《FB520型三維亥姆霍茲線圈磁場實驗儀說明書》由會員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《FB520型三維亥姆霍茲線圈磁場實驗儀說明書（12頁珍藏版）》請在裝配圖網(wǎng)上搜索。

1、用集成霍爾元件測定亥姆霍 FB52L維亥姆霍茲線圈磁場實驗儀） 實 驗 講 義 杭州精科儀器有限公司 用集成霍爾元件測定載流圓線圈與亥姆霍茲線圈磁場 在工業(yè)、國防、科研中都需要對磁場進行測量，測量磁場的方法有不少，如沖擊電流 計法、霍耳效應(yīng)法、核磁共振法、天平法、電磁感應(yīng)法等等，本實驗介紹霍爾效應(yīng)法測磁 場的方法，它具有測量原理簡單，測量方法簡便及測試靈敏度較高等優(yōu)點。 【實驗?zāi)康摹? 1 . 了解用霍爾效應(yīng)法測量磁場的原理，掌握 FB520型三維亥姆霍茲線圈磁場實驗儀的使 用方法。 2 . 了解載流圓線圈的軸向磁場和徑向磁場分布情況。 3 .測量載流圓線圈和亥姆霍茲線

2、圈的軸線上的磁場分布。 4 .當(dāng)兩平行線圈的間距改變?yōu)?d = R / 2和d =2R時，測定其軸線上的磁場分布。 【實驗原理】 1 .載流圓線圈與亥姆霍茲線圈的磁場 11）載流圓線圈磁場 根據(jù)畢奧-薩伐爾定律一半徑為 R ,通以直流電流I的圓線圈，其軸線上離圓線圈中 心距離為X米處的磁感應(yīng)強度的表達式為 ： 2 (1) 0 ? N 0 ? I ? R 2(R2 X2)3/2 式中N0為圓線圈的匝數(shù)， X為軸上某一點到圓心 O的距離，N。=4nx101H/m, 磁場的分布圖如圖1所示，是一條單峰的關(guān)于 Y軸對稱的曲線。 （2）亥姆霍茲線圈

3、 兩個完全相同的圓線圈彼此平行且共軸， 通以同方向電流I,線圈間距等于線圈半徑（即 d = R）時，從磁感應(yīng)強度分布曲線可以看出， （理論計算也可以證明）：兩線圈合磁場在 中心軸線上（兩線圈圓心連線）附近較大范圍內(nèi)是均勻的，這樣的一對線圈稱為亥姆霍茲 線圈，如圖2所示。從分布曲線可以看出，在兩線圈中心連線一段，出現(xiàn)一個平臺，這說 明該處是勻強磁場。 根據(jù)霍爾效應(yīng)可以知道，當(dāng)霍爾探頭放入磁場中時，由于運動電荷受到洛倫茲力作 用，電流方向會發(fā)生偏離，在某兩個端面之間產(chǎn)生的電勢差，通過電勢差的大小就可以測 量磁場的大小。當(dāng)亥姆霍茲線圈兩線圈通有方向一

4、致的電流時，兩線圈形成的磁場方向也 一致，兩線圈之間就形成均勻磁場，霍爾探頭在該區(qū)域運動時其測量的數(shù)值幾乎不變。當(dāng) 然兩線圈通上相反方向電流，則其間的磁場可以互相抵消為零。 由理論計算可知，如果Z是亥姆霍茲線圈中心軸線上離中心 O點的距離，則該點的磁 =0時，即亥姆霍茲線圈中心軸中心點 O的磁感應(yīng)強度為: (2) 感應(yīng)強度： — 1 . B 二 一」0 ? N ? I 2 由該公式推論，當(dāng) Z (3) 」0 ? N ? I 8 = A 0 R 532 圖3是亥姆霍茲線圈兩線圈間隔距離等于 R/2, R, 2R時線圈中心軸線上的磁感應(yīng)強度 的分布特性曲線，從圖

5、中可以看出幾種特性曲線的不同特點。 圖3森姆霍裝線圈間距改變時，磁場分布曲線 【實驗儀器】 FB520型三維亥姆霍茲線圈磁場實驗儀 。 一.FB520三維線圈磁場實驗信號源 儀器背部為FB520交流電源插座和電源開關(guān)，以及配 FB520三維亥姆霍茲線圈磁場 實驗儀測試架的專用插座。儀器主機見圖 4 圖4 FB52O型三維亥姆霍茲線圈磁場實驗儀實物照片 1 .勵磁電流Im輸出：直流0 ~ 0.500A恒流輸出連續(xù)可調(diào)，接到測試架的勵磁線圈，提 供實驗用的勵磁電流。勵磁電流 Im輸出端連接到測試架線圈時，可以選擇接單個線圈或 雙線圈。接雙線圈時，將兩線圈串聯(lián)，即

6、一個線圈的黑接線柱與另一線圈的紅接線柱相連。 另外兩端子接至實驗儀的 1M端。 2 .由集成霍爾元件構(gòu)成的微特斯拉計： 每臺儀器在出廠時，工作電流 1s及集成霍爾元件 輸出信號放大器都已配套調(diào)節(jié)好，只要用專用四芯連接線把實驗儀與測試架連接。測量磁 感應(yīng)強度B可直接讀數(shù)。使用前，在儀器位置方向確定后，在勵磁電流為零時，用調(diào)零旋 鈕調(diào)零。以消除地磁場及實驗環(huán)境周圍的雜散磁場對實驗的影響。 （提醒：集成霍爾元件 工作電流出廠時已配對調(diào)好，如果把實驗儀與測試架互換，將造成測試數(shù)據(jù)不準(zhǔn)，甚至出 現(xiàn)無法調(diào)零的情況，這時只要注意按儀器上的編號更正即可） 。 3 .換向開關(guān)：用于改變磁場線圈勵磁

7、電流 IM的方向。 二.FB520三維亥姆霍茲線圈磁場測試架（本測試架的特點是實現(xiàn)三維可靠調(diào)節(jié)） 1 .亥姆霍茲線圈： 如圖5所示，兩個圓線圈（1）、（2）安裝于底板（3）上，其中圓線圈（1）為固定線圈， 圓線圈（2）可以沿底板移動，從而調(diào)節(jié)兩線圈的間距，移動范圍為： d = 50 ~ 200mm , 操作時，只需松開圓線圈（2）底座上的緊固螺釘，就可以用雙手均勻地移動圓線圈（ 2）, 從而改變兩個圓線圈的間距，實驗架上設(shè)有 R, 2R, R/2等位置標(biāo)志，移到所需的位置 后，再擰緊緊固螺釘。勵磁電流通過圓線圈后面的插孔接入，可以做單個線圈或雙線圈的 磁場分布。 2 .三維

8、可移動裝置： 見圖5,滑塊（10）可以沿導(dǎo)軌（5）左右移動，配合銅桿（8）的位置調(diào)節(jié)，可以改變集 成霍爾元件（4） X方向的位置坐標(biāo)，移動距離： 200mm。移動時，用力要輕，速度 不可過快，如果滑塊移動時阻力太大或太松，則應(yīng)適當(dāng)調(diào)節(jié)滑塊上的螺釘（ 9）的松緊度； 左右（即X方向）移動不能影響前后方向即 Y方向位置；必要時，可以鎖緊導(dǎo)軌（ 5）右 端的緊定螺釘（13）,防止Y方向位置發(fā)生改變。沿 Y方向輕推滑塊（10）,讓導(dǎo)軌（5） 沿導(dǎo)軌（6）均勻移動，可使集成霍爾元件 Y方向的位置坐標(biāo)變化，移動距離： 80mm ； 這時，導(dǎo)軌（5）右端的緊定螺釘（13）應(yīng)處于松開狀態(tài)。注意：這

9、時不可左右方向用力， 以免改變集成霍爾元件 X方向的位置。 松開緊固螺釘（12）,銅桿（8）可以沿導(dǎo)軌（7） 上下移動，移到所需的位置后，再擰緊緊固螺釘（ 12）,用于改變霍爾元件 Z方向的位置 坐標(biāo)，移動距離：土80mm。在進行X方向位置移動時，一般將 Z方向標(biāo)尺置于0點，這 樣保證集成霍爾元件正處于線圈中心軸線上。 實驗裝置在X,Y,Z方向均配有位置標(biāo)尺， 是三維磁場測量系統(tǒng)，可以方便地測量空間磁場的三維坐標(biāo)。 3 .集成霍爾元件： 裝置采用優(yōu)質(zhì)95A集成霍爾元件，特點是靈敏度高，溫度漂移小，作為微特斯拉計的 傳感器是非常好的選擇。可以對三維磁場分布進行準(zhǔn)確測量。集成霍爾元件（

10、 4）安裝于 銅管（8）的左前端，導(dǎo)線從銅管中引出，連接到測試架后面板上的專用插座。 改變圓線圈（2）的位置進行磁場分布測量實驗時， 為了讀數(shù)方便，應(yīng)該改變銅管（8） 的位置。松開緊固螺釘（11）,移動銅管至R, 2R, R/2的位置，對應(yīng)于圓線圈（2）在 R, 2R, R/2的位置，這樣做的優(yōu)點是移動滑塊（ 10）時，X方向的讀數(shù)是以0位置為 對稱的。如果不改變銅管（8）的位置，則應(yīng)對 X方向位置讀數(shù)進行修正。 【實驗內(nèi)容】 1.測量單個載流圓線圈（1）軸線上（X方向）磁場B1的分布： ①用連接線將勵磁電流Im輸出端連接到圓線圈（1）,霍爾傳感器探頭的信號線連接到測 試架后面板

11、的專用四芯插座。緊固滑塊（ 10）,再擰緊緊固螺釘（12）。 ② 開機前，預(yù)熱10分鐘，調(diào)節(jié)FB520型霍爾法亥姆霍茲線圈磁場實驗儀的電流調(diào)節(jié)， 使勵磁電流I m = 0.000A ,在線圈磁場強度等于零的條件下， 把特斯拉計調(diào)零（目的是消 除地磁場和其他環(huán)境雜散干擾磁場以及不平衡電勢的影響） ，這樣特斯拉計就校準(zhǔn)好了。 （注意：如果測量過程中改變了測試架位置方向 ，需重復(fù)調(diào)零步驟。） ③調(diào)節(jié)勵磁電流Im =0.500A ,移動X方向?qū)к壔瑝K（10）,以10mm為間隔距離測量 單個線圈通電時軸線上各點的磁感應(yīng)強度，將數(shù)據(jù)記錄在表 1,即圓線圈軸線上 B的分布 圖，并繪出B1 ~X曲

12、線。 表 1 B1~X 關(guān)系 （Im=0.500A） 載流圓線圈（1）軸線上磁場分布的數(shù)據(jù)記錄（坐標(biāo)原點設(shè)在圓線圈中心） 軸向距離 X （mm） 磁感應(yīng)強度 B 實（mT） 相對誤差 % -200  -50 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 50

13、 200 2.測量單個載流圓線圈 2軸線上（X方向）磁場82的分布： 表 2 B2~X 關(guān)系 （Im=0.500A） 載流圓線圈（1）軸線上磁場分布的數(shù)據(jù)記錄（坐標(biāo)原點設(shè)在圓線圈中心） 軸向距離 X （mm） 磁感應(yīng)強度 B 實（mT） 相對誤差 % -200 …… -50 -40 -30 -20 -10

14、 0 10 20 30 40 50 200 3.測量亥姆霍茲線圈軸線上磁場 BR的分布： （1）先松開線圈（2）的固定螺絲，把兩線圈的距離調(diào)節(jié)到 d = R = 100mm ,組成亥姆霍 茲線圈。要達到這樣的設(shè)置只需要將銅管位置到 R處，Y方向?qū)к墸?）, Z方向?qū)к墸?） 都置于（0）,固定螺絲，這樣就可以將霍爾位于亥姆霍茲線圈的軸線上。 （2）將線圈（1）, （2）同向串聯(lián)

15、，并通入勵磁電流 1M。 （3）與前相同，開機前預(yù)熱10分鐘，調(diào)節(jié)FB520型亥姆霍茲線圈磁場實驗儀的電流調(diào)節(jié)， 使勵磁電流1M =0.000A,在線圈磁場強度等于零的條件下，把特斯拉計調(diào)零。 （4）調(diào)節(jié)勵磁電流I M =0.5A ,移動X方向?qū)к?，?0mm為間隔距離測量通電亥姆霍茲 線圈軸線上磁感應(yīng)強度。記錄數(shù)據(jù)填入表 3,并繪出Br ~X曲線。 表 3 BR~X 關(guān)系 （Im=0.500A） 載流圓線圈（1）軸線上磁場分布的數(shù)據(jù)記錄（坐標(biāo)原點設(shè)在圓線圈中心） 軸向距離 X （mm） 磁感應(yīng)強度 B 實（mT） 相對誤差 % -200

16、 …… -50 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 50 200 4 .比較與驗證磁場疊加原理: 將表1和表2中的磁場強度B1, B2數(shù)據(jù)按X方向的坐標(biāo)位置相加，得到 B1 + B2,將 B1, B2數(shù)

17、據(jù)及B1 + B2數(shù)據(jù)繪制在一起并與表 3的Br數(shù)據(jù)比較。 （注：以下內(nèi)容選做） *5 .測量兩線圈不同距離時兩線圈軸線上各點的磁感應(yīng)強度： （1）移動載流圓線圈（2）到載流圓線圈（1）距離為50mm即~ =R/2的地方，銅管位置也 到R/2處，重復(fù)前敘內(nèi)容，并繪出 Br/ ~ X曲線。表格自擬。 2 （2）移動載流圓線圈（2）到載流圓線圈（1）距離為200mm即d=2R地方，銅管位置也到 便2R處，重復(fù)前敘內(nèi)容，并繪出 B2R ~ X曲線。表格自擬。 （3）將一起繪出BR . ~ X圖，B2R ~ X圖和BR ~ X圖，并進行比較，分析總結(jié)出通電 2 線圈軸線上各點的磁感應(yīng)

18、強度的分布規(guī)律。 * 6 .測量亥姆霍茲線圈 Y方向上磁感應(yīng)強度的分布： 移動載流圓線圈（2）與載流圓線圈（1）距離為100mm ,銅管位置到R 處，X向?qū)?軌（10）, Z向?qū)к墸?）,均置零。調(diào)節(jié)勵磁電流1M =0.5A ,移動Y方向?qū)к墸悦?10mm為間隔距離測量一個數(shù)據(jù)，方法與前類似，繪出 B ~ Y曲線。表格自擬。 * 7 .測量亥姆霍茲線圈 Z方向上磁感應(yīng)強度的分布： 線圈（2）,線圈（1）的距離，銅管位置均不變， X方向?qū)к墸?0）, Z方向?qū)к墸?）, 均置零。調(diào)節(jié)勵磁電流，IM =0.5A,移動Z方向?qū)к墸悦?0mm為間隔距離測量 一個數(shù)據(jù)，方法與前類似，繪出 B

19、 ~ Z曲線。表格自擬。 * 8.測量亥姆霍茲線圈任意位置上磁感應(yīng)強度的分布： 根據(jù)前敘內(nèi)容，測量線圈（2）,線圈（1）的不同距離，任意點的磁感應(yīng)強度，需要相應(yīng)調(diào) 節(jié)X, Y, Z方向的導(dǎo)軌，置集成霍爾傳感器于所需要測量的位置上。 【附錄】 FB520型三維亥姆霍茲線圈磁場實驗儀使用說明書 一.用途及特點： 1 .用途： FB520型三維亥姆霍茲線圈磁場測量實驗儀設(shè)計有連續(xù)可調(diào)穩(wěn)壓、恒流電源。磁場 測定探頭采用高靈敏度 95A型集成霍爾傳感器，該儀器可用于研究載流圓線圈磁場分布、 亥姆霍茲線圈磁場分布。 FB520型三維磁場實驗儀由二部分組成： （1）磁場實驗儀，（2）磁場

20、測試架。 2 .特點： （1）霍爾傳感器位置可做 X,Y,Z三維移動，從而對亥姆霍茲線圈三維磁場分布情況進行測 量和分析研究。 （2）勵磁電源可以提供連續(xù)可調(diào)的勵磁電流，并用數(shù)字式電流表精確指示。 （3）兩個圓線圈，按設(shè)計要求，右邊一個為固定線圈，左邊一個線圈可以沿導(dǎo)軌平移，以 實現(xiàn)改變線圈間距，滿足實驗需要。例如使間距分別為： d = R, d=R/2及d=2R等。 （4）采用高靈敏度95A型集成霍爾傳感器作為磁場探頭（注意：微特斯拉計的探頭每一臺都 是專配的，需按編號配套使用，不得互換，否則將不能保證測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性 ）。 (5)微特斯拉計設(shè)計有補償電路， 用以消除地磁場及環(huán)

21、境雜散磁場對磁場實驗產(chǎn)生的干擾。 (注：儀器位置改變時，地磁場對探頭影響發(fā)生變化，應(yīng)重新對微特斯拉計進行調(diào)零) 。 二.主要性能指標(biāo)： 1,穩(wěn)壓恒流源輸出電流：單個圓線圈可達 0 ~ 0.900A ,兩個圓線圈串聯(lián)時大于 0.400A 且連續(xù)可調(diào)。 2 .磁場測試架機械結(jié)構(gòu)：其中左邊的一個線圈的位置可以調(diào)節(jié)，可滿足實驗中改變線圈 間距的需要：在d=R、d=R/2、d = 2R等特定位置，測試架和導(dǎo)軌上均刻有標(biāo)志線， 可以方便地確定線圈位置。 3 .測試傳感器調(diào)節(jié)范圍： 軸向： 20.0cm 徑向：水平方向 8.0cm ,垂直方向8.0cm 4 .圓線圈參數(shù)： 線圈平土^半徑

22、 R=0.100m，單只匝數(shù)：400匝；允許最大勵磁電流：1000mA 5 . 95A集成霍爾傳感器： 線性測量范圍：—67mT ~ %7mT ,工作電壓DC4.5 ~ 5.5V。 靈敏度:(31.31.3)V/T ,線性誤差1%,溫度誤差 < 0.06%/七 6 .微特斯拉計顯示精度： 2叮，分辨率：1問 7 .電流表顯示精度： 2mA 8 .儀器的工作環(huán)境： 大氣壓強為：86 ~106kPa ,環(huán)境溫度：0 ~ 40七，相對濕度： 25~80% 9 .外形尺寸(長x寬x高)： FB520型三維亥姆霍茲線圈磁場實驗儀： 320父260父120mm FB520型三維亥姆霍

23、茲線圈磁場實驗儀測試架： 800父275父270mm 三.儀器結(jié)構(gòu)： 儀器由FB520型三維亥姆霍茲線圈磁場實驗儀和測試架兩部分組成。參見圖 4、圖5。 1. FB520型霍爾法亥姆霍茲線圈磁場實驗儀： (1)由連續(xù)可調(diào)式直流勵磁恒流源，用數(shù)字式電流表指示勵磁電流，用鈕子式雙刀雙擲開 關(guān)改變勵磁電流的方向。 (2)提供95A型集成霍爾傳感器工作電源，接收傳感器信號加以放大處理，對地磁場及環(huán) 境雜散磁場補償調(diào)零電位器。把測量的磁感應(yīng)強度直接用數(shù)顯表顯示微特斯拉數(shù)值。 2. FB520型磁場實驗測試架： (1)兩只圓電流線圈，右邊一只固定，左邊一只可移動，線圈移動導(dǎo)軌及位置標(biāo)志；

24、 (2) 95A型集成霍爾傳感器固定支架，可軸向調(diào)節(jié)、徑向水平調(diào)節(jié)和徑向垂直調(diào)節(jié)裝置。 (3)刻度標(biāo)尺，接線端鈕等。 四.使用說明： FB520型三維亥姆霍茲線圈磁場實驗儀的正確使用: 1 .由于每個95A型集成霍爾傳感器的靈敏度存在差異，為了保證磁感應(yīng)強度的準(zhǔn)確性， 必須認(rèn)準(zhǔn)配套編號把 FB 520型亥姆霍茲線圈磁場實驗儀和對應(yīng)的 FB520型測試架兩部分 用專用連接導(dǎo)線正確連接起來，并把儀器位置固定擺放在實驗平臺上，將磁場實驗儀接入 AC 220V 50Hz電源，閉合電源開關(guān)。 2 .在勵磁電流等于零的條件下，通過補償電位器，對微特斯拉計進行補償調(diào)零（消除地 磁場及周圍雜散磁場的影響）。在實驗過程中測試架位置要保持不變，若有變動，微特斯 拉計要重新進行補償調(diào)零。 3 .松開測試架上線圈（2）的固定螺栓，按實驗要求移動到規(guī)定的位置，原則是使測量數(shù) 據(jù)能作出以Y軸基本對稱的磁感應(yīng)強度的分布曲線，以便研究分析磁場分布規(guī)律。 4 .調(diào)節(jié)勵磁電流至實驗需要值例如 I = 400mA ,按實驗講義的步驟，逐點測定磁感應(yīng)強 度的數(shù)值。 5 .霍爾傳感器的軸向移動（X坐標(biāo)）、徑向水平移動（Y坐標(biāo)）、徑向垂直移動（Z坐標(biāo)） 只要通過用手推動相應(yīng)移動裝置即可。 6 .實驗室中磁場實驗儀較多，為避免相互影響，應(yīng)注意不要相互靠得太近。