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1、第二章 磁敏傳感器,第一節(jié) 質(zhì)子旋進(jìn)式磁敏傳感器 第二節(jié) 光泵式磁敏傳感器 第三節(jié) SQUID磁敏傳感器 第四節(jié) 磁通門式磁敏傳感器 第五節(jié) 感應(yīng)式磁敏傳感器 第六節(jié) 半導(dǎo)體磁敏傳感器 第七節(jié) 機(jī)械式磁敏傳感器,磁敏傳感器是對磁場參量(B,H,)敏感的元器件或裝置 ,具有把磁學(xué)物理量轉(zhuǎn)換為電信號的功能。,質(zhì)子旋進(jìn)式磁敏傳感器 光泵式磁敏傳感器 SQUID（超導(dǎo)量子干涉器）磁敏傳感器 磁通門式磁敏傳感器 感應(yīng)式磁敏傳感器 半導(dǎo)體磁敏傳感器 霍爾器件、磁敏二極管、磁敏三極管、磁敏電阻 機(jī)械式磁敏傳感器 光纖式磁敏傳感器,磁敏傳感器的種類,質(zhì)子旋進(jìn)式磁敏傳感器是利用質(zhì)子在外

2、磁場中的旋進(jìn)現(xiàn)象，根據(jù)磁共振原理研制成功的。,物理學(xué)已證明物質(zhì)是具有磁性的。對水分子（H2O）而言，從其分子結(jié)構(gòu)、原子排列和化學(xué)價的性質(zhì)分析得知：水分子磁矩（即氫質(zhì)子磁矩）在外磁場作用下繞外磁場旋進(jìn)。,一、質(zhì)子旋進(jìn)式磁敏傳感器的測磁原理,質(zhì)子磁矩旋進(jìn),,,,T,,,,質(zhì)子的旋進(jìn)頻率 p 為質(zhì)子旋磁比；T為外磁場強(qiáng)度,f=p T /2,第一節(jié) 質(zhì)子旋進(jìn)式磁敏傳感器,從經(jīng)典力學(xué)和量子力學(xué)觀點,此公式的來源均能得以論證。,為方便起見，在此采用經(jīng)典力學(xué)的觀點，分析直角坐標(biāo)系中質(zhì)子磁矩的旋進(jìn)情況。,設(shè)質(zhì)子磁矩M在外磁場T作用下有一力矩MT，于是，它和陀螺一樣，其動量矩的變化率等于外加力矩，即：,動量矩變

3、化率,磁矩三個分量,設(shè)Tz=T(外磁場)；Tx=0；Ty =0,對上式中的第一式微分,顯然，為簡諧運動方程，其解為,同理,,,,,,,,,,,,,,z,x,y,Mz,M,My,Mx,磁矩 M 旋進(jìn)規(guī)律變化示意圖,,,,,,從上式可看出，Mz是常數(shù)，磁矩M在z軸上的投影是不變的；磁矩M在x軸上的投影是按余弦規(guī)律變化的；磁矩M在y軸上的投影是按正弦規(guī)律變化的。由圖看出：,磁矩M在xy平面上的投影的絕對值是一個常數(shù)，并且在xy平面上旋進(jìn)。,常數(shù),綜合起來看，質(zhì)子磁矩M在外磁場T的作用下，繞外磁場T旋進(jìn)，它的軌跡描繪出一個圓錐體，旋進(jìn)的角頻率為，稱為拉莫爾頻率（Larmor frequency）。,根

4、據(jù)簡諧運動方程，可得到： 即： 將此值代入上式,p=（2.675130.00002）S-1T-1,可見，頻率f與磁場T成正比，只要能測出頻率f，即可間接求出外磁場T的大小,從而達(dá)到測量外磁場的目的。,需要指出的是：這里沒有考慮馳豫時間,是在假設(shè)角不變、信號不衰減的前提下分析測磁原理的。但是，在實際工作中是有馳豫時間的，信號也是衰減的。,當(dāng)被測磁場很弱時，信號幅度大大衰減。對微弱的被測磁場，用一般的核磁共振檢測方法是接收不到旋進(jìn)信號的。為了測得質(zhì)子磁矩M繞外磁場的旋進(jìn)頻率 f 信號，必須采取特殊方法：,二、磁場的測量與旋進(jìn)信號,在核磁共振中，共振信號的幅度與被測磁場T3/2成正比。,使沿外磁場方

5、向排列的質(zhì)子磁矩,在極化場的激勵下,建立質(zhì)子宏觀磁矩,并使其方向于外磁場方向垂直或接近垂直,通常采用預(yù)極化方法或輔助磁場方法來建立質(zhì)子宏觀磁矩，以增強(qiáng)信號幅度。,具體作法是:用圓柱形玻璃容器裝滿水樣品或含氫質(zhì)子液體，作為靈敏元件，在容器周圍繞上極化線圈和測量線圈或共用一個線圈，使線圈軸向垂直于外磁場T方向。,在垂直于外磁場方向加一極化場H（該場強(qiáng)約為外磁場的200倍）。在極化場作用下，容器內(nèi)水中質(zhì)子磁矩沿極化場方向排列，形成宏觀磁矩，如下圖所示。,當(dāng)質(zhì)子磁矩在旋進(jìn)過程中切割線圈，使線圈環(huán)繞面積中的磁通量發(fā)生變化，于是在線圈中就產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。,當(dāng)去掉極化場H，質(zhì)子磁矩則以拉莫爾旋進(jìn)頻率繞外磁場

6、旋進(jìn)。,,,,,,,,,,,,M,,,,若測出感應(yīng)電壓的頻率，就可計算出外磁場的大小。因為極化場H大于外磁場，故此法可使信噪比增大H/T倍。設(shè)外磁場T的磁感強(qiáng)度為0.510-4T，極化場H的磁感強(qiáng)度為10010-4 T，則可使信噪比增大200倍。,在自由旋進(jìn)的過程中，磁矩M的橫向分量以t2（橫向弛豫時間）為時間常數(shù)并隨時間逐漸趨近于零；在測量線圈中所接收的感應(yīng)信號，也是以t2為時間常數(shù)按指數(shù)規(guī)律衰減的。,M衰減示意圖,感應(yīng)信號衰減示意圖,,x,y,核心：500cc左右有機(jī)玻璃容器,在容器外面繞以數(shù)百匝的導(dǎo)線,使線圈軸向與外磁場方向大致垂直,線圈中通以 13A的電流,而形成約0.01T的極化場,

7、使水中質(zhì)子磁矩指向極化場H的方向。,質(zhì)子旋進(jìn)式磁敏傳感器,蒸餾水,T,,,,,,,,,,線圈,,質(zhì)子旋進(jìn)式磁敏傳感器的組成,E,若迅速撤去極化磁場,則M的數(shù)值與方向均來不及變化,弛豫過程來不及影響M的行為,此時,質(zhì)子磁矩在自旋和外磁場T的作用下以角速度繞外磁場T旋進(jìn)。在旋進(jìn)的過程中，周期性切割測量線圈，產(chǎn)生感應(yīng)信號。由于弛豫過程的作用，其信號幅度Vt的大小隨時間按指數(shù)規(guī)律衰減，其表示式為：,在實際工作時,線圈軸向與外磁場的夾角不正好保持900,由實測得知：總磁矩量值與sin2成正比例,所以,自由旋進(jìn)感應(yīng)信號的電壓幅值和sin2成比例。又考慮到旋進(jìn)信號按指數(shù)規(guī)律衰減的特點,其感應(yīng)信號完整表達(dá)式應(yīng)

8、為,M0磁化強(qiáng)度,如果接收線圈有W匝,所包圍的面積為S,充填因子為,則,角的大小只影響質(zhì)子旋進(jìn)信號的振幅大小，而并不影響質(zhì)子旋進(jìn)頻率，故在實際測量中，探頭無需嚴(yán)格定向。=900時，信號最大。,質(zhì)子旋進(jìn)信號強(qiáng)度,t2橫向馳豫時間； V0信號初始幅度。,由實驗得知,對于幾百cm3的樣品，線圈為數(shù)百匝的傳感器，在較好的情況下，質(zhì)子感應(yīng)信號僅為0.5 mV左右。 感應(yīng)信號的衰減還和外磁場梯度的大小有關(guān)。 理論分析和實驗表明：測量線圈中產(chǎn)生的感應(yīng)信號頻率即為質(zhì)子磁矩的旋進(jìn)頻率，這和公式 是一致的。,用質(zhì)子旋進(jìn)式磁敏傳感器測量外磁場的主要優(yōu)點是： 精度高，一般在（0.110）nT范圍內(nèi)； 穩(wěn)定性好（

9、因p是一常數(shù)，其值只與質(zhì)子本身有關(guān)，它的值與外界溫度、壓力、濕度等因素均無關(guān)）； 工作速度快，可直讀外磁場nT 值； 絕對值測量 其缺點是：,極化功率大,只能進(jìn)行快速點測；受磁場梯度影響較大,1. 樣品選擇,如果設(shè)計的傳感器系用于磁測作業(yè)，因水的縱向弛豫時間t1和橫向弛豫時間t2較長，故適合地面操作。,選擇樣品一定要選擇水或含有質(zhì)子的液體，如酒精、煤油、甘油等。幾種溶液的馳豫時間t1、t2數(shù)值見表。,如果有自動化程度高的測頻裝置，則可選用t1、t2時間短的樣品；如果在空中磁測，由于飛機(jī)航速快，選擇煤油作樣品則是合適的；如果在低溫地區(qū)工作，除考慮t1、t2外，還應(yīng)考慮選擇冰點低（如甘油）的樣品。

10、,三、質(zhì)子旋進(jìn)式磁敏傳感器的設(shè)計,考慮到無磁性，價格便宜，加工方便，選擇有機(jī)玻璃材料制作容器是合適的。,2. 容器的選擇,3. 激發(fā)與接收,據(jù)前述：極化場方向應(yīng)垂直于被測磁場，極化場的大小應(yīng)大于被測磁場200倍，被測磁場按0.510-4T計算，根據(jù)實踐經(jīng)驗，應(yīng)選大于10010-4T的極化場進(jìn)行激發(fā)較妥。為得到大的感應(yīng)信號，接收線圈的軸向應(yīng)垂直于被測磁場。必須采用預(yù)極化方式才能接收到旋進(jìn)的感應(yīng)信號。,由實驗和理論計算結(jié)果認(rèn)為；容器的直徑和長之比應(yīng)為l ：1.2（1.3） 的圓柱形為宜。,接收線圈的種類:地面?zhèn)鞲衅饔脝尉€圈,空中磁測用雙線圈,地震臺站用環(huán)形線圈, 海洋磁測用三軸式線圈。,CZM-2

11、型質(zhì)子磁力儀 IGS-2/MP-4質(zhì)子磁力儀,四、質(zhì)子旋進(jìn)式磁敏傳感器的應(yīng)用,光泵式磁敏傳感器是高靈敏度光泵磁力儀的核心部件。它是以某些元素的原子在外磁場中產(chǎn)生的塞曼分裂為基礎(chǔ)，并采用光泵和磁共振技術(shù)研制成的。,第二節(jié) 光泵式磁敏傳感器,磁力儀種類：按共振元素的不同,分為氦(He)光泵磁力儀,其中又分He3、He4光泵磁力儀;堿金屬光泵磁力儀,其共振元素有銣(Rb85、Rb87)、銫(Cs133)、鉀(K39)、汞(Hg)等。,靈敏度高,一般為0.01nT量級,理論靈敏度高達(dá)10-210-4nT響應(yīng)頻率高，可在快速變化中進(jìn)行測量 可測量磁場的總向量T及其分量，并能進(jìn)行連續(xù)測量,利用光泵傳感器做

12、成的測磁儀器，是目前實際生產(chǎn)和科學(xué)技術(shù)應(yīng)用中靈敏度較高的一種磁測儀器。它同質(zhì)子旋進(jìn)式磁力儀相比有以下特點：,,（一）塞曼效應(yīng) 塞曼效應(yīng)是指在外磁場中原子能級產(chǎn)生分裂的現(xiàn)象。,一、氦（He4）光泵式磁敏傳感器的物理基礎(chǔ),x,,,,,,,,,S,,,S,,,,,,,N,v2,v0,v1,O,v2,v0,v1,z,y,,,塞曼效應(yīng)：正常和反常塞曼效應(yīng),正常塞曼效應(yīng)：在弱磁場中,電子自旋量子數(shù)為零時(S=0)產(chǎn)生的塞曼效應(yīng)。,反常塞曼效應(yīng)：在弱磁場中,電子自旋量子數(shù)不為零(S0)時產(chǎn)生的塞曼效應(yīng),光泵式磁敏傳感器，不管是堿金屬Cs、Rb還是He4、He3光泵傳感器，電子自旋量子數(shù)均不為零（S0），并且

13、均是在弱磁場中工作，故屬反常塞曼效應(yīng)。,,,,,成分,成分,,當(dāng)原子在弱磁場H中時，總的軌道動量矩Pl和總的自旋動量矩Ps之間的“耦合”，沒有被拆開，這時，原子的殼層動量矩 Pj將帶著Pl和 Ps一起繞磁場H旋進(jìn)。如圖所示。由圖看出，磁場將使原子獲得的附加能量為：,H,Ps,Pl,,,,,,,,,,,,0,,,,,,,,,,,,,,,,H,Pj,Pl,Ps,0,弱磁場中Pj 、Pl 、Ps的旋進(jìn),,,(jH)磁場H和殼層磁矩j之間的夾角。,（二）反常的塞曼效應(yīng)的能級分裂,gE能級的郎得因子； f0拉莫爾旋進(jìn)頻率； 波爾磁子； h普朗克常數(shù)； m電子質(zhì)量； c光速。,

14、假設(shè)原子躍遷能級為E1、E2。在外磁場作用下，這兩個能級各自有附加能量E1，E2。原子就在附加能量的能級上產(chǎn)生躍遷。（如上圖所示）。,對外層電子只有一個在起作用，只考慮單電子的內(nèi)量子數(shù)，則可導(dǎo)出,磁場將使原子獲得的附加能量,氦原子有兩個電子，兩個質(zhì)子和兩個中子，核自旋互相抵消，核磁矩為零。在一般情況下，兩個電子都處在1s軌道，充滿n=l軌道，l=0，表現(xiàn)不出軌道磁矩；根據(jù)泡利不相容原理，兩個電子的自旋也必然相反，也顯示不出電子的自旋磁矩；因而氦原子在外磁場中不會產(chǎn)生塞曼分裂，也就無法利用He4進(jìn)行光泵磁測了。 為使沒有磁矩的He4產(chǎn)生磁矩，來測量磁場。將一電子激發(fā)到較高能級的軌道上,另一電于

15、仍處在1s態(tài)(基態(tài))。處在激發(fā)態(tài)的高能級上的電子, 其自旋狀態(tài)有兩種取向：一種是和處在基態(tài)(1s)的電子的自旋方向相同,所表現(xiàn)的總自旋量子數(shù)S=1/2+1/2=1；另一種是相反，S=1/2-1/2=0。,（三）氦（He4）原子能級的塞曼分裂,當(dāng)S=0時,由于l1=l2=0,所以J=0,即在磁場作用下,能級不發(fā)生分裂，表現(xiàn)為單重能級，稱這種情況為仲氦。 當(dāng)S=l時,由于l1=l2=0,所以J=1,在外磁場作用下,能級分裂為2J1=3個能級,能級表現(xiàn)為三重態(tài),這種情況稱正氦。,通過對塞曼效應(yīng)的分析，可得到以下幾點結(jié)論,2、磁共振的頻率大小取決于相鄰能級間的能量差 （E），E=hv。,1、塞曼分裂后

16、，相鄰能級之間的能量差極小，要觀察這樣小的分裂情況，只有通過能級間受激躍遷的方法，也就是用磁共振的方法進(jìn)行檢測。這里所指的受激躍遷，受激能量來自光，也就是通常所說的光泵（光抽運）方式。,3、由于塞曼分裂后，磁子能級間能量很小，信號只有微伏量級，要觀察這樣小的信號，必須外加一射頻場并用電子接收技術(shù)來完成。,4、在磁共振過程中，其它量子數(shù)不發(fā)生變化，而只有磁量子數(shù)在選擇定則的范圍內(nèi)變化，光泵式磁敏傳感器就是在這種情況下工作的。,He4原子在穩(wěn)態(tài)下既不具有核磁矩,也不具有殼層磁矩,整個原子不顯示磁性,在外磁場中不產(chǎn)生塞曼能級分裂。 當(dāng)把He4原子中一電子激發(fā)到亞穩(wěn)態(tài)時,對正氦s=l的情況,則具有電

17、子自旋磁矩。這時是單個電子的自旋磁矩 ,即原子的總磁矩等于電子的總自旋磁矩,即：J =S。由于電子自旋磁矩J是在外磁場作用下,故在外磁場方向上的投影為,二、氦（He4）光泵式磁敏傳感器的測磁原理,外磁場(弱磁場)作用在磁矩上的附加能量,s電子的總磁矩比,在亞穩(wěn)態(tài)（23s1）中，J=1，mj=0,1。對J=1的亞穩(wěn)態(tài)在外磁場中分裂為三個能級，兩相鄰磁子能級間的能量差為：,躍遷過程中輻射的光子能量恰好等于兩相鄰能級間的能量差，即：,由上式可看出：頻率f與外磁場T成正比關(guān)系，只要測出頻率f即可求得外磁場T的大小。,,f輻射頻率；h普郎克常數(shù)。,He4光泵式磁敏傳感器測磁原理公式,利用光使原子磁矩達(dá)到

18、定向排列的過程,也稱光學(xué)取向。,（一）光泵作用,實質(zhì),過程：在垂直于外磁場方向(即垂直于光軸)加一交變的磁場射頻場，使射頻場的頻率f0等于相鄰磁子能級間的躍遷頻率。根據(jù)受激躍遷原則，射頻場將使富集在mj=+1磁子能級上的原子，產(chǎn)生受激躍遷。首先向mj=0磁子能級上躍遷，再逐漸向mj=-1的磁子能級躍遷，使原子的分布規(guī)律服從玻爾茲曼分布規(guī)律。于是原子磁矩的定向排列被打亂，完成了磁共振的整個過程。,（二）磁共振作用,用射頻場打亂原子磁矩定向排列的過程。,在原子磁矩取向前，吸收室中大量亞穩(wěn)態(tài)正氦原子吸收由氦燈射來的D線，原子通過光泵作用將原子磁矩定向排列到某一能級上去，這時透過吸收室的光線相對較少，

19、稱作光弱(暗)；當(dāng)原子磁矩取向時刻，吸收室內(nèi)的原子磁矩已排列好，不再吸收D線，而透過吸收室的光相對變強(qiáng)，稱作光強(qiáng)(亮)。當(dāng)發(fā)生磁共振時，即原子磁矩取向被打亂，吸收D線產(chǎn)生光泵作用而重新取向，此時為暗。若能測量出通過吸收室樣品光線最暗時的射頻場頻率，即求得磁共振（吸收）頻率。,從吸收室光的強(qiáng)或弱（即從光學(xué)檢測）的角度出發(fā)，分析光泵作用和磁共振作用的全過程。,He4光泵式磁敏傳感器系由吸收室、氦燈、兩個透鏡、偏振片、/4、光敏元件等元器件組成。,三、光泵式磁敏傳感器的組成及工作原理,首先將測磁傳感器置于被測外磁場中，并使傳感器的軸向與外磁場方向平行，其后將高頻激發(fā)振蕩器打開，激發(fā)氦燈使發(fā)出D線；激

20、發(fā)He4吸收室使其處于亞穩(wěn)狀態(tài)。 這時燈發(fā)出的D線經(jīng)過透鏡將D線變成平行光，再經(jīng)偏振片和/4變成圓周極化光，直射至吸收室中的亞穩(wěn)態(tài)正氦上，正氦在外磁場作用下產(chǎn)生塞曼分裂，塞曼能級2s態(tài)原子吸收D線，躍遷到2P態(tài)而產(chǎn)生光泵作用。,He4光泵式磁敏傳感器的工作原理,光泵作用結(jié)果使原于磁矩取向于2s態(tài)某一磁子能級上。然后由RF娠蕩器提供給的射頻能量，打亂亞穩(wěn)態(tài)中某一磁子能級上原子磁矩的取問，產(chǎn)生磁共振作用。當(dāng)測出磁共振時射頻場的頻率f0，即可求出被測外磁場T的大小。 由前所述，磁共振頻率f0是由光敏元件通過光線的弱或強(qiáng)的變化來檢測，即由射頻振蕩器指示出的吸收室最暗時刻相對應(yīng)的頻率，就是所要測量

21、的共振頻率f0。,四、磁共振檢測方法,大調(diào)頻法：是一種粗略地觀察與測量共振信號的方法，信號源提供振蕩頻率接近于共振頻率的電磁波，同時被一個鋸齒波所調(diào)制。輸給樣品的電磁波振蕩頻率圍繞著中心頻率有一變化范圍。,大調(diào)頻法、大調(diào)場法、小調(diào)頻法,調(diào)制信號頻率為幾Hz幾十Hz。,要求：調(diào)頻幅度必須大于譜線寬度，使信號源頻率變化范圍覆蓋樣品共振區(qū)，故稱大調(diào)頻法。,大調(diào)場法：在觀察塞曼分裂能級之間的共振吸收時（磁共振），也可用固定頻率的信號源，通過改變恒磁場的方法進(jìn)行，即大調(diào)場法。,小調(diào)頻法：用兩個調(diào)頻信號，一個是調(diào)頻幅度小于譜線線寬，稱為小調(diào)頻，由正弦波發(fā)生器供給。其調(diào)制頻率一般為幾十Hz到幾百Hz 。另一個調(diào)頻幅度大于譜線線寬，稱為慢掃頻，它由慢掃頻發(fā)生器供給。掃頻頻率與小調(diào)頻的調(diào)制頻率相等。慢掃頻使信號源的振蕩頻率緩慢通過共振區(qū)。,原理：當(dāng)改變恒磁場時，塞曼能級的間距發(fā)生變化，當(dāng)磁場變化到使兩塞曼能級間的能量差滿足E=hf 時發(fā)生共振,樣品吸收電磁波功率。,五、氦（He4） 光泵式磁敏 傳感器的應(yīng)用,是一種根據(jù)小調(diào)頻法 檢測磁共振的磁力儀,