质子旋进式传感器原理及应用

1、质子旋进式传感器原理及应用引言磁敏传感器是基于磁电转换原理的传感器。 早在 1856 年和 1879 年就发现了磁阻效应和霍尔效应， 但作为实用的磁敏传感器则产生于半导体材料发现之后。 60年代初，西门子公司研制出第一个实用的磁敏元件； 1966年又出现了铁磁性薄膜磁阻元件； 1968年索尼公司研制成性能优良、灵敏度高的磁敏二极管； 1974 年美国韦冈德发明了稳态磁性元件。目前上述磁敏元件已得到广泛的应用。磁敏传感器主要有磁敏电阻、 磁敏二极管、 磁敏三极管和霍尔式磁敏传感器。质子旋进式磁敏传感器质子旋进式磁敏传感器是利用质子在地磁场中的旋进现象， 根据磁共振原理研制成功的。 用这种传感器制

2、作的测磁仪器， 在国内外均得到广泛应用。质子旋进式磁敏传感器的测磁原理物理学业已证明物质是具有磁性的。若以水分子（h2o）而言，从其分子结构、原子排列和化合价的性质分析得知：水分子磁矩（即 氢质子磁矩）在磁场作用下绕地磁场旋进，如图 2.1 1所示。它的旋进频率f服从公式f= 丫 pt/2兀的式中丫 p为质子旋磁比; t为地磁场强。不管从经典力学观点，还是从量子力学观点，此公 式的来源均能得以论证。为方便起见，本文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在地磁场t作用下有一力矩mx t,于是，它和陀 螺一样，其动量矩的变化率等于外加力矩，即d p dtm -；pp

3、dm =d p =dt p dt p_ ijkt mxmym；=txtytz磁矩的三个分量为:吐=mt-mt11dtpy zz y晒-m t- m tdtpz 1 xx zrj吐= m t - m t jdt p x y y x为分析方便，设tz=t（地磁场）；tx=0;ty=0.将此条件代入式（2.1-4）,便得：dmx3tdmydt-dmz3t= %myt二- pmxt=0对于（2.1 5）中的第一微分，得d2 mdm .券= t=/pmx即, 2_券+于2mx=0显然，式（2.1 6）为简谐运动方程，其解为:mx =acos（?ptt + 中）“my = -asin（ptt 十中卜mz

4、=常数,同理：m| = ,m 2 + m 2 = a =常数从式（2.1 7）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轴的投影是按余弦规律变化的；磁矩m在y轴是按正弦规律变化的。由图2.1 2可以看出：磁矩m在xy平面上的绝对值是一个常数，并且在 xy平面上旋进。2.1-1住/慰箴就避示意田综合起来看，质子磁矩 m在地磁场t的作用下，绕地磁场t旋进，它的轨迹 描绘出一个圆锥体，旋进的角频率为3,称为拉莫尔频率（larmorfrequency ）。根据简谐运动方程，可得到：3 = pt；3=2兀f,即:f= 2pt2式中 t p= (2.67513_+0.00002) s1

5、t1。将此值代入上式，便得:(2.1 10)t =23.4874f ntf =4257.8t hz由上式可看出，频率f与地磁场成正比，只要能测出频率 f,即可间接 求出地磁场t的大小，从而达到测量地磁场的目的，需要指出的是：这里没 有考虑驰豫时间。但是，在实际工作中是有驰豫时间的，信号也是衰减的, 那么如何在信号衰减的情况下测量地磁场呢？下面就来介绍这个问题 地磁场的测量与旋进信号3在核磁共振中，共振信号的幅度与被测磁场成正比。当被测磁场很弱 时，信号幅度大大衰减，对地磁场这样微弱的磁场，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.绕地磁场的旋进频率f 信号，必须采取特殊

6、方法：使沿地磁场方向排列的质子磁矩，在激化场的激 励下，建立质子宏观磁矩，并使其方向垂直（或接近垂直）于地磁场方向。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 信号幅度的。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），使线圈轴向垂直于地磁场t方向。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，如图 2.13所示。一旦去掉极化场，质 子磁矩则以拉莫尔旋进频率绕地磁场旋进， 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， 如图2.

7、14所示。若量测感应电压的频率，就可测量出地磁场的大小。因 为极化场h大于地磁场t,故此法可使信噪比增大 洋倍，设地磁场t为0.5 x 10 4t,极化场h为100x104t,则可使信噪比增大200倍。四。次械生方法示重国在自由旋进的过程中，磁矩m的横向分量以t2 （横向驰豫时间） 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。这一现象由图2.1-4 和图2.1 -5不难说明。田二. 1 t 忆亶戚示意四将应侑号衰发承恿即图2.1 6所示为质子旋进式磁敏传感器的示意图.传感器的核 心部分是一个容积为500cc左右的有机玻璃容器（内装蒸储水

8、），在 容器外面绕以数百匝的导线，使线圈轴向与地磁场方向大致垂直。 线 圈通以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。若迅速撤去极化磁场，则m的数值与方向均来不 及变化，驰豫过程来不及影响m的行为，此时，质子磁矩在自旋和地 磁场的作用下以角速度w绕地磁场t旋进。在旋进的过程中，周期 地切割外绕的线圈。杂一测量线圈中产生出的感1个旋邑式十应信号。由于驰豫过程的作用，具信号幅度vt的大小随时间按指数规 律衰减，其表达式:_t_vt e t2式中t2横向驰豫时间;信号初始幅度;如果接收线圈共有w匝，所包围的面积为s,充填因子为a,则质 子旋进信号强度的表达式为：

9、v0 =10$4;：,wsm0sint式中m 0磁化强度。在实际工作时，线圈轴向与地磁场t的夹角0不正好保持90,并由实 测得知：总磁矩量与sin 0成正比例，所以，自由旋进感应信号的电压 幅度值和sin2 0成正比例。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为：t_vt =104 ；审：wsm0 sin2sin te2由于（2.1 13）可知，。角的大小只影响质子旋进信号的振大 小，而弁不影响质子旋进频率，故在实际测量中，探头无需严格 定向。二900时，信号最大。由实验得知，对于几百立方厘米的样本，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0.5mv左右。感

10、应信号的衰减还和地磁场梯度的大小有关。理论分析和实验表面：测量线圈中产生的感应信号频率即为质 子磁距的旋进频率，这和以前所述的 f=萋t公式是一致的。用这 种质子旋进式磁敏传感器测量地磁场的主要优点是：精度高，一般在（0.110） nt范围内；稳定性好（因yp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，可直读地磁场 nt值；绝对值测量等。其缺点 是：极化功率大，只能进行快速点测；受磁场梯度影响较大。质子旋进磁力仪方框图质子旋进磁力仪主要由采集磁感应信号的探头、放大部分和频率测量等部分构成。 信号的采集和放大是磁力仪准确测量的基础。 探头磁感应信号

11、的幅度只在wv量级，因此必须采取有效的放大和防干扰措施来保证磁感应信号的准确获得。 探头磁感应信号的采集、 放大部分直接影响整个仪器的勘探效果和工作效率。 分离元件搭建的采样放大电路体积庞大，可靠性差，其电路参数不易调整，且由于器件参数离散造成电路功能存在差异。 随着集成电路制造工艺的提高， 其在低噪声方面的控制水平也在逐步提高， 采用集成工艺制造的低噪声放大器，并进行适当的设计实现磁感应信号的采集和放大。频率测量部分是质子旋进磁力仪的核心。 通常测频较为广泛采用的方法是锁相倍频计数的方法。 将信号整形后倍频， 再通过有门控的计数器计数，通过数字电路控制门控时间使计数值正好是地磁场值。这种方法

12、的优点是不需要复杂计算就能实现频率到地磁场的转换， 但是由于信号频率范围较宽 (1300hz 3100hz) ， 且信号幅度是衰减的，锁相环很难实现在整个频带内精确倍频， 因此这种方法精度较低， 且电路复杂，可靠性差。随着cpl限术的成熟和发展，分频测脉宽的方法实现起来变得很容易，采用cpl昉法测频具有测量精度高、速度 快、自动化程度高、操作简便的优点。单片机是系统的控制核心。 根据仪器功能要求， 单片机除实现基本的测量和控制功能外，还要实现以下功能：可以查询测量数据；保存仪器测量时的日期和时间；可以定时完成磁场的自动测量；自动完成数据的处理与保存； 按键完成数据显示、 测量曲线显示、与上位计

13、算机的串行通讯和打印绘图输出等； 由看门狗防止程序跑飞；具有温度监测功能，对仪器进行温度校正；检测电池电量。另外单片机应低功耗，以适于野外作业。信号采集放大电路以低噪声、 低失调放大器为主组成前置放大部分， 经开关电容滤波器进行选频放大， 再经压控增益放大电路完成磁感应信号的后级放大。频率测量模块使用cpld件，其最大特点是可通过软件编程对其器件的结构和工作方式进行重构10 ， 能随时进行设计调整而满足产品升级。具有可靠的性能与完善的配套软件，片上程序用 veriloghdl1s言编写。拉莫尔信号采集与放大的关键技术1 磁化控制技术质子旋进磁力仪的探头基本结构是一个充满了水或煤油的螺线管形线圈

14、， 使线圈垂直于地磁场。 磁化时线圈中通以直流电流产生磁化磁场， 使探头中质子磁矩的合成向量取向趋于磁化磁场方向， 经过一段时间，断开磁化电流，去掉磁化磁场，则质子旋进切割线圈，在线圈中感应出随时间按指数衰减的旋进信号来。其幅度最弱为数微伏，衰减时间约为 2 秒。为获得磁感应信号，必须对探头磁化时间进行控制，同时需要对电路进行切换以形成磁感应信号的有效传输线路。2 前置放大电路前置放大电路若选用一般的低噪声放大器，如ne5534此类运放价格较低，但容易自激, 并且易受外界干扰影响，故不采用。使用低噪声仪用放大器则只需用一个外接电阻控制放大倍数，外围电路简单；噪声比一般的放大器低一个数量级；单位

15、增益带宽低，不容易自激；抗干扰性强。选用此方案。可以使用的是 ina217低噪声、低失真仪用放大器。 ina217 是一种性能优越，应用方便，用途广泛的低失调、低噪声、 宽带宽集成仪表放大器。具有较宽的带宽和较宽增益范围内的动态响应，另外， ina217 还具有较宽的电源电压范围，较好的输出电压摆幅以及较高的输出电流特性， 因此可用于低频信号采集系统的前置放大器。3 拉莫尔信号采集与放大技术探头输出的信号仅数微伏，必须放大到“伏”数量级才能供测量电路进行数字频率测量。因此对放大器的要求是低噪声、高增益。为提高输出信号的信噪比， 设计放大器应具有选频特性。 通常用改变配谐电容的方法来改变放大器的

16、中心频率以实现选频要求， 但这种方法随之而来的是需要配以大量不同容值的电容， 在切换时只能采用波段开关或是以继电器切换， 电路容易自激、 不易调节、 工作可靠性较低，且体积偏大。 开关电容滤波器具有处理速度快， 整体结构简单的优点，且随着集成制造技术的发展， 可选择的开关电容滤波器种类很多， 故此我们采用开关电容滤波的方法来实现。 为保证足够的放大倍数， 放大系统中加入一级增益可调的后级放大。 放大器的各项指标设计要求分别为：工作频率范围13003100hz,最大士|益 118db,输入阻抗10kq ,选频通带4 f=40 100hzo磁敏电阻器的应用1 作控制元件可将磁敏电阻用于交流变换器、

17、频率变换器、功率电压变换器、磁通密度电压变换器和位移电压变换器等电路中作控制元件。2作计量元件可将磁敏电阻用于磁场强度测量、位移测量、频率测量和功率因数测量等诸多方面。3作开关电路在接近开关、磁卡文字识别和磁电编码器等方面。4作运算器可用磁敏电阻在乘法器、除法器、平方器、开平方器、立方器和开立方器等方面使用。5作模拟元件可在非线性模拟、平方模拟、立方模拟、三次代数式模拟和负阻抗模拟等方面使用。6根据铁磁物体对地磁的扰动，可检测车辆的存在，可用于包括自动开门，路况监测，停车场检测，车辆位置监测，红绿灯控制等。磁敏传感器的发展特点1. 集成电路技术的应用 . 将硅集成电路技术应用于磁敏传感器, 制

18、成集成磁敏传感器.1. insb 薄膜技术的开发成功 , 使得霍尔器件产能剧增 , 成本大幅度下降.3. 强磁体合金薄膜得到广泛应用 . 各种磁阻器件出现, 应用领域广泛.4. 巨磁电阻多层薄膜的研究与开发 . 新器件的高灵敏度, 高稳定性 , 引起研制高密度记录磁盘读出头的科技人员的极大关注 .5. 非晶合金材料的应用 . 与基础器件配套应用 , 大大改善了磁传感器性能 .6. m-v族半导体异质结构材料的开发和应用.通过外延技术，形成异质结构 , 提高 磁敏器件的性能 .国外磁敏传感器的现状1. 国外磁传感器的常见种类就市场占有情况来看, 国外磁敏传感器主要品种依然是霍尔元件, 磁阻元件

19、. 近期的 巨磁阻元件也有良好的发展空间 .2. 外磁传感器的代表厂商: 霍尔元件 : 日本旭化成; 日本东芝 ; 美国heywell 公司 ; 美国 allogro 公司 . 磁阻器件 : 日本sony 公司; 荷兰 philips 公司 .3. 国外磁传感器的应用情况磁敏传感器应用的最大特点是无接触测量.国内磁敏传感器的现状1. 国内磁传感器的常见种类及其特点 目前国内磁敏传感器经过三十余年的发展, 就基础器件的研究与开发情况, 除巨磁阻 期间存有差距以外 , 常用其他磁敏传感器如霍尔元件 , 磁阻元件等已经与国外同类产品的水 平相当 . 市场上应用的国产磁敏传感器件的种类也与国外产品相当 , 依然是霍尔元件, 磁阻 元件 .2. 国内磁传感器件代表厂商霍尔元件 : 中科院半导体所, 沈阳仪表科学研究院 , 南京中旭微电子公司 . 磁阻器件 : 沈阳仪表科学研究院 （ 汇博思宾尼斯公司 ）3. 国内磁传感器的应用情况 电流传感器: 国内包括沈阳仪表科学研究院 （ 思宾尼斯公司 ） , 西南自动化所等二, 三十家大小不同的企业在生产和销售电流传感器/ 变送器 , 其市场竞争已经白热化 . 该领域是国内磁敏传感器应用最早, 最普及 , 最成熟的领域. 直流无刷电机