幾種常用的磁性測量儀器-2019年ppt課件

1、常用磁性測量儀器（I）（共 55 頁,磁性信號的產(chǎn)生與檢測 磁性信號的測量儀器（I） 電磁感應(yīng)原理,磁性信號的產(chǎn)生與檢測,磁性信號及其產(chǎn)生方式 磁場的產(chǎn)生方法 磁性信號的采集方法 磁性信號的處理,信號1,磁性信號的定義,磁學(xué) 所有的物質(zhì)都具有某種磁性 磁性信號 僅限于物質(zhì)的磁性 有時需要人為產(chǎn)生磁性信號,信號2,磁性信號的確認(rèn),帶有磁性信號的物體穿過由導(dǎo)線構(gòu)成的回路時，將有感生電動勢產(chǎn)生。在閉合回路中產(chǎn)生感生電流。 帶有磁性信號的物體在非均勻磁場中將受到力的作用,信號3,磁性信號的產(chǎn)生方法,信號4,含有剩磁的物體 單疇磁性顆粒（單個） 已充磁的永磁材料 經(jīng)特殊加工工藝處理的物體 在磁場中的物體

2、 任何處于磁場中的物體,磁場的產(chǎn)生,磁場,磁場強度分布,生物 磁場,天體 磁場,地磁場,永磁體 電磁鐵,亥姆霍茲線圈,超導(dǎo) 磁體,脈沖磁場,磁性信號的檢測目的,信號5,基本）粒子的磁矩 單原子、單分子的磁矩 原子團、聚合物的磁性 大塊材料： (比)(飽和)磁矩(磁化強度、磁感應(yīng)強度)、 (內(nèi)稟)矯頑力、居里溫度、(最大)磁能積、 磁化率、磁導(dǎo)率、磁疇、磁各向異性、 磁致伸縮，等等,磁性信號的檢測內(nèi)容,磁性分類 具體的物質(zhì)具有何種磁性 磁性的變化規(guī)律 環(huán)境溫度、壓力、氣氛 外加電、磁場 時間,信號7,磁性信號的測量儀器,信號8,電 磁 感 應(yīng) 原 理,Faraday Law of Electro

3、magnetic Induction,電 磁 感 應(yīng) 原 理,面積 A,磁通量,電磁感應(yīng)1,電 磁 感 應(yīng) 原 理,磁通量,電磁感應(yīng)2,必須明確的幾個問題,自由空間的穩(wěn)態(tài)磁通可以直接測量磁通計 樣品內(nèi)部的穩(wěn)態(tài)磁通無法直接測量 ？ 變化的磁通可以直接測量,如何產(chǎn)生變化的磁通 如何測量變化的磁通,電 磁 感 應(yīng) 原 理,電磁感應(yīng)3,t0,t1,t,t,沖 擊 法 磁 強 計 法 電 動 法 感應(yīng)（測量發(fā)電機）法,電 子 積 分 器、數(shù) 字 積 分 器,各種自動直流磁性測量儀器,沖 擊 法,Ballistic Galvanometer （沖擊檢流計,沖 擊 法,沖擊法1,最具原理性的磁性測量方法,J

4、為轉(zhuǎn)動慣量，為偏轉(zhuǎn)角， 為阻尼系數(shù) w為扭轉(zhuǎn)系數(shù)，B0為磁感應(yīng)強度， A和N為面積和匝數(shù)，i為瞬時電流,H線圈,B線圈,樣品,沖擊檢流計,沖 擊 法,沖擊法2,應(yīng)盡量滿足的條件靈敏度,脈沖電流完畢之后，電流計線圈開始轉(zhuǎn)動： 電流計線圈的轉(zhuǎn)動慣量越大，越滿足此條件。 檢流計處于臨界阻尼狀態(tài)； 檢流計比較慢地達到最大讀數(shù)，很快降為零。 被測磁通應(yīng)盡量為瞬時變化： 非瞬時變化引入很大的誤差。 線圈的自由振蕩周期要遠(yuǎn)大于磁通變化的時間 一般在10倍以上。 需要測定沖擊檢流計的沖擊常數(shù)C 使用互感系數(shù)M已知的互感線圈,沖 擊 法,沖擊法3,沖擊法的優(yōu)點 1、可以開路、閉路測量； 2、儀器設(shè)備簡單,閉路：

5、磁路閉合 開路：磁路不閉合,沖擊法的缺點 1、積分式數(shù)據(jù)采集：零漂移； 2、要求使用具有特定形狀的樣品； 3、靈敏度較低,等截面積（常數(shù),沖擊法的使用,教學(xué)演示實驗：電磁感應(yīng)定律,工業(yè)：發(fā)電機,工業(yè)：磁體的磁性能測量,迴線儀：永磁材料的永磁性能檢測,美國KJS公司,中國計量科學(xué)研究院,德國MagnetPhysik公司,NIM2000系列,Permagraph系列,HG500,振動樣品磁強計,Vibrating Sample Magnetometer (VSM,VSM的設(shè)計理念,為什么要振動樣品？ 為什么要使用雙線圈？四線圈？ 為什么要調(diào)節(jié)鞍區(qū)？ 為什么要定標(biāo)磁矩,VSM的作業(yè)題目,振 動 樣

6、品 磁 強 計,VSM1,檢測線圈,樣品,磁偶極子,磁偶極子的方向：,為什么要振動樣品,振 動 樣 品 磁 強 計,VSM2,VSM幾個關(guān)鍵的問題,樣品必須處于均勻磁場中：均勻區(qū) 我們只能檢測感應(yīng)電動勢：檢測線圈 怎樣得到磁偶極子：樣品、驅(qū)動方式 樣品線圈振幅頻率,振 動 樣 品 磁 強 計,VSM3,磁場均勻區(qū),螺線管,d,圓柱極頭 電磁鐵,圓臺極頭 電磁鐵,無限長螺線管 亥姆霍茲線圈 超導(dǎo)磁體,均勻區(qū)較大 磁場強度可能較低,均勻區(qū)較小 磁場強度可能很高,振 動 樣 品 磁 強 計,VSM4,檢測線圈感應(yīng)電動勢,Z,設(shè)線圈面積為S，匝數(shù)為N,感應(yīng)電動勢,只有z方向分量,振 動 樣 品 磁 強

7、 計,VSM5,檢測線圈感應(yīng)電動勢磁矩,兩個關(guān)于線圈的假設(shè)：（永遠(yuǎn)適用） 檢測線圈位置固定； 樣品沿固定方向（X或者Y）磁化,式中,為檢測線圈位置函數(shù),感應(yīng)電動勢磁矩驅(qū)動方式線圈位置的關(guān)系如下,振 動 樣 品 磁 強 計,VSM6,檢測磁矩的最終表達式,必須滿足的條件：（確保永遠(yuǎn)適用） 檢測線圈尺寸、位置固定； 樣品沿固定方向（X或者Y）磁化； 樣品尺寸與線圈位置：滿足磁偶極子條件 有足夠大的“鞍點區(qū),振 動 樣 品 磁 強 計,VSM7,串聯(lián)反接檢測線圈,檢測線圈位置函數(shù),定義：空間位置函數(shù)fZ(r)中各頻率成份中與位置有關(guān)的函數(shù)， 為該頻率成份的線圈幾何因子KF,基頻的線圈幾何因子KF1,

8、為什么要使用雙線圈,振 動 樣 品 磁 強 計,VSM8,串聯(lián)反接檢測線圈,基頻（）的貢獻,1,2,Z,X,Coil 1,Coil 2,D,線圈直徑：D 樣品_線圈：r（x） 當(dāng)r2 5D2時， 在 x 處，KF1為正 即6326 11634 在 x 處，KF1為負(fù) 即24326 29634,為什么要使用雙線圈,振 動 樣 品 磁 強 計,VSM9,串聯(lián)反接檢測線圈,二次諧波（2）的貢獻,Z,X,對于滿足基頻線圈幾何因子所確定的串聯(lián)反接雙線圈， 二次諧波在該線圈對中的感應(yīng)電動勢等于零,496,13054,為什么要使用雙線圈,不用線圈如何,使用磁場（自由空間磁通）傳感器？ 完全可以！ 必須解決的

9、問題： 能夠扣除磁化磁場等雜散磁場的影響 必須可以即時響應(yīng)磁通的變化 必須能夠?qū)Υ啪剡M行定標(biāo) 必須有滿足測量要求的靈敏度,為什么使用四線圈,鞍區(qū)磁場靈敏度,Z,X,為什么要使用四線圈,基于電磁鐵的VSM,高磁場使得極頭間距變小，導(dǎo)致鞍區(qū)縮小 減小線圈之間的距離可以提高靈敏度，但鞍區(qū)縮小 四線圈可以使得鞍區(qū)擴大，但降低了靈敏度,振 動 樣 品 磁 強 計,VSM10,鞍點區(qū),定義：對串聯(lián)反接線圈，在樣品所處磁場區(qū)的中心位置附近， 線圈中的感應(yīng)電動勢對樣品位置不敏感的區(qū)域,磁化方向,振動方向,橫向方向,0,距離,鞍點區(qū)”的意義 樣品的安裝 位置調(diào)節(jié),為什么要調(diào)節(jié)鞍區(qū),什么時候需要調(diào)節(jié)鞍區(qū),任何時候

10、?。ǔ藴y量進行之中,磁矩定標(biāo)時； 開始測量樣品前,定義：對串聯(lián)反接線圈，在樣品所處磁場區(qū)的中心位置附近， 線圈中的感應(yīng)電動勢對樣品位置不敏感的區(qū)域,為什么要調(diào)節(jié)鞍區(qū),什么時候可以不用調(diào)節(jié)鞍區(qū)：樣品處于位置不敏感區(qū),振 動 樣 品 磁 強 計,VSM11,磁矩的定標(biāo),電壓有效值與磁矩的關(guān)系,標(biāo)準(zhǔn)樣品比磁化強度：Standard；質(zhì)量：mStandard,待測樣品比磁化強度：Sample；質(zhì)量：mSample,為什么要定標(biāo)磁矩,振 動 樣 品 磁 強 計,VSM12,振動樣品磁強計的發(fā)展歷史,前提：滿足磁偶極子的條件,驅(qū)動：頻率、振幅穩(wěn)定 遠(yuǎn)離市電頻率及其諧波,測量：檢測交流電壓非積分式,振 動

11、 樣 品 磁 強 計,VSM13,振動樣品磁強計的發(fā)展歷史,1956， G. W. van Oosterhout, Appl. Sci. Res., B6, 101-104 (1956) 1956， S. Foner, Rev. Sci. Instrum., 27, 548 (1956) 1959， S. Foner, Rev. Sci. Instrum., 30, 548-557 (1959) 1975， 被IEC(國際電工委員會)推薦為測量鐵氧體材料 飽和磁化強度的標(biāo)準(zhǔn)方法之一 1960s，鎖相放大技術(shù)(1930s)的使用 1980s，自動控制技術(shù)的廣泛使用,振 動 樣 品 磁 強 計,VSM14,振動樣品磁強計的發(fā)展歷史,相敏檢波器 鎖相放大器,XY記錄儀 電子計算機,振 動 樣 品 磁 強