感器测量地磁场的方法
在5. 00 V 的典型工作电压下,利用HMC1021Z
型磁阻传感器测量了地磁场的磁倾角β和磁感应强
度B 及其水平分量B ∥的大小。
由于HMC1021Z 磁阻传感器在内部设计了两
条电流带,产生磁场对极弱磁场时非线性进行补偿,
使得传感器的线性工作范围从零开始, 从而使得该
传感器能够测量极弱磁场。在其线性输出范围内,传
感器的输出和外加磁场成正比,可表示为
Uout = U0 + KB ,
式中　Uout 为传感器的输出电压; U0 为外磁场为
零时传感器的输出; K为传感器的灵敏度; B 为要测
量的磁感应强度。
HMC1021Z磁阻传感器灵敏度的测量利用亥姆
霍兹线圈。亥姆霍兹线圈的特点是能在其公共轴线
中点附近产生较广的均匀磁场区, 故常用于弱磁场
的计量标准[2 ] 。亥姆霍兹线圈公共轴线中心点位置
的磁感应强度为[1 ]
B =
μ0 N I
r
·
8
53/ 2 , (1)
式中　N 为线圈匝数; I 为流经线圈的电流强度; r
为亥姆霍兹线圈的平均半径;μ0 为真空磁导率。实
验中将磁阻传感器放置在亥姆霍兹线圈的公共轴线
中点,并且使管脚和公共轴线垂直。
实际使用时若HMC1021Z 磁阻传感器测量的
磁场范围超出±6 ×10- 4 T ,传感器就不能很好地保
持线性输出,它的灵敏度也会随之降低,此时就不能
直接用来测量极弱的磁场,一旦出现这种情况,就可
用脉冲电路施加于前面提到的置位/ 复位电流带来
恢复其原来的灵敏度。
3 　地磁场测量实验装置
测量地磁场参量的装置主要包括:底座、带手柄
转轴、转盘、量角器、磁阻传感器、地磁场测试仪。将
磁阻传感器固定在转盘中央, 再将转盘用一螺丝固
定在转轴上,且磁阻传感器的引脚和转轴垂直。转轴
和转盘均可绕各自的中心自由转动。在转轴的一边
支撑架上固定有量角器,且和转轴同心。
测量装置操作方法为:
(1) 将传感器平行固定在转盘上, 调整转盘至
水平。水平旋转转盘,找到传感器输出电压最大的方
向, 这个方向就是地磁场磁感应强度的水平分量
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B ∥的方向。记录此时的电压后, 再旋转转盘, 记录
传感器输出最小的电压U2 。
(2) 转动转轴, 分别记下传感器输出最大和最
小时转盘和水平面之间的夹角β1 和β2 ,以及输出的
读数U′1 和U′2 ,则磁倾角β′= (β1 +β2) / 2 。
(3) 根据| U1 - U2 | / 2 = KB ∥,
| U1′- U2′| / 2 = KB ,
可算出地磁场的磁感应强度B ∥和B 的大小。
4 　实验结果
4. 1 　磁阻传感器灵敏度的测量
用亥姆霍兹线圈测量磁阻传感器灵敏度实验中
N = 500 匝, r = 10. 00 cm ,μ0 = 4π ×10- 7N/ m。测
量结果见表1 。
表1 　磁阻传感器灵敏度测量结果
Tab 1 　Measuring result of magnetoresistance sensor’s perceptivity
励磁电流强度
I (mA)
磁感应强度
B (10 - 4T)
传感器输出电压
Uout (mV)
- 60 　　　- 5. 395 2 　　- 13. 278 　　　　
- 50 　　　- 4. 496 0 　　- 11. 125 　　　　
- 40 　　　- 3. 596 8 　　- 8. 983 　　　　
- 30 　　　- 2. 698 6 　　- 6. 767 　　　　
- 20 　　　- 1. 798 4 　　- 4. 479 　　　　
- 10 　　　- 0. 899 2 　　- 2. 376 　　　　
0 　　　0 　　　0. 003 　　　　
10 　　　0. 899 2 　　2. 252 　　　　
20 　　　1. 798 4 　　4. 523 　　　　
30 　　　2. 698 6 　　6. 834 　　　　
40 　　　3. 596 8 　　9. 056 　　　　
50 　　　4. 496 0 　　11. 295 　　　　
60 　　　5. 395 2 　　13. 519 　　　　
　　其中亥姆霍兹线圈轴线中心点磁感应强度B
用公式(1) 求得。
由表1 作B - Uout 的线性拟合,得到磁阻传感
器的灵敏度K 为45. 88 V/ T ,相关系数为0. 998 ,可
见其灵敏度远远高于目前普遍使用的霍尔传感器,
其线性度也很好。
4. 2 　地磁场测量
地磁场测量与地点有关, 镇江的测试结果见
表2 。由表2 中可求得地磁场磁倾角β′≈ 50. 0°;仪
器测得地磁场磁感应强度B = 4. 75 ×10- 5 T ,水平
分量B ∥= 3. 16 ×10- 5 T ,由B ∥= Bcosβ,可得β =
48. 3°,此β值比量角器直接测量准确度高。从而求
得垂直分量B ⊥= 3. 55 ×10- 5 T。
表2 　地磁场测量结果
Tab 2 　Measuring result of the earth2magnetic f ield
1 2 3 4 5 平均值
U1 (mV) 0. 947 0. 946 0. 944 0. 946 0. 946 0. 945 8
U2 (mV) - 3. 411 - 3. 412 - 3. 415 - 3. 414 - 3. 414 - 3. 413 2
β1 (°) 49. 0 49. 0 49. 5 49. 5 49. 5 49. 3
β2 (°) 51. 5 50. 5 51. 0 50. 0 50. 5 50. 7
U′1 (mV) 0. 075 0. 075 0. 075 0. 075 0. 076 0. 075 2
U′2 (mV) - 2. 823 - 2. 823 - 2. 824 - 2. 825 - 2. 825 - 2. 824
4. 3 　实验结果分析
本实验用HMC1021Z 型磁阻传感器测量了地
磁场的主要参量。据最近资料显示,南京地区地磁场
磁倾角β = 46. 0°, 磁感应强度水平分量B ∥=
3. 31 ×10- 5 T ,镇江离南京很近, 而本仪器测得的结
果与参考值比较, 地磁场磁倾角β和磁感应强度水
平分量B ∥分别相差5 %和4. 5 %,得到的结果比较
满意,而且本实验装置简单, 方法易行。在测量中也
发现周围环境的影响较大, 在一定范围内出现很小
的铁磁性金属物体, 就会影响实验结果。因此, 实验
时在周围不应出现,以保证测量结果的准确性。
5 　结束语
(1) 将新型磁阻传感器应用于传感器实验中,引
进了新的传感器实验技术。通过本实验,不仅能了
解磁阻效应和磁阻传感器的原理和使用方法,而且
学会了一种精确测量极弱磁场的方法,适合在高等
院校的传感器实验或物理实验中推广。
(2) HMC/ HMR 系列磁阻传感器具有体积小、
成本低、灵敏度高、抗电磁噪声和干扰能力强、可靠
性高、易于安装等特性,主要用途是感应弱磁场,且
线性范围较宽,因此除了在弱磁场测量方面具有优
越的性能外,还可应用于罗盘、交通车辆检测、导航
系统、伪钞鉴别、安全检测、位置测量、食品机械、探
矿、医疗仪器以及非接触式电流测量等领域中,具有
极其广泛的应用前景。
参考文献:
[1 ] 　贾玉润,王公冶,凌佩玲. 大学物理实验[M] . 上海:复旦大学出
版社,1987. 256 - 258.
[ 2 ] 　鲁绍曾. 现代计量学概论[M] . 北京:中国计量出版社,1987.
492 - 493.
作者简介:
王国余(1968 - ) ,男,江苏省靖江市人,工程师,硕士,主要从事
光电测量和自动控制方面的研究。
第10 期　　　　　　　　　　　　　　王国余等:新型磁阻传感器在地磁场测量中的应用　　　　　　　　　　　4　5　
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