傳感器技術(shù) 磁敏傳感器

傳感器技術(shù)磁敏傳感器第1頁，共35頁，2023年，2月20日，星期日質(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第2頁，共35頁，2023年，2月20日，星期日

質(zhì)子旋進(jìn)式磁敏傳感器是利用質(zhì)子在外磁場中的旋進(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

αM

質(zhì)子的旋進(jìn)頻率γp為質(zhì)子旋磁比；T為外磁場強(qiáng)度f=γpT

/2π第一節(jié)

質(zhì)子旋進(jìn)式磁敏傳感器第3頁，共35頁，2023年，2月20日，星期日從經(jīng)典力學(xué)和量子力學(xué)觀點(diǎn),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(diǎn)，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M×T，于是，它和陀螺一樣，其動量矩的變化率等于外加力矩，即：動量矩變化率第4頁，共35頁，2023年，2月20日，星期日磁矩三個分量設(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(yùn)動方程，其解為同理第5頁，共35頁，2023年，2月20日，星期日αzxyMzM┴MyMx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)第6頁，共35頁，2023年，2月20日，星期日綜合起來看，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ω，稱為拉莫爾頻率（Larmorfrequency）。根據(jù)簡諧運(yùn)動方程，可得到：

即：

將此值代入上式γp=（2.67513±0.00002）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)α角不變、信號不衰減的前提下分析測磁原理的。但是，在實(shí)際工作中是有馳豫時間的，信號也是衰減的。第7頁，共35頁，2023年，2月20日，星期日當(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。第8頁，共35頁，2023年，2月20日，星期日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。預(yù)極化法示意圖H*MMMHTθ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)頻率繞外磁場旋進(jìn)。第9頁，共35頁，2023年，2月20日，星期日M

若測出感應(yīng)電壓的頻率，就可計(jì)算出外磁場的大小。因?yàn)闃O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0.5×10-4T，極化場H的磁感強(qiáng)度為100×10-4T，則可使信噪比增大200倍。υω=γTt2t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xy第10頁，共35頁，2023年，2月20日，星期日核心：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1～3A的電流,而形成約0.01T的極化場,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計(jì)數(shù)器放大器線圈質(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ω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：第11頁，共35頁，2023年，2月20日，星期日在實(shí)際工作時,線圈軸向與外磁場的夾角θ不正好保持900,由實(shí)測得知：總磁矩量值與sin2θ成正比例,所以,自由旋進(jìn)感應(yīng)信號的電壓幅值和sin2θ成比例。又考慮到旋進(jìn)信號按指數(shù)規(guī)律衰減的特點(diǎn),其感應(yīng)信號完整表達(dá)式應(yīng)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α,則θ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(shí)際測量中，探頭無需嚴(yán)格定向。θ=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。第12頁，共35頁，2023年，2月20日，星期日由實(shí)驗(yàn)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0.5mV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(shí)驗(yàn)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(diǎn)是：◆精度高，一般在（0.1~10）nT范圍內(nèi)；◆穩(wěn)定性好（因γp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(diǎn)是：極化功率大,只能進(jìn)行快速點(diǎn)測；受磁場梯度影響較大第13頁，共35頁，2023年，2月20日，星期日1.樣品選擇如果設(shè)計(jì)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。溶液時間/st1t2水2.33煤油0.71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(diǎn)低（如甘油）的樣品。三、質(zhì)子旋進(jìn)式磁敏傳感器的設(shè)計(jì)第14頁，共35頁，2023年，2月20日，星期日考慮到無磁性，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0.5×10-4T計(jì)算，根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，應(yīng)選大于100×10-4T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(shí)驗(yàn)和理論計(jì)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。第15頁，共35頁，2023年，2月20日，星期日CZM-2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CZM-2型質(zhì)子磁力儀磁化系統(tǒng)選頻放大器壓控倍頻器電子門計(jì)數(shù)器數(shù)字譯碼顯示數(shù)字打印輸出晶振分頻及程序控制穩(wěn)壓器DC+13V-+18V傳感器打印指令+10V自校測量第16頁，共35頁，2023年，2月20日，星期日IGS-2型質(zhì)子磁力儀的系統(tǒng)擴(kuò)展及外設(shè)配置打印機(jī)曲線記錄儀磁帶記錄儀微型計(jì)算機(jī)調(diào)制解調(diào)器IG2-2控制臺磁力儀MP-4電磁儀EM甚低頻儀VLF計(jì)算機(jī)第17頁，共35頁，2023年，2月20日，星期日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)10-2~10-4nT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成的測磁儀器，是目前實(shí)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(diǎn)：第18頁，共35頁，2023年，2月20日，星期日（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)xSSNv2v0v1Ov2v0v1zy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(S≠0)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（S≠0），并且均是在弱磁場中工作，故屬反常塞曼效應(yīng)。π成分σ成分第19頁，共35頁，2023年，2月20日，星期日當(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：HPsPl0HPjPlPs0弱磁場中Pj、Pl、Ps的旋進(jìn)(j·H)——磁場H和殼層磁矩μj之間的夾角。

（二）反常的塞曼效應(yīng)的能級分裂第20頁，共35頁，2023年，2月20日，星期日E1+ΔE1E1E2+ΔE2E1E2vv0原子能級躍遷示意圖g—E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。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ΔE1，ΔE2。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第21頁，共35頁，2023年，2月20日，星期日氦原子有兩個電子，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第22頁，共35頁，2023年，2月20日，星期日當(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2J＋1=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(diǎn)結(jié)論第23頁，共35頁，2023年，2月20日，星期日2、磁共振的頻率大小取決于相鄰能級間的能量差（ΔE），ΔE=hv。1、塞曼分裂后，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(yùn)）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。第24頁，共35頁，2023年，2月20日，星期日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：μJ=μS。由于電子自旋磁矩μJ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γs——電子的總磁矩比第25頁，共35頁，2023年，2月20日，星期日在亞穩(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第26頁，共35頁，2023年，2月20日，星期日j=1－11－11j=1D123S122P1D1線作用下He4亞穩(wěn)態(tài)原子的光泵作用示意圖00mj利用光使原子磁矩達(dá)到定向排列的過程,也稱光學(xué)取向。（一）光泵作用實(shí)質(zhì)第27頁，共35頁，2023年，2月20日，星期日過程：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。第28頁，共35頁，2023年，2月20日，星期日在原子磁矩取向前，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，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。第29頁，共35頁，2023年，2月20日，星期日2345891061放大圖2.2-6He4光泵式磁敏傳感器的組成框圖1—高頻激發(fā)振蕩器；2—氦燈；3—透鏡1；4—偏振偏；5—/4；6—吸收室；7—RF振蕩器；8—射頻線圈；9—透鏡2；10—光敏元件7He4光泵式磁敏傳感器系由吸收室、氦燈、兩個透鏡、偏振片、λ/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第30頁，共35頁，2023年，2月20日，星期日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λ/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

第31頁，共35頁，2023年，2月20日，星期日光泵作用結(jié)果使原于磁矩取向于2s態(tài)某一磁子能級上。然后由R