传感器原理及参数.doc

第3章 、传感器原理及参数3.1先将测磁传感器置于被测地磁场中，并使传感器的轴向与地磁场方向平行，然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定状态。这时灯发出的D线经过透镜3将D线变成平行光，再经偏振片和1/4变成圆周极化光，直射至吸收室中的亚稳定正氦上，正氦在地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。光泵作用结果使原子磁矩取向于2S态某一磁子能级上。然后由RF振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向，产生磁共振作用。当测出磁共振时射频率场的频率f0。根据式（1.31）即可求出被测地磁场的大小。由前所述。磁共振频率f0是由光敏元件监视吸收室，通过光线的弱或强的变化来检测即由射频率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。3.2 磁共振检测方法磁共振的检测方法一般分为：大调频法，大调场法和小调频法三种。3.2.1大调频法这是一种进行粗略的观察与测量共振信号的简单方法，图1.28和图1.29给出了这种方法的方框图与原理图。 图1.28 大调频法方框图讯号源提供了振荡频率接近与共振频率的电磁波，同时被一个锯齿波所调制。输给样本的电磁波振荡频率围绕着中心频率，有一变化范围 设样本的共振频率为w0 ，当讯号源输出的电磁波振荡频率进入样本共振频率区时，讯号源输出的电磁波功率P出开始被样品吸收，当w=w0时，样品对电磁波有最大的吸收功率，于是讯号源输出的电磁波通过样品后到达接收放大器的功率减小，经检波后，在示波器上得到样品的吸收讯号。当讯号源的频率随着调制频率周期性地通过样品的共振频率时，在放大器输入端就会得到一个周期变化的吸收讯号，经放大后在示波器上稳定地显示出来，这称为样品的吸收谱线。在实验条件满足无饱和无畸变的条件下（如电磁波功率适当，频率又很纯等），谱线的形状就是样品共振讯号的线形。谱线的宽度就是共振讯号的线宽。在这种观察方法中，调频的幅度必须大于谱线的宽度，以使讯号源的频率变化范围能很好的覆盖样品的共振区。因此，此种方法被称为大调频法。3.2.2 大调场法 在观察塞曼分裂能级之间的共振吸收时（磁共振），也可用固定频率的讯号源，通过改变恒磁场的方法进行，这就是所谓的大调场法。 方法的原理是：当我们改变恒磁场时，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=hw时发生共振，样品吸收电磁波功率。图1.30和图1.31给出了大调场法的方框图及原理图。 3.2.3小调频法 大调频观测法只能进行粗略的观察。如果要进行精确的测量上述的大调频法以不适用。此时，常采用小调频观察法。图1.32给出了小调频法的方框图。该法用了两个调频讯号：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。它的调制频率一般为几十赫到几百赫。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。当讯号源的振荡频率未进入共振区时，样品不吸收电磁波功率；选频放大器接收到的讯号是一个等幅的调频波，因此在示波器和记录器上无讯号显示。当讯号源的振荡频率进入共振区后，样品可是吸收电磁波功率，在振荡频率w等于共振频率w0时，有最大的功率吸收。这时选频放大器接收到的讯号有一吸收，在示波器上可观察到一蝴蝶形的吸收讯号，记录器上也有讯号记录。图1.33为产生这一共振吸收的过程原理图。 当w扫到w1时，由于谱线的斜率不等于零，这时P出有一个正弦变化，于是放大器得到一个正弦讯号，其振幅的大小正比于小调频正弦讯号的振幅与谱线斜率。由于这一谱线的斜率为负，所以得到的正弦讯号的相位与调频正弦波的相位相反，当频率扫到w=w0时，由于谱线的斜率为零，所以P出只有很小的变化，其讯号频率为调频正弦波频率的二倍。当频率扫到w2时，谱线的斜率又不等于零，P出也有一正弦变化的讯号， 幅度也正比于正弦波的振幅和谱线的斜率。但是因为这时谱线的斜率为正，故所得到的讯号的相位与调频波的相位是相同的。如果讯号源的频率，在慢扫频的调制下周期性地扫过共振区，就可以得到一个周期性变化的吸收讯号，此讯号经放大输到示波器同时，示波器初用慢扫频讯号作同步扫描，就可以得到一个连续稳定的吸收讯号。因此，经过相敏检波在记录器上得到谱线的微分线形。图1.34（a）（b）分别给出了选放输出的讯号和相检输出的讯号。小调频法由于采用了选频放大器及相敏检波器作为接收器，可以使整个接收系统的带宽很窄，噪声很小，既提高了观测的灵敏度，又可把讯号记录下来，十分便于做精细的测量与分析。但是，这种方法不能直接得到谱线的线形，谱线线形要通过对记录器上的微分讯号进行积分求得。在记录器上的两个极大的位置相当于谱线两个微商绝对值极大的位置，它们之间相对应的频差，正是谱线两个微商绝对值极大处相互间的线宽w2 。3.3 所涉及参数吸收室一般采用无电极激发方式，这是一种电离过程，它可以使电子动能传给原子，使He4原