1、第二章 磁敏传感器,第一节 质子旋进式磁敏传感器第二节 光泵式磁敏传感器 第三节 SQUID磁敏传感器第四节 磁通门式磁敏传感器第五节 感应式磁敏传感器第六节 半导体磁敏传感器第七节 机械式磁敏传感器,磁敏传感器是对磁场参量(B,H,)敏感的元器件或装置 ,具有把磁学物理量转换为电信号的功能。,质子旋进式磁敏传感器 光泵式磁敏传感器 SQUID（超导量子干涉器）磁敏传感器 磁通门式磁敏传感器 感应式磁敏传感器 半导体磁敏传感器霍尔器件、磁敏二极管、磁敏三极管、磁敏电阻 机械式磁敏传感器 光纤式磁敏传感器,磁敏传感器的种类,质子旋进式磁敏传感器是利用质子在外磁场中的旋进现象，根据磁共振原理研制成
2、功的。,物理学已证明物质是具有磁性的。对水分子（H2O）而言，从其分子结构、原子排列和化学价的性质分析得知：水分子磁矩（即氢质子磁矩）在外磁场作用下绕外磁场旋进。,一、质子旋进式磁敏传感器的测磁原理,质子磁矩旋进,T,质子的旋进频率 p 为质子旋磁比；T为外磁场强度,f=p T /2,第一节 质子旋进式磁敏传感器,从经典力学和量子力学观点,此公式的来源均能得以论证。,为方便起见，在此采用经典力学的观点，分析直角坐标系中质子磁矩的旋进情况。,设质子磁矩M在外磁场T作用下有一力矩MT，于是，它和陀螺一样，其动量矩的变化率等于外加力矩，即：,动量矩变化率,磁矩三个分量,设Tz=T(外磁场)；Tx=0
3、；Ty =0,对上式中的第一式微分,显然，为简谐运动方程，其解为,同理,z,x,y,Mz,M,My,Mx,磁矩 M 旋进规律变化示意图,从上式可看出，Mz是常数，磁矩M在z轴上的投影是不变的；磁矩M在x轴上的投影是按余弦规律变化的；磁矩M在y轴上的投影是按正弦规律变化的。由图看出：,磁矩M在xy平面上的投影的绝对值是一个常数，并且在xy平面上旋进。,常数,综合起来看，质子磁矩M在外磁场T的作用下，绕外磁场T旋进，它的轨迹描绘出一个圆锥体，旋进的角频率为，称为拉莫尔频率（Larmor frequency）。,根据简谐运动方程，可得到：即： 将此值代入上式,p=（2.675130.00002）S-
4、1T-1,可见，频率f与磁场T成正比，只要能测出频率f，即可间接求出外磁场T的大小,从而达到测量外磁场的目的。,需要指出的是：这里没有考虑驰豫时间,是在假设角不变、信号不衰减的前提下分析测磁原理的。但是，在实际工作中是有驰豫时间的，信号也是衰减的。,当被测磁场很弱时，信号幅度大大衰减。对微弱的被测磁场，用一般的核磁共振检测方法是接收不到旋进信号的。为了测得质子磁矩M绕外磁场的旋进频率 f 信号，必须采取特殊方法：,二、磁场的测量与旋进信号,在核磁共振中，共振信号的幅度与被测磁场T3/2成正比。,使沿外磁场方向排列的质子磁矩,在极化场的激励下,建立质子宏观磁矩,并使其方向于外磁场方向垂直或接近垂
5、直,通常采用预极化方法或辅助磁场方法来建立质子宏观磁矩，以增强信号幅度。,具体作法是:用圆柱形玻璃容器装满水样品或含氢质子液体，作为灵敏元件，在容器周围绕上极化线圈和测量线圈或共用一个线圈，使线圈轴向垂直于外磁场T方向。,在垂直于外磁场方向加一极化场H（该场强约为外磁场的200倍）。在极化场作用下，容器内水中质子磁矩沿极化场方向排列，形成宏观磁矩，如下图所示。,当质子磁矩在旋进过程中切割线圈，使线圈环绕面积中的磁通量发生变化，于是在线圈中就产生感应电动势。,当去掉极化场H，质子磁矩则以拉莫尔旋进频率绕外磁场旋进。,M,若测出感应电压的频率，就可计算出外磁场的大小。因为极化场H大于外磁场，故此法
6、可使信噪比增大H/T倍。设外磁场T的磁感强度为0.510-4T，极化场H的磁感强度为10010-4 T，则可使信噪比增大200倍。,在自由旋进的过程中，磁矩M的横向分量以t2（横向弛豫时间）为时间常数并随时间逐渐趋近于零；在测量线圈中所接收的感应信号，也是以t2为时间常数按指数规律衰减的。,M衰减示意图,感应信号衰减示意图,x,y,核心：500cc左右有机玻璃容器,在容器外面绕以数百匝的导线,使线圈轴向与外磁场方向大致垂直,线圈中通以 13A的电流,而形成约0.01T的极化场,使水中质子磁矩指向极化场H的方向。,质子旋进式磁敏传感器,蒸馏水,T,线圈,质子旋进式磁敏传感器的组成,E,若迅速撤去
7、极化磁场,则M的数值与方向均来不及变化,弛豫过程来不及影响M的行为,此时,质子磁矩在自旋和外磁场T的作用下以角速度绕外磁场T旋进。在旋进的过程中，周期性切割测量线圈，产生感应信号。由于弛豫过程的作用，其信号幅度Vt的大小随时间按指数规律衰减，其表示式为：,在实际工作时,线圈轴向与外磁场的夹角不正好保持900,由实测得知：总磁矩量值与sin2成正比例,所以,自由旋进感应信号的电压幅值和sin2成比例。又考虑到旋进信号按指数规律衰减的特点,其感应信号完整表达式应为,M0磁化强度,如果接收线圈有W匝,所包围的面积为S,充填因子为,则,角的大小只影响质子旋进信号的振幅大小，而并不影响质子旋进频率，故在
8、实际测量中，探头无需严格定向。=900时，信号最大。,质子旋进信号强度,t2横向驰豫时间； V0信号初始幅度。,由实验得知,对于几百cm3的样品，线圈为数百匝的传感器，在较好的情况下，质子感应信号仅为0.5 mV左右。 感应信号的衰减还和外磁场梯度的大小有关。 理论分析和实验表明：测量线圈中产生的感应信号频率即为质子磁矩的旋进频率，这和公式 是一致的。,用质子旋进式磁敏传感器测量外磁场的主要优点是： 精度高，一般在（0.110）nT范围内； 稳定性好（因p是一常数，其值只与质子本身有关，它的值与外界温度、压力、湿度等因素均无关）； 工作速度快，可直读外磁场nT 值； 绝对值测量 其缺点是：,极
9、化功率大,只能进行快速点测；受磁场梯度影响较大,1. 样品选择,如果设计的传感器系用于磁测作业，因水的纵向弛豫时间t1和横向弛豫时间t2较长，故适合地面操作。,选择样品一定要选择水或含有质子的液体，如酒精、煤油、甘油等。几种溶液的驰豫时间t1、t2数值见表。,如果有自动化程度高的测频装置，则可选用t1、t2时间短的样品；如果在空中磁测，由于飞机航速快，选择煤油作样品则是合适的；如果在低温地区工作，除考虑t1、t2外，还应考虑选择冰点低（如甘油）的样品。,三、质子旋进式磁敏传感器的设计,考虑到无磁性，价格便宜，加工方便，选择有机玻璃材料制作容器是合适的。,2. 容器的选择,3. 激发与接收,据前
10、述：极化场方向应垂直于被测磁场，极化场的大小应大于被测磁场200倍，被测磁场按0.510-4T计算，根据实践经验，应选大于10010-4T的极化场进行激发较妥。为得到大的感应信号，接收线圈的轴向应垂直于被测磁场。必须采用预极化方式才能接收到旋进的感应信号。,由实验和理论计算结果认为；容器的直径和长之比应为l ：1.2（1.3） 的圆柱形为宜。,接收线圈的种类:地面传感器用单线圈,空中磁测用双线圈,地震台站用环形线圈, 海洋磁测用三轴式线圈。,CZM-2型质子磁力仪 IGS-2/MP-4质子磁力仪,四、质子旋进式磁敏传感器的应用,光泵式磁敏传感器是高灵敏度光泵磁力仪的核心部件。它是以某些元素的原
11、子在外磁场中产生的塞曼分裂为基础，并采用光泵和磁共振技术研制成的。,第二节 光泵式磁敏传感器,磁力仪种类：按共振元素的不同,分为氦(He)光泵磁力仪,其中又分He3、He4光泵磁力仪;碱金属光泵磁力仪,其共振元素有铷(Rb85、Rb87)、铯(Cs133)、钾(K39)、汞(Hg)等。,灵敏度高,一般为0.01nT量级,理论灵敏度高达10-210-4nT响应频率高，可在快速变化中进行测量 可测量磁场的总向量T及其分量，并能进行连续测量,利用光泵传感器做成的测磁仪器，是目前实际生产和科学技术应用中灵敏度较高的一种磁测仪器。它同质子旋进式磁力仪相比有以下特点：,（一）塞曼效应 塞曼效应是指在外磁场
12、中原子能级产生分裂的现象。,一、氦（He4）光泵式磁敏传感器的物理基础,x,S,S,N,v2,v0,v1,O,v2,v0,v1,z,y,塞曼效应：正常和反常塞曼效应,正常塞曼效应：在弱磁场中,电子自旋量子数为零时(S=0)产生的塞曼效应。,反常塞曼效应：在弱磁场中,电子自旋量子数不为零(S0)时产生的塞曼效应,光泵式磁敏传感器，不管是碱金属Cs、Rb还是He4、He3光泵传感器，电子自旋量子数均不为零（S0），并且均是在弱磁场中工作，故属反常塞曼效应。,成分,成分,当原子在弱磁场H中时，总的轨道动量矩Pl和总的自旋动量矩Ps之间的“耦合”，没有被拆开，这时，原子的壳层动量矩 Pj将带着Pl和
13、Ps一起绕磁场H旋进。如图所示。由图看出，磁场将使原子获得的附加能量为：,H,Ps,Pl,0,H,Pj,Pl,Ps,0,弱磁场中Pj 、Pl 、Ps的旋进,(jH)磁场H和壳层磁矩j之间的夹角。,（二）反常的塞曼效应的能级分裂,gE能级的郎得因子； f0拉莫尔旋进频率；波尔磁子；h普朗克常数；m电子质量；c光速。,假设原子跃迁能级为E1、E2。在外磁场作用下，这两个能级各自有附加能量E1，E2。原子就在附加能量的能级上产生跃迁。（如上图所示）。,对外层电子只有一个在起作用，只考虑单电子的内量子数，则可导出,磁场将使原子获得的附加能量,氦原子有两个电子，两个质子和两个中子，核自旋互相抵消，核磁矩
14、为零。在一般情况下，两个电子都处在1s轨道，充满n=l轨道，l=0，表现不出轨道磁矩；根据泡利不相容原理，两个电子的自旋也必然相反，也显示不出电子的自旋磁矩；因而氦原子在外磁场中不会产生塞曼分裂，也就无法利用He4进行光泵磁测了。为使没有磁矩的He4产生磁矩，来测量磁场。将一电子激发到较高能级的轨道上,另一电于仍处在1s态(基态)。处在激发态的高能级上的电子, 其自旋状态有两种取向：一种是和处在基态(1s)的电子的自旋方向相同,所表现的总自旋量子数S=1/2+1/2=1；另一种是相反，S=1/2-1/2=0。,（三）氦（He4）原子能级的塞曼分裂,当S=0时,由于l1=l2=0,所以J=0,即
15、在磁场作用下,能级不发生分裂，表现为单重能级，称这种情况为仲氦。 当S=l时,由于l1=l2=0,所以J=1,在外磁场作用下,能级分裂为2J1=3个能级,能级表现为三重态,这种情况称正氦。,通过对塞曼效应的分析，可得到以下几点结论,2、磁共振的频率大小取决于相邻能级间的能量差 （E），E=hv。,1、塞曼分裂后，相邻能级之间的能量差极小，要观察这样小的分裂情况，只有通过能级间受激跃迁的方法，也就是用磁共振的方法进行检测。这里所指的受激跃迁，受激能量来自光，也就是通常所说的光泵（光抽运）方式。,3、由于塞曼分裂后，磁子能级间能量很小，信号只有微伏量级，要观察这样小的信号，必须外加一射频场并用电子
16、接收技术来完成。,4、在磁共振过程中，其它量子数不发生变化，而只有磁量子数在选择定则的范围内变化，光泵式磁敏传感器就是在这种情况下工作的。,He4原子在稳态下既不具有核磁矩,也不具有壳层磁矩,整个原子不显示磁性,在外磁场中不产生塞曼能级分裂。当把He4原子中一电子激发到亚稳态时,对正氦s=l的情况,则具有电子自旋磁矩。这时是单个电子的自旋磁矩 ,即原子的总磁矩等于电子的总自旋磁矩,即：J =S。由于电子自旋磁矩J是在外磁场作用下,故在外磁场方向上的投影为,二、氦（He4）光泵式磁敏传感器的测磁原理,外磁场(弱磁场)作用在磁矩上的附加能量,s电子的总磁矩比,在亚稳态（23s1）中，J=1，mj=
17、0,1。对J=1的亚稳态在外磁场中分裂为三个能级，两相邻磁子能级间的能量差为：,跃迁过程中辐射的光子能量恰好等于两相邻能级间的能量差，即：,由上式可看出：频率f与外磁场T成正比关系，只要测出频率f即可求得外磁场T的大小。,f辐射频率；h普郎克常数。,He4光泵式磁敏传感器测磁原理公式,利用光使原子磁矩达到定向排列的过程,也称光学取向。,（一）光泵作用,实质,过程：在垂直于外磁场方向(即垂直于光轴)加一交变的磁场射频场，使射频场的频率f0等于相邻磁子能级间的跃迁频率。根据受激跃迁原则，射频场将使富集在mj=+1磁子能级上的原子，产生受激跃迁。首先向mj=0磁子能级上跃迁，再逐渐向mj=-1的磁子
18、能级跃迁，使原子的分布规律服从玻尔兹曼分布规律。于是原子磁矩的定向排列被打乱，完成了磁共振的整个过程。,（二）磁共振作用,用射频场打乱原子磁矩定向排列的过程。,在原子磁矩取向前，吸收室中大量亚稳态正氦原子吸收由氦灯射来的D线，原子通过光泵作用将原子磁矩定向排列到某一能级上去，这时透过吸收室的光线相对较少，称作光弱(暗)；当原子磁矩取向时刻，吸收室内的原子磁矩已排列好，不再吸收D线，而透过吸收室的光相对变强，称作光强(亮)。当发生磁共振时，即原子磁矩取向被打乱，吸收D线产生光泵作用而重新取向，此时为暗。若能测量出通过吸收室样品光线最暗时的射频场频率，即求得磁共振（吸收）频率。,从吸收室光的强或弱
19、（即从光学检测）的角度出发，分析光泵作用和磁共振作用的全过程。,He4光泵式磁敏传感器系由吸收室、氦灯、两个透镜、偏振片、/4、光敏元件等元器件组成。,三、光泵式磁敏传感器的组成及工作原理,首先将测磁传感器置于被测外磁场中，并使传感器的轴向与外磁场方向平行，其后将高频激发振荡器打开，激发氦灯使发出D线；激发He4吸收室使其处于亚稳状态。这时灯发出的D线经过透镜将D线变成平行光，再经偏振片和/4变成圆周极化光，直射至吸收室中的亚稳态正氦上，正氦在外磁场作用下产生塞曼分裂，塞曼能级2s态原子吸收D线，跃迁到2P态而产生光泵作用。,He4光泵式磁敏传感器的工作原理,光泵作用结果使原于磁矩取向于2s态
20、某一磁子能级上。然后由RF娠荡器提供给的射频能量，打乱亚稳态中某一磁子能级上原子磁矩的取问，产生磁共振作用。当测出磁共振时射频场的频率f0，即可求出被测外磁场T的大小。由前所述，磁共振频率f0是由光敏元件通过光线的弱或强的变化来检测，即由射频振荡器指示出的吸收室最暗时刻相对应的频率，就是所要测量的共振频率f0。,四、磁共振检测方法,大调频法：是一种粗略地观察与测量共振信号的方法，信号源提供振荡频率接近于共振频率的电磁波，同时被一个锯齿波所调制。输给样品的电磁波振荡频率围绕着中心频率有一变化范围。,大调频法、大调场法、小调频法,调制信号频率为几Hz几十Hz。,要求：调频幅度必须大于谱线宽度，使信
21、号源频率变化范围覆盖样品共振区，故称大调频法。,大调场法：在观察塞曼分裂能级之间的共振吸收时（磁共振），也可用固定频率的信号源，通过改变恒磁场的方法进行，即大调场法。,小调频法：用两个调频信号，一个是调频幅度小于谱线线宽，称为小调频，由正弦波发生器供给。其调制频率一般为几十Hz到几百Hz 。另一个调频幅度大于谱线线宽，称为慢扫频，它由慢扫频发生器供给。扫频频率与小调频的调制频率相等。慢扫频使信号源的振荡频率缓慢通过共振区。,原理：当改变恒磁场时，塞曼能级的间距发生变化，当磁场变化到使两塞曼能级间的能量差满足E=hf 时发生共振,样品吸收电磁波功率。,五、氦（He4） 光泵式磁敏 传感器的应用,是一种根据小调频法 检测磁共振的磁力仪,
