磁敏传感器课件_35页.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第二章 磁敏传感器,第一节 质子旋进式磁敏传感器,第二节 光泵式磁敏传感器,第三节,SQUID,磁敏传感器,第四节 磁通门式磁敏传感器,第五节 感应式磁敏传感器,第六节 半导体磁敏传感器,第七节 机械式磁敏传感器,磁敏传感器是对磁场参量,(,B,H,),敏感的元器件或装置,具有把磁学物理量转换为电信号的功能。,质子旋进式磁敏传感器,光泵式磁敏传感器,SQUID（,超导量子干涉器）磁敏传感器,磁通门式磁敏传感器,感应式磁敏传感器,半导体磁敏传感器,霍尔器件、磁敏二极管、磁敏三极管、磁敏电阻,机械式磁敏传感器,光纤式磁敏传感器,磁敏传感器的种类,质子旋进式磁敏传感器是利用质子在外磁场中的旋进现象，根据磁共振原理研制成功的。,物理学已证明物质是具有磁性的。对水分子（,H,2,O）,而言，从其分子结构、原子排列和化学价的性质分析得知：,水分子磁矩（即氢质子磁矩）在外磁场作用下绕外磁场旋进,。,一、质子旋进式磁敏传感器的测磁原理,质子磁矩旋进,T,M,质子的旋进频率,p,为质子旋磁比；,T,为外磁场强度,f=,p,T,/2,第一节 质子旋进式磁敏传感器,从经典力学和量子力学观点,此公式的来源均能得以论证。,为方便起见，在此采用经典力学的观点，分析直角坐标系中质子磁矩的旋进情况。,设质子磁矩,M,在外磁场,T,作用下有一力矩,M,T,，,于是，它和陀螺一样，其动量矩的变化率等于外加力矩，即：,动量矩变化率,磁矩三个分量,设,T,z,=T(,外磁场,)；,T,x,=0；,T,y,=0,对,上式,中的第一式微分,显然，为简谐运动方程，其解为,同理,z,x,y,M,z,M,M,y,M,x,磁矩,M,旋进规律变化示意图,从上式可看出，,M,z,是常数，磁矩,M,在,z,轴上的投影是不变的；磁矩,M,在,x,轴上的投影是按余弦规律变化的；磁矩,M,在,y,轴上的投影是按正弦规律变化的。由图看出：,磁矩,M,在,xy,平面上的投影的绝对值是一个常数，并且在,xy,平面上旋进。,常数,综合起来看，,质子磁矩,M,在外磁场,T,的作用下，绕外磁场,T,旋进，它的轨迹描绘出一个圆锥体，旋进的角频率为,，,称为拉莫尔频率（,Larmor,frequency）,。,根据简谐运动方程，可得到：,即：,将此值代入上式,p,=（2.675130.00002）S,-1,T,-1,可见，频率,f,与磁场,T,成正比，只要能测出频率,f,，,即可间接求出外磁场,T,的大小,从而达到测量外磁场的目的。,需要指出的是：这里没有考虑驰豫时间,是在假设,角不变、信号不衰减的前提下分析测磁原理的。但是，在实际工作中是有驰豫时间的，信号也是衰减的。,当被测磁场很弱时，信号幅度大大衰减。对微弱的被测磁场，用一般的核磁共振检测方法是接收不到旋进信号的。为了测得质子磁矩,M,绕外磁场的旋进频率,f,信号，必须采取特殊方法：,二、磁场的测量与旋进信号,在核磁共振中，共振信号的幅度与被测磁场,T,3/2,成正比。,使沿外磁场方向排列的质子磁矩,在极化场的激励下,建立质子宏观磁矩,并使其方向于外磁场方向垂直或接近垂直,通常采用预极化方法或辅助磁场方法来建立质子宏观磁矩，以增强信号幅度。,具体作法是,:,用圆柱形玻璃容器装满水样品或含氢质子液体，作为灵敏元件，在容器周围绕上极化线圈和测量线圈或共用一个线圈，使线圈轴向垂直于外磁场,T,方向。,在垂直于外磁场方向加一极化场,H（,该场强约为外磁场的,200,倍）。在极化场作用下，容器内水中质子磁矩沿极化场方向排列，形成宏观磁矩，如下图所示。,预极化法示意图,H,*,M,M,M,H,T,当质子磁矩在旋进过程中切割线圈，使线圈环绕面积中的磁通量发生变化，于是在线圈中就产生感应电动势。,当去掉极化场,H，,质子磁矩则以拉莫尔旋进频率绕外磁场旋进。,M,若测出感应电压的频率，就可计算出外磁场的大小,。因为极化场,H,大于外磁场，故此法可使信噪比增大,H/T,倍。设外磁场,T,的磁感强度为,0.510,-4,T，,极化场,H,的磁感强度为,10010,-4,T，,则可使信噪比增大,200,倍。,=,T,t,2,t,在自由旋进的过程中，磁矩,M,的横向分量以,t,2,（,横向弛豫时间）为时间常数并随时间逐渐趋近于零；在测量线圈中所接收的感应信号，也是以,t,2,为时间常数按指数规律衰减的。,M,衰减示意图,感应信号衰减示意图,x,y,核心：,500,cc,左右有机玻璃容器,在容器外面绕以,数百匝,的导线,使,线圈,轴向与外磁场方向大致,垂直,线圈中通以,13,A,的电流,而形成约,0.01,T,的极化场,使水中质子磁矩指向极化场,H,的方向。,质子旋进式磁敏传感器,蒸馏水,T,计数器,放大器,线圈,质子旋进式磁敏传感器的组成,E,若迅速撤去极化磁场,则,M,的数值与方向均来不及变化,弛豫过程来不及影响,M,的行为,此时,质子磁矩在自旋和外磁场,T,的作用下以角速度,绕外磁场,T,旋进。在旋进的过程中，周期性切割测量线圈，产生感应信号。由于弛豫过程的作用，其信号幅度,V,t,的大小随时间按指数规律衰减，其表示式为：,在实际工作时,线圈轴向与外磁场的夹角,不正好保持,90,0,由实测得知：总磁矩量值与,sin,2,成正比例,所以,自由旋进感应信号的电压幅值和,sin,2,成比例。又考虑到旋进信号按指数规律衰减的特点,其感应信号完整表达式应为,M,0,磁化强度,如果接收线圈有,W,匝,所包围的面积为,S,充填因子为,则,角的大小只影响质子旋进信号的振幅大小，而并不影响质子旋进频率，故在实际测量中，探头无需严格定向。,=,90,0,时，信号最大。,质子旋进信号强度,t,2,横向驰豫时间；,V,0,信号初始幅度。,由实验得知,对于几百,cm,3,的样品，线圈为数百匝的传感器，在较好的情况下，质子感应信号仅为,0.5,mV,左右。,感应信号的衰减还和,外磁场梯度,的大小有关。,理论分析和实验表明：测量线圈中产生的感应信号频率即为质子磁矩的旋进频率，这和公式 是一致的。,用质子旋进式磁敏传感器测量外磁场的主要,优点,是：,精度高,，一般在（,0.110）,nT,范围内；,稳定性好,（因,p,是一常数，其值只与质子本身有关，它的值与外界温度、压力、湿度等因素均无关）；,工作速度快,，可直读外磁场,nT,值,；,绝对值测量,其,缺点,是：,极化功率大,只能进行快速,点测,；受磁场梯度影响较大,1.,样品选择,如果设计的传感器系用于磁测作业，因水的纵向弛豫时间,t,1,和横向弛豫时间,t,2,较长，故适合地面操作。,选择样品一定要选择水或含有质子的液体,，如酒精、煤油、甘油等。几种溶液的驰豫时间,t,1,、t,2,数值见表。,溶液,时间,/,s,t,1,t,2,水,2.3,3,煤油,0.7,1,如果有自动化程度高的测频装置，则可选用,t,1,、t,2,时间短的样品；如果在空中磁测，由于飞机航速快，选择煤油作样品则是合适的；如果在低温地区工作，除考虑,t,1,、t,2,外，还应考虑选择冰点低（如甘油）的样品。,三、质子旋进式磁敏传感器的设计,考虑到无磁性，价格便宜，加工方便，选择有机玻璃材料制作容器是合适的,。,2.,容器的选择,3.,激发与接收,据前述：,极化场方向应垂直于被测磁场，极化场的大小应大于被测磁场,200,倍,，被测磁场按,0.510,-4,T,计算，根据实践经验，应选大于,10010,-4,T,的极化场进行激发较妥。为得到大的感应信号，,接收线圈的轴向应垂直于被测磁场,。必须采用预极化方式才能接收到旋进的感应信号。,由实验和理论计算结果认为；,容器的直径和长之比应为,l：1.2（1.3）,的圆柱形为宜,。,接收线圈的种类,:,地面传感器用单线圈,空中磁测用双线圈,地震台站用环形线圈,海洋磁测用三轴式线圈。,CZM-2,型质子磁力仪,IGS-2/MP-4,质子磁力仪,四、质子旋进式磁敏传感器的应用,CZM-2,型质子磁力仪,磁化,系统,选频,放大器,压控,倍频器,电子门,计数器,数字,译码显示,数字,打印输出,晶振分频及程序控制,稳压器,DC,+13V-+18V,传感器,打印指令,+10V,自校,测量,IGS-2,型质子磁力仪的系统扩展及外设配置,打印机,曲线记录仪,磁带记录仪,微型计算机,调制解调器,IG2-2,控制台,磁力仪,MP-4,电磁仪,EM,甚低频仪,VLF,计算机,光泵式磁敏传感器是高灵敏度光泵磁力仪的核心部件。它,是以某些元素的原子在外磁场中产生的塞曼分裂为基础，并采用光泵和磁共振技术研制成的。,第二节 光泵式磁敏传感器,磁力仪种类：按共振元素的不同,分为,氦,(,He),光泵磁力仪,其中又分,He,3,、He,4,光泵磁力仪,;,碱金属光泵磁力仪,其共振元素有铷,(,Rb,85,、Rb,87,)、,铯(,Cs,133,)、,钾(,K,39,)、,汞(,Hg),等。,灵敏度高,一般为,0.01,nT,量级,理论灵敏度高达,10,-2,10,-4,nT,响应频率高,，可在快速变化中进行测量,可测量磁场的总向量,T,及其分量，并能进行连续测量,利用光泵传感器做成的测磁仪器，是目前实际生产和科学技术应用中灵敏度较高的一种磁测仪器。它同质子旋进式磁力仪相比有以下特点：,（一）塞曼效应,塞曼效应是指在外磁场中原子能级产生分裂的现象,。,一、氦（,He,4,）,光泵式磁敏传感器的物理基础,x,S,S,N,v,2,v,0,v,1,O,v,2,v,0,v,1,z,y,塞曼效应：正常和反常塞曼效应,正常塞曼效应：在弱磁场中,电子自旋量子数为零时,(,S=0),产生的塞曼效应。,反常塞曼效应：在弱磁场中,电子自旋量子数不为零,(,S0),时产生的塞曼效应,光泵式磁敏传感器，不管是碱金属,Cs,、,Rb,还是,He,4,、,He,3,光泵传感器，电子自旋量子数均不为零（,S0,），,并且均是在弱磁场中工作，故属反常塞曼效应。,成分,成分,当原子在弱磁场,H,中时，,总的轨道动量矩,P,l,和,总的自旋动量矩,P,s,之间的“耦合”，没有被拆开，这时，,原子的壳层动量矩,P,j,将带着,P,l,和,P,s,一起绕磁场,H,旋进。如图所示。由图看出，磁场将使原子获得的附加能量为：,H,P,s,P,l,0,H,P,j,P,l,P,s,0,弱磁场中,P,j,、,P,l、,P,s,的旋进,(,jH,),磁场,H,和壳层磁矩,j,之间的夹角。,（二）反常的塞曼效应的能级分裂,E,1,+,E,1,E,1,E,2,+,E,2,E,1,E,2,v,v,0,原子能级跃迁示意图,gE,能级的郎得因子；,f,0,拉莫尔旋进频率；,波尔磁子；,h,普朗克常数；,m,电子质量；,c,光速。,假设原子跃迁能级为,E,1,、,E,2,。,在外磁场作用下，这两个能级各自有附加能量,E,1,，,E,2,。,原子就在附加能量的能级上产生跃迁。（如上图所示）。,对外层电子只有一个在起作用，只考虑单电子的内量子数，则可导出,磁场将使原子获得的附加能量,氦原子有两个电子，两个质子和两个中子，核自旋互相抵消，核磁矩为零。在一般情况下，两个电子都处在,1,s,轨道，充满,n,=l,轨道，,l,=0，,表现不出,轨道磁矩,；根据泡利不相容原理，两个电子的自旋也必然相反，也显示不出电子的,自旋磁矩,；因而氦原子在外磁场中不会产生塞曼分裂，也就无法利用,He,4,进行光泵磁测了。,为使没有磁矩的,He,4,产生磁矩，来测量磁场。将一电子激发到较高能级的轨道上,另一电于仍处在,1,s,态(,基态,),。处在,激发态,的高能级上的电子,其自旋状态有两种取向：一种是和处在基态,(1,s,),的电子的自旋方向相同,所表现的总自旋量子数,S=1/2+1/2=1,；,另一种是相反，,S=1/2-1/2=0,。,（三）氦（,He,4,）,原子能级的塞曼分裂,当,S,=0,时,由于,l,1,=,l,2,=0,所以,J,=0,即在磁场作用下,能级不发生分裂，表现为单重能级，称这种情况为,仲氦,。,当,S,=l,时,由于,l,1,=,l,2,=0,所以,J,=1,在外磁场作用下,能级分裂为,2,J,1=3,个能级,能级表现为三重态,这种情况称,正氦,。,通过对塞曼效应的分析，可得到以下几点结论,2,、磁共振的频率大小取决于相邻能级间的能量差 （,E,），,E,=,hv,。,1,、塞曼分裂后，相邻能级之间的能量差极小，要观察这样小的分裂情况，只有通过能级间受激跃迁的方法，也就是用磁共振的方法进行检测。这里所指的受激跃迁，受激能量来自光，也就是通常所说的光泵（光抽运）方式。,3,、由于塞曼分裂后，磁子能级间能量很小，信号只有微伏量级，要观察这样小的信号，必须外加一射频场并用电子接收技术来完成。,4,、在磁共振过程中，其它量子数不发生变化，而只有磁量子数在选择定则的范围内变化，光泵式磁敏传感器就是在这种情况下工作的。,He,4,原子在稳态下既不具有,核磁矩,也不具有,壳层磁矩,整个原子不显示磁性,在外磁场中不产生塞曼能级分裂。,当把,He,4,原子中一电子激发到亚稳态时,对正氦,s,=l,的情况,则具有,电子自旋磁矩,。这时是单个电子的自旋磁矩,即原子的总磁矩等于电子的总自旋磁矩,即：,J,=,S,。,由于电子自旋磁矩,J,是在外磁场作用下,故在外磁场方向上的投影为,二、氦（,He4）,光泵式磁敏传感器的测磁原理,外磁场,(,弱磁场,),作用在磁矩上的附加能量,s,电子的总磁矩比,在亚稳态（,2,3,s,1,）,中，,J=,1,，,m,j,=0,1。,对,J,=1,的亚稳态在外磁场中分裂为三个能级，两相邻磁子能级间的能量差为：,跃迁过程中辐射的光子能量恰好等于两相邻能级间的能量差，即：,由上式可看出：频率,f,与外磁场,T,成正比关系，只要测出频率,f,即可求得外磁场,T,的大小。,f,辐射频率；,h,普郎克常数。,He,4,光泵式磁敏传感器测磁原理公式,j,=1,1,1,1,1,j,=1,D,1,2,3,S,1,2,2,P,1,D1,线作用下,He4,亚稳态原子的光泵作用示意图,0,0,m,j,利用光使原子磁矩达到定向排列的过程,也称光学取向。,（一）光泵作用,实质,过程：在垂直于外磁场方向,(,即垂直于光轴,),加一交变的磁场,射频场，使射频场的频率,f,0,等于相邻磁子能级间的跃迁频率。根据受激跃迁原则，射频场将使富集在,m,j,=+1,磁子能级上的原子，产生受激跃迁。首先向,m,j,=0,磁子能级上跃迁，再逐渐向,m,j,=,-,1,的磁子能级跃迁，使原子的分布规律服从,玻尔兹曼,分布规律。于是原子磁矩的定向排列被打乱，完成了磁共振的整个过程。,（二）磁共振作用,用射频场打乱原子磁矩定向排列的过程。,在原子磁矩取向前，吸收室中大量亚稳态正氦原子吸收由氦灯射来的,D,线，原子通过光泵作用将原子磁矩定向排列到某一能级上去，这时透过吸收室的光线相对较少，称作光弱,(暗),；当原子磁矩取向时刻，吸收室内的原子磁矩已排列好，不再吸收,D,线，而透过吸收室的光相对变强，称作光强,(亮),。当发生磁共振时，即原子磁矩取向被打乱，吸收,D,线产生光泵作用而重新取向，此时为暗。若能测量出通过吸收室样品光线最暗时的射频场频率，即求得磁共振（吸收）频率。,从吸收室光的强或弱（即从光学检测）的角度出发，分析光泵作用和磁共振作用的全过程。,2,3,4,5,8,9,10,6,1,放大,图,2.2-6,He,4,光泵式磁敏传感器的组成框图,1,高频激发振荡器；,2,氦灯；,3,透镜,1,；,4,偏振偏；,5 /4,；,6,吸收室；,7,RF,振荡器；,8,射频线圈；,9,透镜,2,；,10,光敏元件,7,He,4,光泵式磁敏传感器系由,吸收室、氦灯、两个透镜、偏振片、,/4、,光敏元件,等元器件组成。,三、光泵式磁敏传感器的组成及工作原理,首先将测磁传感器置于被测外磁场中，并使传感器的轴向与外磁场方向平行，其后将高频激发振荡器打开，激发氦灯使发出,D,线；激发,He,4,吸收室使其处于亚稳状态。,这时灯发出的,D,线经过透镜将,D,线变成平行光，再经偏振片和,/4,变成圆周极化光，直射至吸收室中的亚稳态正氦上，正氦在外磁场作用下产生塞曼分裂，塞曼能级,2,s,态原子吸收,D,线，跃迁到,2,P,态而产生光泵作用。,He,4,光泵式磁敏传感器的工作原理,光泵作用结果使原于磁矩取向于,2,s,态某一磁子能级上。然后由,RF,娠荡器提供给的射频能量，打乱亚稳态中某一磁子能级上原子磁矩的取问，产生磁共振作用。当测出磁共振时射频场的频率,f,0,，,即可求出被测外磁场,T,的大小。,由前所述，磁共振频率,f,0,是由光敏元件通过光线的弱或强的变化来检测，即由射频振荡器指示出的吸收室最暗时刻相对应的频率，就是所要测量的共振频率,f,0,。,四、磁共振检测方法,大调频法,：是一种粗略地观察与测量共振信号的方法，信号源提供振荡频率接近于共振频率的电磁波，同时被一个锯齿波所调制。输给样品的电磁波振荡频率围绕着中心频率有一变化范围。,大调频法、大调场法、小调频法,调制信号频率为几,Hz,几十,Hz。,要求：调频幅度必须大于谱线宽度，使信号源频率变化范围覆盖样品共振区，故称,大调频法,。,大调场法,：在观察塞曼分裂能级之间的共振吸收时（磁共振），也可用固定频率的信号源，通过改变恒磁场的方法进行，即大调场法。,小调频法,：,用两个调频信号，一个是调频幅度小于谱线线宽，称为,小调频,，由正弦波发生器供给。其调制频率一般为几十,Hz,到几百,Hz。,另一个调频幅度大于谱线线宽，称为,慢扫频,，它由慢扫频发生器供给。扫频频率与小调频的调制频率相等。慢扫频使信号源的振荡频率缓慢通过共振区。,原理：当改变恒磁场时，塞曼能级的间距发生变化，当磁场变化到使两塞曼能级间的能量差满足,E,=,hf,时,发生共振,样品吸收电磁波功率。,五、氦（,He,4,）,光泵式磁敏 传感器的应用,He,4,跟踪式光泵磁力仪方框图,数模转换器,记录器,计数器,打印机,倍频器,压控振荡器,低频振荡器,移相器,选频放大器,相敏检波器,积分器,He,4,传感器,高频振荡器,是,一种根据小调频法 检测磁共振的磁力仪,