第九章磁參數(shù)的測(cè)量

1、第九章第九章 磁參數(shù)的測(cè)量磁參數(shù)的測(cè)量 磁敏傳感器是對(duì)磁場(chǎng)參量磁敏傳感器是對(duì)磁場(chǎng)參量(B,H,)敏感敏感的元器件或裝置的元器件或裝置 ,具有把磁學(xué)物理量具有把磁學(xué)物理量轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的功能。轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的功能。第一節(jié)電磁感應(yīng)法測(cè)量磁場(chǎng)第一節(jié)電磁感應(yīng)法測(cè)量磁場(chǎng)沖擊電流計(jì)名為沖擊電流計(jì)名為“電流計(jì)電流計(jì)”，實(shí)際上并不是用來(lái)，實(shí)際上并不是用來(lái)測(cè)電流的，而是用來(lái)測(cè)量短時(shí)間內(nèi)脈沖電流所遷移測(cè)電流的，而是用來(lái)測(cè)量短時(shí)間內(nèi)脈沖電流所遷移的的電量電量, ,它還可以用來(lái)進(jìn)行與此有關(guān)的其他方面的測(cè)它還可以用來(lái)進(jìn)行與此有關(guān)的其他方面的測(cè)量，例如測(cè)量磁感應(yīng)強(qiáng)度、高阻、電容等等。量，例如測(cè)量磁感應(yīng)強(qiáng)度、高阻、電容等等。由

2、于其特殊的結(jié)構(gòu)，線圈轉(zhuǎn)動(dòng)慣量較大，因此，由于其特殊的結(jié)構(gòu)，線圈轉(zhuǎn)動(dòng)慣量較大，因此，當(dāng)電流瞬間通過(guò)線圈時(shí)，線圈的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)來(lái)不及發(fā)當(dāng)電流瞬間通過(guò)線圈時(shí)，線圈的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)來(lái)不及發(fā)生變化。電流停止后，線圈才以一定的角度擺動(dòng)。生變化。電流停止后，線圈才以一定的角度擺動(dòng)。線圈啟動(dòng)后，立即受到各種反力矩的作用，線圈的線圈啟動(dòng)后，立即受到各種反力矩的作用，線圈的運(yùn)動(dòng)速度逐漸減小，當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)到最大位置時(shí)，瞬間停運(yùn)動(dòng)速度逐漸減小，當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)到最大位置時(shí)，瞬間停止，然后回復(fù)到初始位置，并在初始位置附近往返止，然后回復(fù)到初始位置，并在初始位置附近往返擺動(dòng)數(shù)次，最終停止。擺動(dòng)數(shù)次，最終停止。 三、沖擊檢流計(jì)法三、沖擊檢流計(jì)法沖擊

3、電流計(jì)特點(diǎn)沖擊電流計(jì)特點(diǎn)反射鏡反射鏡線圈線圈NS沖擊電流計(jì)結(jié)構(gòu)示意圖沖擊電流計(jì)結(jié)構(gòu)示意圖金屬圓盤(pán)金屬圓盤(pán)懸絲懸絲1 1、線圈轉(zhuǎn)動(dòng)靈活、線圈轉(zhuǎn)動(dòng)靈活懸懸絲結(jié)構(gòu)。絲結(jié)構(gòu)。2 2、線圈轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大、線圈轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大線圈短而寬，而且下面線圈短而寬，而且下面還懸吊著金屬圓盤(pán)。還懸吊著金屬圓盤(pán)。3 3、鏡尺讀數(shù)裝置、鏡尺讀數(shù)裝置應(yīng)應(yīng)用光放大原理，提高讀用光放大原理，提高讀數(shù)的準(zhǔn)確度。數(shù)的準(zhǔn)確度。鏡尺裝置鏡尺裝置光源變壓器光源變壓器照明燈照明燈沖擊電流計(jì)讀數(shù)裝置沖擊電流計(jì)讀數(shù)裝置檢流計(jì)的工作過(guò)程分為兩階段：檢流計(jì)的工作過(guò)程分為兩階段：第二節(jié)磁效應(yīng)元件測(cè)磁第二節(jié)磁效應(yīng)元件測(cè)磁 一、霍耳磁敏傳感器一、霍耳磁敏傳感器

4、 二、磁敏二極管和磁敏三極管二、磁敏二極管和磁敏三極管 三、磁敏電阻三、磁敏電阻 一、霍耳磁敏傳感器一、霍耳磁敏傳感器 （一）霍耳效應(yīng)（一）霍耳效應(yīng) 通電的導(dǎo)體或半導(dǎo)體，在垂直于電流和磁通電的導(dǎo)體或半導(dǎo)體，在垂直于電流和磁場(chǎng)的方向上將產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象。場(chǎng)的方向上將產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象。+I+ +lwd霍耳效應(yīng)原理圖VHVH KH I B1霍耳線性集成傳感器的結(jié)構(gòu)及工作原理 霍耳線性集成傳感器的輸出電壓與外加磁場(chǎng)成線性霍耳線性集成傳感器的輸出電壓與外加磁場(chǎng)成線性比例關(guān)系。這類傳感器一般由霍耳元件和放大器組成，比例關(guān)系。這類傳感器一般由霍耳元件和放大器組成，當(dāng)外加磁場(chǎng)時(shí)當(dāng)外加磁場(chǎng)時(shí), ,霍耳元件產(chǎn)生與

5、磁場(chǎng)成線性比例變化的霍耳元件產(chǎn)生與磁場(chǎng)成線性比例變化的霍耳電壓霍耳電壓, ,經(jīng)放大器放大后輸出。在實(shí)際電路設(shè)計(jì)中，經(jīng)放大器放大后輸出。在實(shí)際電路設(shè)計(jì)中，為了提高傳感器的性能，往往在電路中設(shè)置穩(wěn)壓、電流為了提高傳感器的性能，往往在電路中設(shè)置穩(wěn)壓、電流放大輸出級(jí)、失調(diào)調(diào)整和線性度調(diào)整等電路?；舳_(kāi)關(guān)放大輸出級(jí)、失調(diào)調(diào)整和線性度調(diào)整等電路?；舳_(kāi)關(guān)集成傳感器的輸出有低電平或高電平兩種狀態(tài)，而霍耳集成傳感器的輸出有低電平或高電平兩種狀態(tài)，而霍耳線性集成傳感器的輸出卻是對(duì)外加磁場(chǎng)的線性感應(yīng)。因線性集成傳感器的輸出卻是對(duì)外加磁場(chǎng)的線性感應(yīng)。因此霍耳線性集成傳感器廣泛用于位置、力、重量、厚度、此霍耳線性集成

6、傳感器廣泛用于位置、力、重量、厚度、速度、磁場(chǎng)、電流等的測(cè)量或控制?；舳€性集成傳感速度、磁場(chǎng)、電流等的測(cè)量或控制?；舳€性集成傳感器有單端輸出和雙端輸出兩種，其電路結(jié)構(gòu)如下圖。器有單端輸出和雙端輸出兩種，其電路結(jié)構(gòu)如下圖。（二）霍耳線性集成傳感器（二）霍耳線性集成傳感器單端輸出傳感器的電路結(jié)構(gòu)框圖23輸出+穩(wěn)壓VCC1霍耳元件放大地H穩(wěn)壓H3VCC地4輸出輸出18675 雙端輸出傳感器的電路結(jié)構(gòu)框圖 單端輸出單端輸出的傳感器是一個(gè)三端器件，它的輸出電壓對(duì)外加磁場(chǎng)的微小變化能做出線性響應(yīng)，通常將輸出電壓用電容交連到外接放大器，將輸出電壓放大到較高的電平。其典型產(chǎn)品是SL3501T。 雙端輸出雙

7、端輸出的傳感器是一個(gè)8腳雙列直插封裝的器件，它可提供差動(dòng)射極跟隨輸出，還可提供輸出失調(diào)調(diào)零。其典型產(chǎn)品是SL3501M。2 2霍耳線性集成傳感器的主要技術(shù)特性霍耳線性集成傳感器的主要技術(shù)特性(1)(1) 傳感器的輸出特性如下圖： 磁感應(yīng)強(qiáng)度B/T5.64.63.62.61.6- -0.3 -0-0.2-0.1-0.100.10.20.3輸輸出出電電壓壓U/VSL3501T傳感器的輸出特性曲線2 2霍耳線性集成傳感器的主要技術(shù)特性霍耳線性集成傳感器的主要技術(shù)特性(2)(2) 傳感器的輸出特性如下圖： 2.52.01.51.00.50 0.040.080.120.16 0.200.24輸輸出出電電

8、壓壓U/V磁感應(yīng)強(qiáng)度磁感應(yīng)強(qiáng)度B/TSL3501M傳感器的輸出特性曲線00.28 0.32R=0R=15R=100 （三）霍耳磁敏傳感器的應(yīng)用（三）霍耳磁敏傳感器的應(yīng)用 利用霍耳效應(yīng)制作的霍耳器件，不僅在磁場(chǎng)測(cè)量方面，而且在測(cè)量技術(shù)、無(wú)線電技術(shù)、計(jì)算技術(shù)和自動(dòng)化技術(shù)等領(lǐng)域中均得到了廣泛應(yīng)用。 利用霍耳電勢(shì)與外加磁通密度成比例的特性，可借助于固定元件的控制電流，對(duì)磁量以及其他可轉(zhuǎn)換成磁量的電量、機(jī)械量和非電量等進(jìn)行測(cè)量和控制。應(yīng)用這類特性制作的器具有磁通計(jì)、電流計(jì)、磁讀頭、位移計(jì)、速度計(jì)、振動(dòng)計(jì)、羅盤(pán)、轉(zhuǎn)速計(jì)、無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)等。 利用霍耳傳感器制作的儀器利用霍耳傳感器制作的儀器優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)： (1)

9、體積小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、堅(jiān)固耐用。體積小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、堅(jiān)固耐用。 (2)無(wú)可動(dòng)部件，無(wú)磨損，無(wú)摩擦熱，噪聲小。無(wú)可動(dòng)部件，無(wú)磨損，無(wú)摩擦熱，噪聲小。 (3)裝置性能穩(wěn)定，壽命長(zhǎng)，可靠性高。裝置性能穩(wěn)定，壽命長(zhǎng)，可靠性高。 (4)頻率范圍寬，從直流到微波范圍均可應(yīng)用。頻率范圍寬，從直流到微波范圍均可應(yīng)用。 (5)霍耳器件載流子慣性小，裝置動(dòng)態(tài)特性好?；舳骷d流子慣性小，裝置動(dòng)態(tài)特性好。 霍耳器件也存在轉(zhuǎn)換效率低和受溫度影響大霍耳器件也存在轉(zhuǎn)換效率低和受溫度影響大等明顯缺點(diǎn)。但是，由于新材料新工藝不斷出現(xiàn)，等明顯缺點(diǎn)。但是，由于新材料新工藝不斷出現(xiàn)，這些缺點(diǎn)正逐步得到克服這些缺點(diǎn)正逐步得到克服。 二、磁

10、敏二極管和磁敏三極管二、磁敏二極管和磁敏三極管 磁敏二極管、三極管是繼霍耳元件和磁敏二極管、三極管是繼霍耳元件和磁敏電阻之后迅速發(fā)展起來(lái)的新型磁電轉(zhuǎn)磁敏電阻之后迅速發(fā)展起來(lái)的新型磁電轉(zhuǎn)換元件。它們具有磁靈敏度高（磁靈敏度換元件。它們具有磁靈敏度高（磁靈敏度比霍耳元件高數(shù)百甚至數(shù)千倍）；能識(shí)別比霍耳元件高數(shù)百甚至數(shù)千倍）；能識(shí)別磁場(chǎng)的極性；體積小、電路簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，磁場(chǎng)的極性；體積小、電路簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，因而正日益得到重視；并在檢測(cè)、控制等因而正日益得到重視；并在檢測(cè)、控制等方面得到普遍應(yīng)用。方面得到普遍應(yīng)用。 （一）磁敏二極管的工作原理和主要特性（一）磁敏二極管的工作原理和主要特性 1 1磁敏二極管

11、的結(jié)構(gòu)與工作原理磁敏二極管的結(jié)構(gòu)與工作原理 （1）磁敏二極管的結(jié)構(gòu)）磁敏二極管的結(jié)構(gòu) 有硅磁敏二級(jí)管和鍺磁敏二級(jí)管兩種。有硅磁敏二級(jí)管和鍺磁敏二級(jí)管兩種。與普通二極管區(qū)別：與普通二極管區(qū)別：普通二極管普通二極管PN結(jié)的基區(qū)很短，以避免載流子在結(jié)的基區(qū)很短，以避免載流子在基區(qū)里復(fù)合；基區(qū)里復(fù)合；磁敏二級(jí)管的磁敏二級(jí)管的PN結(jié)卻有很長(zhǎng)的基區(qū)，大于載流結(jié)卻有很長(zhǎng)的基區(qū)，大于載流子的擴(kuò)散長(zhǎng)度，但基區(qū)是由接近本征半導(dǎo)體的高子的擴(kuò)散長(zhǎng)度，但基區(qū)是由接近本征半導(dǎo)體的高阻材料構(gòu)成的。阻材料構(gòu)成的。+（b）磁敏二極管的結(jié)構(gòu)和電路符號(hào)(a)結(jié)構(gòu); (b)電路符號(hào)H+H-N+區(qū)p+區(qū)i區(qū)r區(qū)電流（a）在高純度鍺半導(dǎo)

12、體的兩端用合金法制成高摻雜的在高純度鍺半導(dǎo)體的兩端用合金法制成高摻雜的P P型和型和N N型兩個(gè)區(qū)域，并在本征區(qū)（型兩個(gè)區(qū)域，并在本征區(qū)（i i）區(qū)的一個(gè)側(cè)面上，）區(qū)的一個(gè)側(cè)面上，設(shè)置高復(fù)合區(qū)設(shè)置高復(fù)合區(qū)(r(r區(qū)區(qū)) )，而與，而與r r區(qū)相對(duì)的另一側(cè)面，保持區(qū)相對(duì)的另一側(cè)面，保持為光滑無(wú)復(fù)合表面。這就構(gòu)成了磁敏二極管的管芯，為光滑無(wú)復(fù)合表面。這就構(gòu)成了磁敏二極管的管芯，其結(jié)構(gòu)如圖。其結(jié)構(gòu)如圖。PNPNPNH=0H+H-電流電流電流（a）（b）（c）磁敏二極管的工作原理示意圖流過(guò)二極管的電流也在流過(guò)二極管的電流也在變化，也就是說(shuō)二極管變化，也就是說(shuō)二極管等效電阻隨著磁場(chǎng)的不等效電阻隨著磁場(chǎng)的

13、不同而不同。同而不同。 為什么磁敏二極管會(huì)為什么磁敏二極管會(huì)有這種特性呢有這種特性呢?下面作一下面作一下分析。下分析。 （2 2）磁敏二極管的工作原理）磁敏二極管的工作原理 當(dāng)磁敏二極管的當(dāng)磁敏二極管的P區(qū)接電源正極，區(qū)接電源正極，N區(qū)接電源負(fù)區(qū)接電源負(fù)極即外加正偏壓時(shí)，隨著磁敏二極管所受極即外加正偏壓時(shí)，隨著磁敏二極管所受磁場(chǎng)的變化，磁場(chǎng)的變化，iii電子孔穴復(fù)合區(qū)結(jié)論：結(jié)論：隨著磁場(chǎng)大小和方向的變化，可產(chǎn)生隨著磁場(chǎng)大小和方向的變化，可產(chǎn)生正負(fù)輸出電壓的變化、特別是在較弱的磁場(chǎng)正負(fù)輸出電壓的變化、特別是在較弱的磁場(chǎng)作用下，可獲得較大輸出電壓。若作用下，可獲得較大輸出電壓。若r區(qū)和區(qū)和r區(qū)區(qū)之

14、外的復(fù)合能力之差越大，那么磁敏二極管之外的復(fù)合能力之差越大，那么磁敏二極管的靈敏度就越高。的靈敏度就越高。 磁敏二極管反向偏置時(shí)，則在磁敏二極管反向偏置時(shí)，則在 r區(qū)僅流區(qū)僅流過(guò)很微小的電流，顯得幾乎與磁場(chǎng)無(wú)關(guān)。因過(guò)很微小的電流，顯得幾乎與磁場(chǎng)無(wú)關(guān)。因而二極管兩端電壓不會(huì)因受到磁場(chǎng)作用而有而二極管兩端電壓不會(huì)因受到磁場(chǎng)作用而有任何改變。任何改變。 2 2磁敏二極管的主要特征磁敏二極管的主要特征（1）伏安特性）伏安特性在給定磁場(chǎng)情況下，磁敏二極管兩端正在給定磁場(chǎng)情況下，磁敏二極管兩端正向偏壓和向偏壓和通過(guò)它的電流的關(guān)系曲線。通過(guò)它的電流的關(guān)系曲線。圖伏安特性圖伏安特性同一磁場(chǎng)作用下，同一磁場(chǎng)作用

15、下，電流越大，電壓越高電流越大，電壓越高變化磁場(chǎng)作用下：變化磁場(chǎng)作用下：正向磁場(chǎng)下，磁場(chǎng)正向磁場(chǎng)下，磁場(chǎng)增加，電流減小；增加，電流減??；反向磁場(chǎng)下，磁場(chǎng)反向磁場(chǎng)下，磁場(chǎng)增加，電流增大。增加，電流增大。 （2）磁電特性）磁電特性 在給定條件下，磁敏二極管在給定條件下，磁敏二極管的輸出電壓變化量與外加磁場(chǎng)間的變化關(guān)系。的輸出電壓變化量與外加磁場(chǎng)間的變化關(guān)系。圖磁場(chǎng)電壓特性圖磁場(chǎng)電壓特性（二）磁敏三極管的工作原理和主要特性（二）磁敏三極管的工作原理和主要特性 1 1磁敏三極管的結(jié)構(gòu)與原理磁敏三極管的結(jié)構(gòu)與原理 （1）磁敏三極管的結(jié)構(gòu)）磁敏三極管的結(jié)構(gòu) NPN型磁敏三極管是在型磁敏三極管是在弱弱P型近

16、本征半導(dǎo)體上，用合金法或擴(kuò)散法形成三個(gè)型近本征半導(dǎo)體上，用合金法或擴(kuò)散法形成三個(gè)結(jié)結(jié)即發(fā)射結(jié)、基極結(jié)、集電結(jié)所即發(fā)射結(jié)、基極結(jié)、集電結(jié)所形成的半導(dǎo)體元形成的半導(dǎo)體元圖2.6-33 NPN型磁敏三極管的結(jié)構(gòu)和符號(hào)a)結(jié)構(gòu) b)符號(hào)rN+N+ceH-H+P+bceba）b）件件,如圖。在長(zhǎng)基區(qū)如圖。在長(zhǎng)基區(qū)的側(cè)面制成一個(gè)復(fù)的側(cè)面制成一個(gè)復(fù)合速率很高的高復(fù)合速率很高的高復(fù)合區(qū)合區(qū)r。長(zhǎng)基區(qū)分為。長(zhǎng)基區(qū)分為輸運(yùn)基區(qū)和復(fù)合基輸運(yùn)基區(qū)和復(fù)合基區(qū)兩部。區(qū)兩部。i（2 2）磁敏三極管的工作原理）磁敏三極管的工作原理N+N+N+cccyyyeeerrrxxxP+P+P+bbbN+N+N+（a）（b）（c）圖2.

17、6-34 磁敏三極管工作原理示意圖(a)H=0; (b)H=H+;(c)H=H-1-運(yùn)輸基區(qū)；2-復(fù)合基區(qū)12當(dāng)不受磁場(chǎng)作用如圖當(dāng)不受磁場(chǎng)作用如圖2.6-34(a)時(shí)，由于磁敏三極時(shí)，由于磁敏三極管的基區(qū)寬度大于載流子有效擴(kuò)散長(zhǎng)度，因而注管的基區(qū)寬度大于載流子有效擴(kuò)散長(zhǎng)度，因而注入的載流子除少部分輸入到集電極入的載流子除少部分輸入到集電極c外，大部分外，大部分通過(guò)通過(guò)eib而形成基極電流。顯而易見(jiàn)，基極而形成基極電流。顯而易見(jiàn)，基極電流大于集電極電流。所以，電流放大系數(shù)電流大于集電極電流。所以，電流放大系數(shù) =IcIb1。 當(dāng)受到當(dāng)受到H磁場(chǎng)作用如圖磁場(chǎng)作用如圖2.6-34（b）時(shí)，由）時(shí)，由

18、于洛侖茲力作用，載流子向發(fā)射結(jié)一側(cè)偏轉(zhuǎn)，從于洛侖茲力作用，載流子向發(fā)射結(jié)一側(cè)偏轉(zhuǎn)，從而使集電極電流明顯下降。而使集電極電流明顯下降。 當(dāng)受當(dāng)受 磁場(chǎng)使用如圖磁場(chǎng)使用如圖2.6-34(c)時(shí)，載流子在時(shí)，載流子在洛侖茲力作用下，向集電結(jié)一側(cè)偏轉(zhuǎn)，使集電極洛侖茲力作用下，向集電結(jié)一側(cè)偏轉(zhuǎn)，使集電極電流增大。電流增大。 H/b=5mAIb=4mAIb=3mAIb=2mAIb=1mAIb=0mAIC1.00.80.60.40.20246810VCE/V/mAVCE/VIb=3mA B-=0.1TIb=3mA B=0Ib=3mA B+=0.1T2468101.00.80.60.40.20IC/mA圖 磁

19、敏三極管伏安特性曲線2 2磁敏三極管的主要特性磁敏三極管的主要特性 （1）伏安特性）伏安特性 圖圖(a)(a)給出了磁敏三極管在基極恒流條件下（給出了磁敏三極管在基極恒流條件下（I Ib b=3mA=3mA）、磁場(chǎng)）、磁場(chǎng)為為0.1T0.1T時(shí)的集電極電流的變化；時(shí)的集電極電流的變化；圖圖(b)(b)則為不受磁場(chǎng)作用時(shí)磁敏三極管的伏安特性曲線。則為不受磁場(chǎng)作用時(shí)磁敏三極管的伏安特性曲線。（2）磁電特性）磁電特性 磁電特性是磁敏三極管最重要的工作特性。磁電特性是磁敏三極管最重要的工作特性。3BCM（NPN型）鍺磁敏三極管的磁電特性曲型）鍺磁敏三極管的磁電特性曲線如圖所示。線如圖所示。B/0.1T

20、Ic/mA0.50.40.30.20.115234-1-2-3圖 3BCM磁敏三極管電磁特性由圖可見(jiàn)，由圖可見(jiàn)，在弱磁場(chǎng)作在弱磁場(chǎng)作用時(shí)，曲線用時(shí)，曲線近似于一條近似于一條直線。直線。（三）磁敏二極管和磁敏三極管的應(yīng)用（三）磁敏二極管和磁敏三極管的應(yīng)用 由于磁敏管有效高的磁靈敏度，體積和功耗都很由于磁敏管有效高的磁靈敏度，體積和功耗都很小，且能識(shí)別磁極性等優(yōu)點(diǎn)，是一種新型半導(dǎo)體磁敏小，且能識(shí)別磁極性等優(yōu)點(diǎn)，是一種新型半導(dǎo)體磁敏元件，它有著廣泛的應(yīng)用前景。元件，它有著廣泛的應(yīng)用前景。 利用磁敏管可以作成磁場(chǎng)探測(cè)儀器利用磁敏管可以作成磁場(chǎng)探測(cè)儀器如高斯計(jì)、漏如高斯計(jì)、漏磁測(cè)量?jī)x、地磁測(cè)量?jī)x等。用磁

21、敏管作成的磁場(chǎng)探測(cè)磁測(cè)量?jī)x、地磁測(cè)量?jī)x等。用磁敏管作成的磁場(chǎng)探測(cè)儀，可測(cè)量?jī)x，可測(cè)量1010-7-7T T左右的弱磁場(chǎng)。左右的弱磁場(chǎng)。根據(jù)通電導(dǎo)線周圍具有磁場(chǎng)，而磁場(chǎng)的強(qiáng)弱又取根據(jù)通電導(dǎo)線周圍具有磁場(chǎng)，而磁場(chǎng)的強(qiáng)弱又取決于通電導(dǎo)線中電流大小的原理，因而可利用磁敏管決于通電導(dǎo)線中電流大小的原理，因而可利用磁敏管采用非接觸方法來(lái)測(cè)量導(dǎo)線中電流。而用這種裝置來(lái)采用非接觸方法來(lái)測(cè)量導(dǎo)線中電流。而用這種裝置來(lái)檢測(cè)磁場(chǎng)還可確定導(dǎo)線中電流值大小，既安全又省電，檢測(cè)磁場(chǎng)還可確定導(dǎo)線中電流值大小，既安全又省電，因此是一種備受歡迎的電流表。因此是一種備受歡迎的電流表。 此外此外, ,利用磁敏管還可制成轉(zhuǎn)速傳感器利

22、用磁敏管還可制成轉(zhuǎn)速傳感器( (能測(cè)高達(dá)每能測(cè)高達(dá)每分鐘數(shù)萬(wàn)轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速分鐘數(shù)萬(wàn)轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速),),無(wú)觸點(diǎn)電位器和漏磁探傷儀等。無(wú)觸點(diǎn)電位器和漏磁探傷儀等。（四）、常用磁敏管的型號(hào)和參數(shù)（四）、常用磁敏管的型號(hào)和參數(shù) 3BCM型鍺磁敏三極管參數(shù)表型鍺磁敏三極管參數(shù)表%10000ccBcIIIh參 數(shù)單位測(cè)試條件規(guī)范ABCDE磁靈敏度%Ec=6V,RL=100,Ib=2mA,B= 0.1T5101015 1520 202525擊穿電壓BUccoVIc=1.5mA2020252525漏電流Icc0Vcs=6A200200200200200最大基極電流mAEc=6VRL=5k4功耗PcmmW 45使用溫度

23、-4065最高溫度 75mA3CCM型硅磁敏三極管參數(shù)表型硅磁敏三極管參數(shù)表 A%10000ccBcIIIh參數(shù)單 位測(cè)試條件規(guī)范磁靈敏度%Ec=6VIb=3mAB= 0.1T5%擊穿電壓BUccoVIc=1020V漏電流Icc0Ice=6A5功耗mW 20mW使用溫度 -4085最高溫度 100溫度系數(shù)%/ -0.10-0.25%/A三、磁敏電阻三、磁敏電阻 是一種電阻隨磁場(chǎng)變化而變化的磁敏元件，是一種電阻隨磁場(chǎng)變化而變化的磁敏元件，也稱也稱MR元件。它的理論基礎(chǔ)為磁阻效應(yīng)元件。它的理論基礎(chǔ)為磁阻效應(yīng)。（一）（一） 磁阻效應(yīng)磁阻效應(yīng) 若給通以電流的金屬或半導(dǎo)體材料的薄片若給通以電流的金屬或半

24、導(dǎo)體材料的薄片加以與電流垂直或平行的外磁場(chǎng)，則其電阻值加以與電流垂直或平行的外磁場(chǎng)，則其電阻值就增加。稱此種現(xiàn)象為磁致電阻變化效應(yīng)，簡(jiǎn)就增加。稱此種現(xiàn)象為磁致電阻變化效應(yīng)，簡(jiǎn)稱為磁阻效應(yīng)。稱為磁阻效應(yīng)。 在磁場(chǎng)中，電流的流動(dòng)路徑會(huì)因磁場(chǎng)的作在磁場(chǎng)中，電流的流動(dòng)路徑會(huì)因磁場(chǎng)的作用而加長(zhǎng)，使得材料的電阻率增加。若某種金用而加長(zhǎng)，使得材料的電阻率增加。若某種金屬或半導(dǎo)體材料的兩種載流子屬或半導(dǎo)體材料的兩種載流子 (電子和空穴電子和空穴 )的的遷移率十分懸殊，主要由遷移率較大的一種載遷移率十分懸殊，主要由遷移率較大的一種載流子引起電阻率變化流子引起電阻率變化 ,它可表示為：它可表示為：22000273

25、. 0B為磁感應(yīng)強(qiáng)度；為磁感應(yīng)強(qiáng)度；材料在磁感應(yīng)強(qiáng)度為時(shí)的電阻率；材料在磁感應(yīng)強(qiáng)度為時(shí)的電阻率；0 材料在磁感應(yīng)強(qiáng)度為材料在磁感應(yīng)強(qiáng)度為0時(shí)的電阻率；時(shí)的電阻率；載流子的遷移率。載流子的遷移率。 當(dāng)材料中僅存在一種載流子時(shí)磁阻效應(yīng)幾當(dāng)材料中僅存在一種載流子時(shí)磁阻效應(yīng)幾乎可以忽略，此時(shí)霍耳效應(yīng)更為強(qiáng)烈。若在乎可以忽略，此時(shí)霍耳效應(yīng)更為強(qiáng)烈。若在電子和空穴都存在的材料（如電子和空穴都存在的材料（如InSb）中，則）中，則磁阻效應(yīng)很強(qiáng)。磁阻效應(yīng)很強(qiáng)。 磁阻效應(yīng)還與樣品的形狀、尺寸密切相磁阻效應(yīng)還與樣品的形狀、尺寸密切相關(guān)。這種與樣品形狀、尺寸有關(guān)的磁阻效應(yīng)關(guān)。這種與樣品形狀、尺寸有關(guān)的磁阻效應(yīng)稱為磁

26、阻效應(yīng)的幾何磁阻效應(yīng)。稱為磁阻效應(yīng)的幾何磁阻效應(yīng)。 長(zhǎng)方形磁阻器件只有在長(zhǎng)方形磁阻器件只有在L(長(zhǎng)度長(zhǎng)度)W（寬度）（寬度）的條件下，才表現(xiàn)出較高的靈敏度。把的條件下，才表現(xiàn)出較高的靈敏度。把LW長(zhǎng)方形磁阻材料上面制作長(zhǎng)方形磁阻材料上面制作許多平行等間距的金屬條（即短路柵格），以短路霍耳許多平行等間距的金屬條（即短路柵格），以短路霍耳電勢(shì)，這種柵格磁阻器件如圖（電勢(shì)，這種柵格磁阻器件如圖（b）所示，就相當(dāng)于許）所示，就相當(dāng)于許多扁條狀磁阻串聯(lián)。所以柵格磁阻器件既增加了零磁場(chǎng)多扁條狀磁阻串聯(lián)。所以柵格磁阻器件既增加了零磁場(chǎng)電阻值、又提高了磁電阻值、又提高了磁LWBB圖 幾何磁阻效應(yīng)II（a（b阻

27、器件的靈敏度。阻器件的靈敏度。 常用的磁阻元件有常用的磁阻元件有半導(dǎo)體磁阻元件和強(qiáng)磁半導(dǎo)體磁阻元件和強(qiáng)磁磁阻元件。其內(nèi)部有制磁阻元件。其內(nèi)部有制作成半橋或全橋等多種作成半橋或全橋等多種形式。形式。1 靈敏度特性靈敏度特性 磁阻元件的靈敏度特性是用在一定磁磁阻元件的靈敏度特性是用在一定磁場(chǎng)強(qiáng)度下的電阻變化率來(lái)表示，即磁場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)度下的電阻變化率來(lái)表示，即磁場(chǎng)電阻特性的斜率。常用電阻特性的斜率。常用K表示，單位為表示，單位為mV/mA.kG即即.Kg。在運(yùn)算時(shí)常用。在運(yùn)算時(shí)常用RB/R0求求得，得，R0表示無(wú)磁場(chǎng)情況下，磁阻元件的電表示無(wú)磁場(chǎng)情況下，磁阻元件的電阻值，阻值，RB為在施加為在施加0.3T

28、磁感應(yīng)強(qiáng)度時(shí)磁阻磁感應(yīng)強(qiáng)度時(shí)磁阻元件表現(xiàn)出來(lái)的電阻值，這種情況下，一元件表現(xiàn)出來(lái)的電阻值，這種情況下，一般磁阻元件的靈敏度大于般磁阻元件的靈敏度大于2.7。 （二）（二） 磁阻元件的主要特性磁阻元件的主要特性2 磁場(chǎng)電阻特性 磁阻元件磁場(chǎng)電阻特性N級(jí)0.30.20.100.10.2 0.3R/1000500S級(jí)(a) S、N級(jí)之間電阻特性B/T15RBR0105溫度(25)弱磁場(chǎng)下呈平方特性變化強(qiáng)場(chǎng)下呈直線特性變化0(b)電阻變化率特性0.2 0.40.6 0.81.0 1.21.4B/T磁阻元件的電阻值與磁場(chǎng)的極性無(wú)關(guān)，它只隨磁場(chǎng)強(qiáng)度的增加而增加在0.1T以下的弱磁場(chǎng)中，曲線呈現(xiàn)平方特性，而

29、超過(guò)0.1T后呈現(xiàn)線性變化圖 強(qiáng)磁磁阻元件電阻-磁場(chǎng)特性曲線輸出電壓V磁飽和點(diǎn)B=Bs0(b)磁場(chǎng)輸出特性H 圖顯示的是強(qiáng)磁磁阻元件的磁圖顯示的是強(qiáng)磁磁阻元件的磁場(chǎng)場(chǎng)電阻特性曲線。電阻特性曲線。 從圖中可以看出它與前圖（從圖中可以看出它與前圖（a）曲線相反，即隨著磁場(chǎng)的增加，電曲線相反，即隨著磁場(chǎng)的增加，電阻值減少。并且在磁通密度達(dá)數(shù)十阻值減少。并且在磁通密度達(dá)數(shù)十到數(shù)百高斯即飽和。一般電阻變化到數(shù)百高斯即飽和。一般電阻變化為百分之幾。為百分之幾。 3 電阻電阻溫度特性溫度特性 如圖是一般半導(dǎo)體磁阻元件的電阻如圖是一般半導(dǎo)體磁阻元件的電阻溫度溫度特性曲線，從圖中可以看出，半導(dǎo)體磁阻元件特性曲線

30、，從圖中可以看出，半導(dǎo)體磁阻元件10384210242106-4002060100溫度/電阻變化率%圖 半導(dǎo)體元件電阻-溫度特性曲線的溫度特性不好。的溫度特性不好。圖中的電阻值在圖中的電阻值在35的變化范圍的變化范圍內(nèi)減小了內(nèi)減小了1/2。因。因此，在應(yīng)用時(shí)，此，在應(yīng)用時(shí)，一般都要設(shè)計(jì)溫一般都要設(shè)計(jì)溫度補(bǔ)償電路。度補(bǔ)償電路。（三）磁敏電阻的應(yīng)用（三）磁敏電阻的應(yīng)用 磁敏電阻可以用來(lái)作為電流傳感器、磁磁敏電阻可以用來(lái)作為電流傳感器、磁敏接近開(kāi)關(guān)、角速度敏接近開(kāi)關(guān)、角速度/角位移傳感器、磁場(chǎng)傳角位移傳感器、磁場(chǎng)傳感器等?？捎糜陂_(kāi)關(guān)電源、感器等?？捎糜陂_(kāi)關(guān)電源、UPS、變頻器、變頻器、伺服馬達(dá)驅(qū)動(dòng)器

31、、家庭網(wǎng)絡(luò)智能化管理、電伺服馬達(dá)驅(qū)動(dòng)器、家庭網(wǎng)絡(luò)智能化管理、電度表、電子儀器儀表、工業(yè)自動(dòng)化、智能機(jī)度表、電子儀器儀表、工業(yè)自動(dòng)化、智能機(jī)器人、電梯、智能住宅、機(jī)床、工業(yè)設(shè)備、器人、電梯、智能住宅、機(jī)床、工業(yè)設(shè)備、斷路器、防爆電機(jī)保護(hù)器、家用電器、電子斷路器、防爆電機(jī)保護(hù)器、家用電器、電子產(chǎn)品、電力自動(dòng)化、醫(yī)療設(shè)備、機(jī)床、遠(yuǎn)程產(chǎn)品、電力自動(dòng)化、醫(yī)療設(shè)備、機(jī)床、遠(yuǎn)程抄表、儀器、自動(dòng)測(cè)量、地磁場(chǎng)的測(cè)量、探抄表、儀器、自動(dòng)測(cè)量、地磁場(chǎng)的測(cè)量、探礦等。礦等。 四、核磁共振法四、核磁共振法五、磁光效應(yīng)五、磁光效應(yīng)靈敏度極高靈敏度極高：可達(dá)：可達(dá)10-15T，比靈敏度較高的光泵式，比靈敏度較高的光泵式磁敏

32、傳感器要高出幾個(gè)數(shù)量級(jí)；磁敏傳感器要高出幾個(gè)數(shù)量級(jí)；第三節(jié)第三節(jié) SQUID磁敏傳感器磁敏傳感器SQUIDSQUID磁敏傳感器是一種新型的靈敏度極高的磁敏傳感磁敏傳感器是一種新型的靈敏度極高的磁敏傳感器，是以約瑟夫遜（器，是以約瑟夫遜（Jose PhsonJose Phson）效應(yīng)為理論基礎(chǔ)，）效應(yīng)為理論基礎(chǔ)，用超導(dǎo)材料制成的，在超導(dǎo)狀態(tài)下檢測(cè)外磁場(chǎng)變化的用超導(dǎo)材料制成的，在超導(dǎo)狀態(tài)下檢測(cè)外磁場(chǎng)變化的一種新型磁測(cè)裝置。一種新型磁測(cè)裝置。特點(diǎn)特點(diǎn)頻帶寬：頻帶寬：響應(yīng)頻率可從零響應(yīng)到幾響應(yīng)頻率可從零響應(yīng)到幾kHzkHz。測(cè)量范圍寬測(cè)量范圍寬：可從零場(chǎng)測(cè)量到幾：可從零場(chǎng)測(cè)量到幾kTkT；n深部地球物

33、理深部地球物理：用帶有：用帶有SQUID磁敏傳感器的大地電磁磁敏傳感器的大地電磁測(cè)深儀進(jìn)行大地電磁測(cè)深，效果甚好。測(cè)深儀進(jìn)行大地電磁測(cè)深，效果甚好。n在在古地磁考古古地磁考古、測(cè)井測(cè)井、重力勘探重力勘探及及預(yù)報(bào)天然地震預(yù)報(bào)天然地震中，中， SQUID也具有重要作用。也具有重要作用。n在在生物醫(yī)學(xué)生物醫(yī)學(xué)方面，應(yīng)用方面，應(yīng)用SQUID磁測(cè)儀器可測(cè)量心磁圖、磁測(cè)儀器可測(cè)量心磁圖、腦磁圖等，從而出現(xiàn)了神經(jīng)磁學(xué)、腦磁學(xué)等新興學(xué)科，腦磁圖等，從而出現(xiàn)了神經(jīng)磁學(xué)、腦磁學(xué)等新興學(xué)科，為醫(yī)學(xué)研究開(kāi)辟了新的領(lǐng)域。為醫(yī)學(xué)研究開(kāi)辟了新的領(lǐng)域。n在在固體物理固體物理、生物物理生物物理、宇宙空間宇宙空間的研究中，的研究

34、中，SQUID可用來(lái)測(cè)量極微弱的磁場(chǎng)，如美國(guó)國(guó)家航空宇航局用可用來(lái)測(cè)量極微弱的磁場(chǎng)，如美國(guó)國(guó)家航空宇航局用SQUID磁測(cè)儀器測(cè)量了阿波羅飛行器帶回的月球樣品的磁測(cè)儀器測(cè)量了阿波羅飛行器帶回的月球樣品的磁矩。磁矩。nSQUID技術(shù)還可用作電流計(jì)，電壓標(biāo)準(zhǔn)，計(jì)算機(jī)中存技術(shù)還可用作電流計(jì)，電壓標(biāo)準(zhǔn)，計(jì)算機(jī)中存儲(chǔ)器，通訊電纜等；在超導(dǎo)電機(jī)、超導(dǎo)輸電、超導(dǎo)磁流儲(chǔ)器，通訊電纜等；在超導(dǎo)電機(jī)、超導(dǎo)輸電、超導(dǎo)磁流體發(fā)電、體發(fā)電、超導(dǎo)磁懸浮列車超導(dǎo)磁懸浮列車等方面，均得到廣泛應(yīng)用。等方面，均得到廣泛應(yīng)用。 應(yīng)用領(lǐng)域應(yīng)用領(lǐng)域超導(dǎo)電性：在某一溫度超導(dǎo)電性：在某一溫度TC以下電阻值突然消失的現(xiàn)象以下電阻值突然消失的現(xiàn)

35、象。（a）T/K0T/K 00K0TC（b）電阻隨溫度變化曲線a、正常導(dǎo)體；b、超導(dǎo)體一、一、SQUID磁敏傳感器的基本原理磁敏傳感器的基本原理超導(dǎo)體：超導(dǎo)體：具有超導(dǎo)電性的物體。具有超導(dǎo)電性的物體。臨界溫度臨界溫度( (T TC C) )：超導(dǎo)體從具有一定電阻值的正常態(tài)轉(zhuǎn)變：超導(dǎo)體從具有一定電阻值的正常態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娮柚低蝗粸榱銜r(shí)所對(duì)應(yīng)的溫度為電阻值突然為零時(shí)所對(duì)應(yīng)的溫度, ,其值一般從其值一般從3.4K3.4K至至18K18K超導(dǎo)體特性：超導(dǎo)體特性：理想導(dǎo)電性理想導(dǎo)電性；完全逆磁性完全逆磁性；磁通量子化磁通量子化。SSNNHH（c）（b）（a）（a）TTc H 0（b）TTC H 0（c）TT

36、C H = 0 理想導(dǎo)電性實(shí)驗(yàn)1 1、理想導(dǎo)電性、理想導(dǎo)電性零電阻特性零電阻特性 若將一超導(dǎo)環(huán)置于外磁場(chǎng)中，然后使其降溫至臨若將一超導(dǎo)環(huán)置于外磁場(chǎng)中，然后使其降溫至臨界溫度以下，再撤掉外加磁場(chǎng)，此時(shí)發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)環(huán)內(nèi)有界溫度以下，再撤掉外加磁場(chǎng)，此時(shí)發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)環(huán)內(nèi)有一感生電流一感生電流I，超導(dǎo)環(huán)內(nèi)無(wú)電阻消耗能量，此電流將永，超導(dǎo)環(huán)內(nèi)無(wú)電阻消耗能量，此電流將永遠(yuǎn)維持下去遠(yuǎn)維持下去 ，因無(wú)電阻。，因無(wú)電阻。 （a）（b）邁斯納效應(yīng)示意圖（a）正常態(tài)時(shí)，超導(dǎo)體內(nèi)部磁場(chǎng)分布（b）在超導(dǎo)態(tài)時(shí)，超導(dǎo)體內(nèi)部磁場(chǎng)分布2 2、完全逆磁性，邁斯納、完全逆磁性，邁斯納( (Meissner) )效應(yīng)效應(yīng)或排磁效應(yīng)或排磁效應(yīng)

37、 超導(dǎo)體不管在有無(wú)外磁場(chǎng)存在情況下，一旦進(jìn)入超導(dǎo)超導(dǎo)體不管在有無(wú)外磁場(chǎng)存在情況下，一旦進(jìn)入超導(dǎo)狀態(tài)，其內(nèi)部磁場(chǎng)均為零，即磁場(chǎng)不能進(jìn)入超導(dǎo)體內(nèi)狀態(tài)，其內(nèi)部磁場(chǎng)均為零，即磁場(chǎng)不能進(jìn)入超導(dǎo)體內(nèi)部而具有排磁性，亦稱之為邁斯納效應(yīng)。部而具有排磁性，亦稱之為邁斯納效應(yīng)。 根據(jù)邁斯納效應(yīng)，把磁體放在超導(dǎo)盤(pán)上方，或在超導(dǎo)根據(jù)邁斯納效應(yīng)，把磁體放在超導(dǎo)盤(pán)上方，或在超導(dǎo)環(huán)上方放一超導(dǎo)球時(shí)，環(huán)上方放一超導(dǎo)球時(shí)， 圖圖(a)中超導(dǎo)盤(pán)和磁鐵之間有排中超導(dǎo)盤(pán)和磁鐵之間有排斥力，能把磁鐵浮在超導(dǎo)盤(pán)的上面；圖斥力，能把磁鐵浮在超導(dǎo)盤(pán)的上面；圖(b)中由于超導(dǎo)中由于超導(dǎo)球有球有磁屏蔽作用磁屏蔽作用，其結(jié)果可使超導(dǎo)球懸浮起來(lái)。這

38、種，其結(jié)果可使超導(dǎo)球懸浮起來(lái)。這種現(xiàn)象稱為磁懸浮現(xiàn)象?，F(xiàn)象稱為磁懸浮現(xiàn)象。 N S 超導(dǎo)球磁導(dǎo)盤(pán)（a）（b）磁懸浮現(xiàn)象示意圖 假定有一假定有一中空?qǐng)A筒形超導(dǎo)體中空?qǐng)A筒形超導(dǎo)體(如圖如圖)并并 按下列步驟進(jìn)行：按下列步驟進(jìn)行：(1)常態(tài)讓磁場(chǎng)常態(tài)讓磁場(chǎng)H穿過(guò)圓筒的中空部分。穿過(guò)圓筒的中空部分。(2)超導(dǎo)態(tài)筒的中空部分有磁場(chǎng)。超導(dǎo)態(tài)筒的中空部分有磁場(chǎng)。3 3、 磁通量子化磁通量子化感生電流H0 TTC凍結(jié)磁通示意圖(3)超導(dǎo)態(tài)撤掉磁場(chǎng)超導(dǎo)態(tài)撤掉磁場(chǎng)H，圓筒的中，圓筒的中空部分仍有磁場(chǎng)，并使磁場(chǎng)保持空部分仍有磁場(chǎng)，并使磁場(chǎng)保持不變。稱為不變。稱為凍結(jié)磁通現(xiàn)象凍結(jié)磁通現(xiàn)象。超導(dǎo)圓筒在超導(dǎo)態(tài)時(shí)，中空部分

39、的磁通量是量子化的，超導(dǎo)圓筒在超導(dǎo)態(tài)時(shí)，中空部分的磁通量是量子化的，并且只能取并且只能取0 0的整數(shù)倍，而不能取任何別的值。的整數(shù)倍，而不能取任何別的值。Wbeh1501007. 22h普郎克常數(shù)，e 電子電量，0磁通量量子，磁通量自然單位中空部分通過(guò)的總磁通量01n 該圖是兩塊超導(dǎo)體中間隔該圖是兩塊超導(dǎo)體中間隔著一厚度僅著一厚度僅1030的絕緣介質(zhì)的絕緣介質(zhì)層而形成的層而形成的 “超導(dǎo)體超導(dǎo)體絕緣絕緣層層超導(dǎo)體超導(dǎo)體”的結(jié)構(gòu)，通常稱這的結(jié)構(gòu)，通常稱這種結(jié)構(gòu)為超導(dǎo)隧道結(jié)，也稱種結(jié)構(gòu)為超導(dǎo)隧道結(jié)，也稱約瑟約瑟夫遜夫遜結(jié)結(jié)。中間的薄層區(qū)域稱為。中間的薄層區(qū)域稱為結(jié)區(qū)結(jié)區(qū)。這種超導(dǎo)隧道結(jié)具有特。這種

40、超導(dǎo)隧道結(jié)具有特殊而有用的性質(zhì)。殊而有用的性質(zhì)。 超導(dǎo)電子能通過(guò)絕緣介質(zhì)層，表現(xiàn)為電流能夠無(wú)阻擋超導(dǎo)電子能通過(guò)絕緣介質(zhì)層，表現(xiàn)為電流能夠無(wú)阻擋地流過(guò)，表明夾在兩超導(dǎo)體之間的絕緣層很薄且具有超地流過(guò)，表明夾在兩超導(dǎo)體之間的絕緣層很薄且具有超導(dǎo)性。約瑟夫遜結(jié)能夠通過(guò)很小超導(dǎo)電流的現(xiàn)象，稱為導(dǎo)性。約瑟夫遜結(jié)能夠通過(guò)很小超導(dǎo)電流的現(xiàn)象，稱為超導(dǎo)隧道結(jié)的約瑟夫遜效應(yīng)超導(dǎo)隧道結(jié)的約瑟夫遜效應(yīng)，也稱，也稱直流約瑟夫遜效應(yīng)直流約瑟夫遜效應(yīng)。超導(dǎo)結(jié)在直流電壓作用下可產(chǎn)生交變電流，從而輻射和超導(dǎo)結(jié)在直流電壓作用下可產(chǎn)生交變電流，從而輻射和吸收電磁波。這種特性稱為吸收電磁波。這種特性稱為交流約瑟夫遜效應(yīng)交流約瑟夫遜

41、效應(yīng)。 絕緣層 超導(dǎo)體超導(dǎo)體超導(dǎo)結(jié)示意圖4 4、約瑟夫遜效應(yīng)、約瑟夫遜效應(yīng) 直流約瑟夫遜效應(yīng)表明，超導(dǎo)隧道結(jié)的介質(zhì)層具直流約瑟夫遜效應(yīng)表明，超導(dǎo)隧道結(jié)的介質(zhì)層具有超導(dǎo)體的一些性質(zhì)，但不能認(rèn)為它是臨界電流很小有超導(dǎo)體的一些性質(zhì)，但不能認(rèn)為它是臨界電流很小的超導(dǎo)體，它還有一般超導(dǎo)體所沒(méi)有的性質(zhì)。的超導(dǎo)體，它還有一般超導(dǎo)體所沒(méi)有的性質(zhì)。 實(shí)驗(yàn)證明，當(dāng)結(jié)區(qū)兩端加上直流電壓時(shí)，結(jié)區(qū)會(huì)實(shí)驗(yàn)證明，當(dāng)結(jié)區(qū)兩端加上直流電壓時(shí)，結(jié)區(qū)會(huì)出現(xiàn)高頻的正弦電流，其頻率正比于所加的直流電壓出現(xiàn)高頻的正弦電流，其頻率正比于所加的直流電壓，即，即 f = KV式中式中 K=2e/h=483.61012Hz/V。根據(jù)電動(dòng)力學(xué)理論

42、高頻電流會(huì)從結(jié)區(qū)向外輻射電磁波根據(jù)電動(dòng)力學(xué)理論高頻電流會(huì)從結(jié)區(qū)向外輻射電磁波?？梢?jiàn)，超導(dǎo)隧道結(jié)在直流電壓作用下，產(chǎn)生交變電流，可見(jiàn)，超導(dǎo)隧道結(jié)在直流電壓作用下，產(chǎn)生交變電流，輻射和吸收電磁波，這種特性即交流約瑟夫遜效應(yīng)。輻射和吸收電磁波，這種特性即交流約瑟夫遜效應(yīng)。 約瑟夫遜的直流效應(yīng)受約瑟夫遜的直流效應(yīng)受著磁場(chǎng)的影響。而臨界電流著磁場(chǎng)的影響。而臨界電流IC對(duì)磁場(chǎng)亦很敏感，即隨著對(duì)磁場(chǎng)亦很敏感，即隨著磁場(chǎng)的加大臨界電流磁場(chǎng)的加大臨界電流IC逐漸逐漸變小，如圖所示。變小，如圖所示。 超導(dǎo)結(jié)的Ic-H曲線01234562010H=0Ic5、ICH 特性特性根據(jù)量子力學(xué)理論，超導(dǎo)根據(jù)量子力學(xué)理論，超

43、導(dǎo)結(jié)允許通過(guò)的最大超導(dǎo)電結(jié)允許通過(guò)的最大超導(dǎo)電流流I Imaxmax與與的關(guān)系式的關(guān)系式沿介質(zhì)層及其兩側(cè)超導(dǎo)體邊緣透入超導(dǎo)結(jié)的磁通量；0磁通量子；IC(0)沒(méi)有外磁場(chǎng)作用時(shí)，超導(dǎo)結(jié)的臨界電流。00sin)0()(CCIIIC是的周期函數(shù)超導(dǎo)結(jié)臨界電流隨外加磁場(chǎng)而周期起伏變化的原理超導(dǎo)結(jié)臨界電流隨外加磁場(chǎng)而周期起伏變化的原理,完全可用于測(cè)完全可用于測(cè)量磁場(chǎng)中。例如量磁場(chǎng)中。例如,若在超導(dǎo)結(jié)的兩端接上電源若在超導(dǎo)結(jié)的兩端接上電源,電壓表無(wú)顯示時(shí)電壓表無(wú)顯示時(shí),電電流表所顯示的電流是為超導(dǎo)電流流表所顯示的電流是為超導(dǎo)電流;電壓表開(kāi)始有電壓顯示時(shí)電壓表開(kāi)始有電壓顯示時(shí),則電則電流表所顯示的電流為臨界電

44、流流表所顯示的電流為臨界電流IC,此時(shí)此時(shí),加入外磁場(chǎng)后加入外磁場(chǎng)后,臨界電流將臨界電流將有周期性的起伏有周期性的起伏,且其極大值逐漸衰減且其極大值逐漸衰減,振蕩的次數(shù)振蕩的次數(shù)n乘以磁通量子乘以磁通量子0,可得到透入超導(dǎo)結(jié)的磁通量可得到透入超導(dǎo)結(jié)的磁通量=n0。而磁通量和磁場(chǎng)。而磁通量和磁場(chǎng)H成正比成正比關(guān)系關(guān)系,如果能求出如果能求出,磁場(chǎng)磁場(chǎng)H即可求出。同理即可求出。同理,若外磁場(chǎng)若外磁場(chǎng)H有變化有變化,則磁則磁通量亦隨變化通量亦隨變化,在此變化過(guò)程中在此變化過(guò)程中,臨界電流的振蕩次數(shù)臨界電流的振蕩次數(shù)n乘以乘以0即得即得到磁通量的大小到磁通量的大小,亦反映了外磁場(chǎng)變化的大小。因而亦反映了

45、外磁場(chǎng)變化的大小。因而,可利用超導(dǎo)技可利用超導(dǎo)技術(shù)測(cè)定外磁場(chǎng)的大小及其變化。術(shù)測(cè)定外磁場(chǎng)的大小及其變化。 臨界電流臨界電流隨外磁場(chǎng)周期起伏變化，這是由于在一定磁場(chǎng)隨外磁場(chǎng)周期起伏變化，這是由于在一定磁場(chǎng)作用下，超導(dǎo)結(jié)各點(diǎn)的超導(dǎo)電流具有確定的相位。相位作用下，超導(dǎo)結(jié)各點(diǎn)的超導(dǎo)電流具有確定的相位。相位相反的電流互相抵消；相位相同的電流互相迭加。相反的電流互相抵消；相位相同的電流互相迭加。 測(cè)磁原理測(cè)磁原理二、二、SQUID磁敏傳感器的構(gòu)成類型磁敏傳感器的構(gòu)成類型 超導(dǎo)量子干涉器（超導(dǎo)量子干涉器（SQUID）是指由超導(dǎo)隧）是指由超導(dǎo)隧道結(jié)和超導(dǎo)體組成的閉合環(huán)路。其臨界電流是道結(jié)和超導(dǎo)體組成的閉合環(huán)路。其臨界電流是環(huán)路中外磁通量的周期函數(shù)；其周期則為磁通環(huán)路中外磁通量的周期函數(shù)；其周期則為磁通量子量子0，它具有宏觀干涉現(xiàn)象。通常，人們稱，它具有宏觀干涉現(xiàn)象。通常，人們稱這樣的超導(dǎo)環(huán)路為超導(dǎo)量子干涉器件。這樣的超導(dǎo)環(huán)路為超導(dǎo)量子干涉器件。射頻超導(dǎo)量子干涉器（射頻超導(dǎo)量子干涉器（RF SQUID）直流超導(dǎo)量子干涉器（直流超導(dǎo)量子干涉器（DC SQUID） 超導(dǎo)量子干涉器件有兩種類型：CTRTRF振蕩器（一）（一）RF SQUID射頻射頻超導(dǎo)量子超導(dǎo)量子干干涉器涉器含含有一個(gè)超導(dǎo)隧道結(jié)的