传感器教学课件第4章磁传感器6-7

1、传感器教学课件第传感器教学课件第4 4章磁传感器章磁传感器6-76-7第五节第五节 磁通门式磁敏传感器磁通门式磁敏传感器一、磁通门式磁敏传感器的物理基础一、磁通门式磁敏传感器的物理基础2BAHsHcFBr-HcE-BrDC静态磁滞回线示意图静态磁滞回线示意图BsHOB磁饱和现象磁饱和现象饱和磁感应强度饱和磁感应强度Bs饱和磁场强度饱和磁场强度Hs 最大剩磁最大剩磁B Br r磁滞现象：磁感应强度的变化磁滞现象：磁感应强度的变化滞后于磁场滞后于磁场H H的变化的变化B Br r, , B Bs s，H Hs s及矫顽力及矫顽力H Hc c是磁性材料的四是磁性材料的四个重要参数。个重要参数。磁通门

2、传感器使用软磁性材料。磁通门传感器使用软磁性材料。动态磁导率动态磁导率dHdBd第五节第五节 磁通门式磁敏传感器磁通门式磁敏传感器一、磁通门式磁敏传感器的物理基础一、磁通门式磁敏传感器的物理基础3 概念：物体在磁场中被磁化后，在磁化方向上会产生伸概念：物体在磁场中被磁化后，在磁化方向上会产生伸长或缩短现象，称为磁致伸缩现象。长或缩短现象，称为磁致伸缩现象。 磁致伸缩现象对磁通门磁致伸缩现象对磁通门磁敏传感器是十分有害的，磁敏传感器是十分有害的，在选择传感器材料和磁心在选择传感器材料和磁心骨架时必须予以考虑避免。骨架时必须予以考虑避免。几种磁性材料的伸缩系数几种磁性材料的伸缩系数3020100-

3、10-20-30l/lFeCoNi010203040 H/10-4T45 坡莫合金l/l称为磁致伸缩系数称为磁致伸缩系数铁镍铁镍4:1比例的合金会使比例的合金会使得迟滞伸缩系数达到得迟滞伸缩系数达到0第五节第五节 磁通门式磁敏传感器磁通门式磁敏传感器二、磁通门式磁敏传感器的二次谐波法测磁原理二、磁通门式磁敏传感器的二次谐波法测磁原理4长条形单磁芯非闭合式磁芯长条形双磁芯磁芯长方形磁芯闭合式磁芯 跑道形磁芯 圆形磁芯从这几种磁芯的性能来说，以圆形较好，跑道形次之。在磁从这几种磁芯的性能来说，以圆形较好，跑道形次之。在磁场的分量测量中，用场的分量测量中，用跑道形磁芯跑道形磁芯较多。较多。第五节第五

4、节 磁通门式磁敏传感器磁通门式磁敏传感器二、磁通门式磁敏传感器的二次谐波法测磁原理二、磁通门式磁敏传感器的二次谐波法测磁原理5当线圈的轴向存在当线圈的轴向存在外界磁场外界磁场H H0 0时，时，磁芯磁芯在在H H0 0与与激励激励磁场磁场H(t)H(t)的共同作用下，其磁导率的共同作用下，其磁导率u(t)u(t)被外界磁被外界磁场场H H0 0所调制。感应线圈输出的感应电动势含有和所调制。感应线圈输出的感应电动势含有和H H0 0有关的信号，但该信号远远小于激励磁场产生的有关的信号，但该信号远远小于激励磁场产生的感应电动势。感应电动势。为了消除激励磁场产生的感应电动势，磁通门探为了消除激励磁场

5、产生的感应电动势，磁通门探头在应用将两个参数相当的激励兼感应线圈的差头在应用将两个参数相当的激励兼感应线圈的差分信号作为输出，俗称分信号作为输出，俗称“三端式三端式”结构。结构。第五节第五节 磁通门式磁敏传感器磁通门式磁敏传感器6i ie e产生的激励磁场为：产生的激励磁场为：cos(2)emHHft两线圈中的磁场为：两线圈中的磁场为：1020eeHHHHHH根据法拉第电磁感应定律根据法拉第电磁感应定律( )( )( )( )dtdH teWS H ttdtdt 第五节第五节 磁通门式磁敏传感器磁通门式磁敏传感器7则可以得到两线圈产生的感应电动势：则可以得到两线圈产生的感应电动势：010020

6、()( )()( )()( )()( )eeeed HHdteWS HHWStdtdtd HHdteWS HHWStdtdt考虑到两线圈的阻抗，考虑到两线圈的阻抗，“三端式三端式”磁通门传感器等效磁通门传感器等效模型模型第五节第五节 磁通门式磁敏传感器磁通门式磁敏传感器8探头输出电压：探头输出电压：12222212eeeizezezz 当两线圈参数一致时，输出电压化简为：当两线圈参数一致时，输出电压化简为：121()2eee 将两线圈的感应电动势带入后可得：将两线圈的感应电动势带入后可得：0000()1( )()( )2()( )()( )eeeed HHdteWS HHWStdtdtd HH

7、dtWS HHWStdtdt 第五节第五节 磁通门式磁敏传感器磁通门式磁敏传感器9磁通门传感器常用于测静磁场或低频磁场，可以认为：磁通门传感器常用于测静磁场或低频磁场，可以认为：则可得：则可得：0()0d Hdt000()1( ) 22 ( )2( )d HdteWSHtdtdtdtWSHdt 第五节第五节 磁通门式磁敏传感器磁通门式磁敏传感器10将式子中的各量代入后，则可得到理想的三端式磁通将式子中的各量代入后，则可得到理想的三端式磁通门传感器输出电压为：门传感器输出电压为：0002 m102 m102m4m6m( )=cos(22)=-22sin(22)=-4sin(22)sin(24)s

8、in(26).mkkkkdteWSHdtdWSHkftdtWSHfkftfWSHftftft 可以看出，输出电压偶次谐波的幅值与外界磁场可以看出，输出电压偶次谐波的幅值与外界磁场H H0 0、激、激励频率、线圈匝数、线圈截面积、磁心磁导率成正比。励频率、线圈匝数、线圈截面积、磁心磁导率成正比。第五节第五节 磁通门式磁敏传感器磁通门式磁敏传感器11在实际应用中，我们通常选择下式中的二次谐波作为在实际应用中，我们通常选择下式中的二次谐波作为被测对象，通过检测二次谐波的幅值来完成对外界磁被测对象，通过检测二次谐波的幅值来完成对外界磁场的测量。场的测量。202mE =-4sin(22)fWSHft三端

9、式磁通门传感器工作电路框图三端式磁通门传感器工作电路框图第五节第五节 磁通门式磁敏传感器磁通门式磁敏传感器1213第六节第六节 质子旋进式磁敏传感器质子旋进式磁敏传感器u基本原理：基本原理：利用质子在外磁场中的旋进现利用质子在外磁场中的旋进现象，根据磁共振原理研制而成。象，根据磁共振原理研制而成。一、质子旋进式磁敏传感器的磁测原理一、质子旋进式磁敏传感器的磁测原理物理学已证明物理学已证明物质是具有磁性的物质是具有磁性的。对水分子（。对水分子（H2O）而言，从其而言，从其分子结构、原子排列和化分子结构、原子排列和化学价的性质学价的性质分析得知：水分子磁矩分析得知：水分子磁矩（即氢质子磁矩）在外磁

10、场作用下（即氢质子磁矩）在外磁场作用下绕外磁场旋进。绕外磁场旋进。 带电粒子自旋产生磁矩带电粒子自旋产生磁矩质子的旋进频率质子的旋进频率:p 为质子旋磁比；为质子旋磁比；T为外磁场强度为外磁场强度f = p T /2第六节第六节 质子旋进式磁敏传感器质子旋进式磁敏传感器质子的磁矩质子的磁矩M在外磁场在外磁场T的作用下，绕着磁场的作用下，绕着磁场T旋进，旋进，它的轨迹描绘出一个它的轨迹描绘出一个圆锥体圆锥体，旋进的角频率为，旋进的角频率为，称，称为为拉莫尔频率（拉莫尔频率（Larmor Frequency）。根据解析运动方程可知：根据解析运动方程可知：则：则：f=p T/2可以看出，频率与磁场成

11、正比，只要能测出频率，可以看出，频率与磁场成正比，只要能测出频率，即可求出外磁场大小，从而达到测磁目的。即可求出外磁场大小，从而达到测磁目的。强调：强调：此处没有考虑弛豫时间，是在a角不变、信号不衰减的前提下得到的。实际工作中有弛豫时间和信号衰减问题。 = p T， =2f第六节第六节 质子旋进式磁敏传感器质子旋进式磁敏传感器二、磁场的测量与旋进信号二、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在核磁共振中，共振信号的幅度与被测磁场T3/2成成正比。正比。当被测磁场很弱时，信号幅度大大衰减。对微弱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

12、接收不到被测磁场，用一般的核磁共振检测方法是接收不到旋进信号的。为了测得质子磁矩旋进信号的。为了测得质子磁矩M绕外磁场的旋进绕外磁场的旋进频率信号，必须采取特殊方法：频率信号，必须采取特殊方法：使沿外磁场方向排列的质子磁矩，在极化场的激励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直垂直或接近垂直 ,即施加一个强人工磁场。即施加一个强人工磁场。第六节第六节 质子旋进式磁敏传感器质子旋进式磁敏传感器当没有外界磁场作用于含氢液体时，其中质子磁矩当没有外界磁场作用于含氢液体时，其中质子磁矩无规则的任意

13、指向，不显现宏观磁矩。若垂直于地无规则的任意指向，不显现宏观磁矩。若垂直于地磁场磁场T的方向，加一强人工磁场的方向，加一强人工磁场H0，则样品中的质子，则样品中的质子磁矩，将按方向排列起来，此过程称为极化。磁矩，将按方向排列起来，此过程称为极化。第六节第六节 质子旋进式磁敏传感器质子旋进式磁敏传感器在垂直于外磁场方向加一在垂直于外磁场方向加一极化场极化场H（该场强约为外（该场强约为外磁场的磁场的200倍）。在极化倍）。在极化场作用下，质子磁矩沿极场作用下，质子磁矩沿极化场方向排列，形成宏观化场方向排列，形成宏观磁矩。磁矩。 预极化法示意图H*MMMHT第六节第六节 质子旋进式磁敏传感器质子旋进

14、式磁敏传感器若切断人工磁场若切断人工磁场H0，则地磁场对质子有力矩作用，则地磁场对质子有力矩作用，试图将质子拉回到地磁场方向，由于质子自旋，因试图将质子拉回到地磁场方向，由于质子自旋，因而在力矩作用下，质子磁矩而在力矩作用下，质子磁矩M将绕着地磁场将绕着地磁场T的方向的方向做旋进运动（拉莫尔旋进），好像地面上倾斜旋转做旋进运动（拉莫尔旋进），好像地面上倾斜旋转的陀螺，在重力作用下并不立刻倒下，而是绕着铅的陀螺，在重力作用下并不立刻倒下，而是绕着铅垂方向作旋进运动一样。垂方向作旋进运动一样。实际中：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

15、线圈，使线圈轴向垂直于外磁场T方向。第六节第六节 质子旋进式磁敏传感器质子旋进式磁敏传感器当质子磁矩在旋进过程中切割线圈，使线圈环绕面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积中的磁通量发生变化，于是在线圈中就产生感应电动势。电动势。当去掉极化场当去掉极化场H，质子磁矩则以拉莫尔旋进频率绕，质子磁矩则以拉莫尔旋进频率绕外磁场旋进。外磁场旋进。M = TT2tM衰减示意图感应信号衰减示意图xy第六节第六节 质子旋进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组成质子旋进式磁敏传感器组成核心：核心：500cc左右有机玻璃容器左右有机玻璃容器,在容器外面绕以在容器外面绕以数数百匝百匝的导线的导线,使使线圈线圈轴向与外磁场方向大致轴向与外磁场方向大致垂直垂直,线线圈中通以圈中通以 13A的电流的电流,而形成约而形成约0.01T的极化场的极化场,使使水中质子磁矩指向极化场水中质子磁矩指向极化场H的方向。的方向。 20tTtVV e第六节第六节 质子旋进式磁敏传感器质子旋