傳感器教學課件第4章磁傳感器6-7

1、傳感器教學課件第傳感器教學課件第4 4章磁傳感器章磁傳感器6-76-7第五節(jié)第五節(jié) 磁通門式磁敏傳感器磁通門式磁敏傳感器一、磁通門式磁敏傳感器的物理基礎一、磁通門式磁敏傳感器的物理基礎2BAHsHcFBr-HcE-BrDC靜態(tài)磁滯回線示意圖靜態(tài)磁滯回線示意圖BsHOB磁飽和現象磁飽和現象飽和磁感應強度飽和磁感應強度Bs飽和磁場強度飽和磁場強度Hs 最大剩磁最大剩磁B Br r磁滯現象：磁感應強度的變化磁滯現象：磁感應強度的變化滯后于磁場滯后于磁場H H的變化的變化B Br r, , B Bs s，H Hs s及矯頑力及矯頑力H Hc c是磁性材料的四是磁性材料的四個重要參數。個重要參數。磁通門

2、傳感器使用軟磁性材料。磁通門傳感器使用軟磁性材料。動態(tài)磁導率動態(tài)磁導率dHdBd第五節(jié)第五節(jié) 磁通門式磁敏傳感器磁通門式磁敏傳感器一、磁通門式磁敏傳感器的物理基礎一、磁通門式磁敏傳感器的物理基礎3 概念：物體在磁場中被磁化后，在磁化方向上會產生伸概念：物體在磁場中被磁化后，在磁化方向上會產生伸長或縮短現象，稱為磁致伸縮現象。長或縮短現象，稱為磁致伸縮現象。 磁致伸縮現象對磁通門磁致伸縮現象對磁通門磁敏傳感器是十分有害的，磁敏傳感器是十分有害的，在選擇傳感器材料和磁心在選擇傳感器材料和磁心骨架時必須予以考慮避免。骨架時必須予以考慮避免。幾種磁性材料的伸縮系數幾種磁性材料的伸縮系數3020100-

3、10-20-30l/lFeCoNi010203040 H/10-4T45 坡莫合金l/l稱為磁致伸縮系數稱為磁致伸縮系數鐵鎳鐵鎳4:1比例的合金會使比例的合金會使得遲滯伸縮系數達到得遲滯伸縮系數達到0第五節(jié)第五節(jié) 磁通門式磁敏傳感器磁通門式磁敏傳感器二、磁通門式磁敏傳感器的二次諧波法測磁原理二、磁通門式磁敏傳感器的二次諧波法測磁原理4長條形單磁芯非閉合式磁芯長條形雙磁芯磁芯長方形磁芯閉合式磁芯 跑道形磁芯 圓形磁芯從這幾種磁芯的性能來說，以圓形較好，跑道形次之。在磁從這幾種磁芯的性能來說，以圓形較好，跑道形次之。在磁場的分量測量中，用場的分量測量中，用跑道形磁芯跑道形磁芯較多。較多。第五節(jié)第五

4、節(jié) 磁通門式磁敏傳感器磁通門式磁敏傳感器二、磁通門式磁敏傳感器的二次諧波法測磁原理二、磁通門式磁敏傳感器的二次諧波法測磁原理5當線圈的軸向存在當線圈的軸向存在外界磁場外界磁場H H0 0時，時，磁芯磁芯在在H H0 0與與激勵激勵磁場磁場H(t)H(t)的共同作用下，其磁導率的共同作用下，其磁導率u(t)u(t)被外界磁被外界磁場場H H0 0所調制。感應線圈輸出的感應電動勢含有和所調制。感應線圈輸出的感應電動勢含有和H H0 0有關的信號，但該信號遠遠小于激勵磁場產生的有關的信號，但該信號遠遠小于激勵磁場產生的感應電動勢。感應電動勢。為了消除激勵磁場產生的感應電動勢，磁通門探為了消除激勵磁場

5、產生的感應電動勢，磁通門探頭在應用將兩個參數相當的激勵兼感應線圈的差頭在應用將兩個參數相當的激勵兼感應線圈的差分信號作為輸出，俗稱分信號作為輸出，俗稱“三端式三端式”結構。結構。第五節(jié)第五節(jié) 磁通門式磁敏傳感器磁通門式磁敏傳感器6i ie e產生的激勵磁場為：產生的激勵磁場為：cos(2)emHHft兩線圈中的磁場為：兩線圈中的磁場為：1020eeHHHHHH根據法拉第電磁感應定律根據法拉第電磁感應定律( )( )( )( )dtdH teWS H ttdtdt 第五節(jié)第五節(jié) 磁通門式磁敏傳感器磁通門式磁敏傳感器7則可以得到兩線圈產生的感應電動勢：則可以得到兩線圈產生的感應電動勢：010020

6、()( )()( )()( )()( )eeeed HHdteWS HHWStdtdtd HHdteWS HHWStdtdt考慮到兩線圈的阻抗，考慮到兩線圈的阻抗，“三端式三端式”磁通門傳感器等效磁通門傳感器等效模型模型第五節(jié)第五節(jié) 磁通門式磁敏傳感器磁通門式磁敏傳感器8探頭輸出電壓：探頭輸出電壓：12222212eeeizezezz 當兩線圈參數一致時，輸出電壓化簡為：當兩線圈參數一致時，輸出電壓化簡為：121()2eee 將兩線圈的感應電動勢帶入后可得：將兩線圈的感應電動勢帶入后可得：0000()1( )()( )2()( )()( )eeeed HHdteWS HHWStdtdtd HH

7、dtWS HHWStdtdt 第五節(jié)第五節(jié) 磁通門式磁敏傳感器磁通門式磁敏傳感器9磁通門傳感器常用于測靜磁場或低頻磁場，可以認為：磁通門傳感器常用于測靜磁場或低頻磁場，可以認為：則可得：則可得：0()0d Hdt000()1( ) 22 ( )2( )d HdteWSHtdtdtdtWSHdt 第五節(jié)第五節(jié) 磁通門式磁敏傳感器磁通門式磁敏傳感器10將式子中的各量代入后，則可得到理想的三端式磁通將式子中的各量代入后，則可得到理想的三端式磁通門傳感器輸出電壓為：門傳感器輸出電壓為：0002 m102 m102m4m6m( )=cos(22)=-22sin(22)=-4sin(22)sin(24)s

8、in(26).mkkkkdteWSHdtdWSHkftdtWSHfkftfWSHftftft 可以看出，輸出電壓偶次諧波的幅值與外界磁場可以看出，輸出電壓偶次諧波的幅值與外界磁場H H0 0、激、激勵頻率、線圈匝數、線圈截面積、磁心磁導率成正比。勵頻率、線圈匝數、線圈截面積、磁心磁導率成正比。第五節(jié)第五節(jié) 磁通門式磁敏傳感器磁通門式磁敏傳感器11在實際應用中，我們通常選擇下式中的二次諧波作為在實際應用中，我們通常選擇下式中的二次諧波作為被測對象，通過檢測二次諧波的幅值來完成對外界磁被測對象，通過檢測二次諧波的幅值來完成對外界磁場的測量。場的測量。202mE =-4sin(22)fWSHft三端

9、式磁通門傳感器工作電路框圖三端式磁通門傳感器工作電路框圖第五節(jié)第五節(jié) 磁通門式磁敏傳感器磁通門式磁敏傳感器1213第六節(jié)第六節(jié) 質子旋進式磁敏傳感器質子旋進式磁敏傳感器u基本原理：基本原理：利用質子在外磁場中的旋進現利用質子在外磁場中的旋進現象，根據磁共振原理研制而成。象，根據磁共振原理研制而成。一、質子旋進式磁敏傳感器的磁測原理一、質子旋進式磁敏傳感器的磁測原理物理學已證明物理學已證明物質是具有磁性的物質是具有磁性的。對水分子（。對水分子（H2O）而言，從其而言，從其分子結構、原子排列和化分子結構、原子排列和化學價的性質學價的性質分析得知：水分子磁矩分析得知：水分子磁矩（即氫質子磁矩）在外磁

10、場作用下（即氫質子磁矩）在外磁場作用下繞外磁場旋進。繞外磁場旋進。 帶電粒子自旋產生磁矩帶電粒子自旋產生磁矩質子的旋進頻率質子的旋進頻率:p 為質子旋磁比；為質子旋磁比；T為外磁場強度為外磁場強度f = p T /2第六節(jié)第六節(jié) 質子旋進式磁敏傳感器質子旋進式磁敏傳感器質子的磁矩質子的磁矩M在外磁場在外磁場T的作用下，繞著磁場的作用下，繞著磁場T旋進，旋進，它的軌跡描繪出一個它的軌跡描繪出一個圓錐體圓錐體，旋進的角頻率為，旋進的角頻率為，稱，稱為為拉莫爾頻率（拉莫爾頻率（Larmor Frequency）。根據解析運動方程可知：根據解析運動方程可知：則：則：f=p T/2可以看出，頻率與磁場成

11、正比，只要能測出頻率，可以看出，頻率與磁場成正比，只要能測出頻率，即可求出外磁場大小，從而達到測磁目的。即可求出外磁場大小，從而達到測磁目的。強調：強調：此處沒有考慮弛豫時間，是在a角不變、信號不衰減的前提下得到的。實際工作中有弛豫時間和信號衰減問題。 = p T， =2f第六節(jié)第六節(jié) 質子旋進式磁敏傳感器質子旋進式磁敏傳感器二、磁場的測量與旋進信號二、磁場的測量與旋進信號在核磁共振中，共振信號的幅度與被測磁場在核磁共振中，共振信號的幅度與被測磁場T3/2成成正比。正比。當被測磁場很弱時，信號幅度大大衰減。對微弱的當被測磁場很弱時，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

12、接收不到被測磁場，用一般的核磁共振檢測方法是接收不到旋進信號的。為了測得質子磁矩旋進信號的。為了測得質子磁矩M繞外磁場的旋進繞外磁場的旋進頻率信號，必須采取特殊方法：頻率信號，必須采取特殊方法：使沿外磁場方向排列的質子磁矩，在極化場的激勵使沿外磁場方向排列的質子磁矩，在極化場的激勵下，建立質子宏觀磁矩，并使其方向于外磁場方向下，建立質子宏觀磁矩，并使其方向于外磁場方向垂直或接近垂直垂直或接近垂直 ,即施加一個強人工磁場。即施加一個強人工磁場。第六節(jié)第六節(jié) 質子旋進式磁敏傳感器質子旋進式磁敏傳感器當沒有外界磁場作用于含氫液體時，其中質子磁矩當沒有外界磁場作用于含氫液體時，其中質子磁矩無規(guī)則的任意

13、指向，不顯現宏觀磁矩。若垂直于地無規(guī)則的任意指向，不顯現宏觀磁矩。若垂直于地磁場磁場T的方向，加一強人工磁場的方向，加一強人工磁場H0，則樣品中的質子，則樣品中的質子磁矩，將按方向排列起來，此過程稱為極化。磁矩，將按方向排列起來，此過程稱為極化。第六節(jié)第六節(jié) 質子旋進式磁敏傳感器質子旋進式磁敏傳感器在垂直于外磁場方向加一在垂直于外磁場方向加一極化場極化場H（該場強約為外（該場強約為外磁場的磁場的200倍）。在極化倍）。在極化場作用下，質子磁矩沿極場作用下，質子磁矩沿極化場方向排列，形成宏觀化場方向排列，形成宏觀磁矩。磁矩。 預極化法示意圖H*MMMHT第六節(jié)第六節(jié) 質子旋進式磁敏傳感器質子旋進

14、式磁敏傳感器若切斷人工磁場若切斷人工磁場H0，則地磁場對質子有力矩作用，則地磁場對質子有力矩作用，試圖將質子拉回到地磁場方向，由于質子自旋，因試圖將質子拉回到地磁場方向，由于質子自旋，因而在力矩作用下，質子磁矩而在力矩作用下，質子磁矩M將繞著地磁場將繞著地磁場T的方向的方向做旋進運動（拉莫爾旋進），好像地面上傾斜旋轉做旋進運動（拉莫爾旋進），好像地面上傾斜旋轉的陀螺，在重力作用下并不立刻倒下，而是繞著鉛的陀螺，在重力作用下并不立刻倒下，而是繞著鉛垂方向作旋進運動一樣。垂方向作旋進運動一樣。實際中：用圓柱形玻璃容器裝滿水樣品或含氫質子液體，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

15、線圈，使線圈軸向垂直于外磁場T方向。第六節(jié)第六節(jié) 質子旋進式磁敏傳感器質子旋進式磁敏傳感器當質子磁矩在旋進過程中切割線圈，使線圈環(huán)繞面當質子磁矩在旋進過程中切割線圈，使線圈環(huán)繞面積中的磁通量發(fā)生變化，于是在線圈中就產生感應積中的磁通量發(fā)生變化，于是在線圈中就產生感應電動勢。電動勢。當去掉極化場當去掉極化場H，質子磁矩則以拉莫爾旋進頻率繞，質子磁矩則以拉莫爾旋進頻率繞外磁場旋進。外磁場旋進。M = TT2tM衰減示意圖感應信號衰減示意圖xy第六節(jié)第六節(jié) 質子旋進式磁敏傳感器質子旋進式磁敏傳感器質子旋進式磁敏傳感器組成質子旋進式磁敏傳感器組成核心：核心：500cc左右有機玻璃容器左右有機玻璃容器,在容器外面繞以在容器外面繞以數數百匝百匝的導線的導線,使使線圈線圈軸向與外磁場方向大致軸向與外磁場方向大致垂直垂直,線線圈中通以圈中通以 13A的電流的電流,而形成約而形成約0.01T的極化場的極化場,使使水中質子磁矩指向極化場水中質子磁矩指向極化場H的方向。的方向。 20tTtVV e第六節(jié)第六節(jié) 質子旋進式磁敏傳感器質子旋