第二章 磁敏傳感器2.1(傳感器原理及檢測技術(shù))

第二章磁敏傳感器

第一節(jié)

質(zhì)子旋進式磁敏傳感器第二節(jié)

光泵式磁敏傳感器第三節(jié)SQUID磁敏傳感器第四節(jié)磁通門式磁敏傳感器第五節(jié)感應(yīng)式磁敏傳感器第六節(jié)半導(dǎo)體磁敏傳感器第七節(jié)機械式磁敏傳感器磁敏傳感器是對磁場參量(B,H,φ)敏感的元器件或裝置,具有把磁學物理量轉(zhuǎn)換為電信號的功能。質(zhì)子旋進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、磁敏電阻機械式磁敏傳感器光纖式磁敏傳感器磁敏傳感器的種類

質(zhì)子旋進式磁敏傳感器是利用質(zhì)子在外磁場中的旋進現(xiàn)象，根據(jù)磁共振原理研制成功的。物理學已證明物質(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。一、質(zhì)子旋進式磁敏傳感器的測磁原理質(zhì)子磁矩旋進T

αM

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

/2π第一節(jié)

質(zhì)子旋進式磁敏傳感器從經(jīng)典力學和量子力學觀點,此公式的來源均能得以論證。為方便起見，在此采用經(jīng)典力學的觀點，分析直角坐標系中質(zhì)子磁矩的旋進情況。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，為簡諧運動方程，其解為同理αzxyMzM┴MyMx磁矩M旋進規(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。常數(shù)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，它的軌跡描繪出一個圓錐體，旋進的角頻率為ω，稱為拉莫爾頻率（Larmorfrequency）。根據(jù)簡諧運動方程，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，在實際工作中是有馳豫時間的，信號也是衰減的。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接收不到旋進信號的。為了測得質(zhì)子磁矩M繞外磁場的旋進頻率f信號，必須采取特殊方法：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。在垂直于外磁場方向加一極化場H（該場強約為外磁場的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當質(zhì)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(chǎn)生感應(yīng)電動勢。當去掉極化場H，質(zhì)子磁矩則以拉莫爾旋進頻率繞外磁場旋進。M

若測出感應(yīng)電壓的頻率，就可計算出外磁場的大小。因為極化場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的磁感強度為0.5×10-4T，極化場H的磁感強度為100×10-4T，則可使信噪比增大200倍。υω=γTt2t在自由旋進的過程中，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核心：500cc左右有機玻璃容器,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)子旋進式磁敏傳感器蒸餾水→T計數(shù)器放大器線圈質(zhì)子旋進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。在旋進的過程中，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：在實際工作時,線圈軸向與外磁場的夾角θ不正好保持900,由實測得知：總磁矩量值與sin2θ成正比例,所以,自由旋進感應(yīng)信號的電壓幅值和sin2θ成比例。又考慮到旋進信號按指數(shù)規(guī)律衰減的特點,其感應(yīng)信號完整表達式應(yīng)為M0—磁化強度如果接收線圈有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)子旋進信號的振幅大小，而并不影響質(zhì)子旋進頻率，故在實際測量中，探頭無需嚴格定向。θ=900時，信號最大。質(zhì)子旋進信號強度t2—橫向馳豫時間；V0—信號初始幅度。由實驗得知,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)。理論分析和實驗表明：測量線圈中產(chǎn)生的感應(yīng)信號頻率即為質(zhì)子磁矩的旋進頻率，這和公式是一致的。用質(zhì)子旋進式磁敏傳感器測量外磁場的主要優(yōu)點是：◆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；◆絕對值測量其缺點是：極化功率大,只能進行快速點測；受磁場梯度影響較大1.樣品選擇如果設(shè)計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)考慮選擇冰點低（如甘油）的樣品。三、質(zhì)子旋進式磁敏傳感器的設(shè)計考慮到無磁性，價格便宜，加工方便，選擇有機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計算，根據(jù)實踐經(jīng)驗，應(yīng)選大于100×10-4T的極化場進行激發(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的感應(yīng)信號。由實驗和理論計算結(jié)果認為；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。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IGS-2型質(zhì)子磁力儀的系統(tǒng)擴展及外設(shè)配置打印機曲線記錄儀磁帶記錄儀微型計算機調(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計算機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10-2~10-4nT響應(yīng)頻率高，可在快速變化中進行測量可測量磁場的總向量T及其分量，并能進行連續(xù)測量利用光泵傳感器做成的測磁儀器，是目前實際生產(chǎn)和科學技術(shù)應(yīng)用中靈敏度較高的一種磁測儀器。它同質(zhì)子旋進式磁力儀相比有以下特點：（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成分當原子在弱磁場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。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(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