第四章磁传感器4-8

1、1 感应式磁敏传感器基于感应式磁敏传感器基于法拉第电磁感应原理法拉第电磁感应原理，制造工艺，制造工艺简单，使用方便，性能比较稳定，在国内外运用较为广泛。简单，使用方便，性能比较稳定，在国内外运用较为广泛。可以测量恒定的、交变的或脉冲的磁场。最适合于测量交变可以测量恒定的、交变的或脉冲的磁场。最适合于测量交变磁场，磁场，并随着被测磁场频率的增加其测量灵敏度也获得提高，并随着被测磁场频率的增加其测量灵敏度也获得提高，其测量范围很广，分辨率可达其测量范围很广，分辨率可达1010-12-121010-13-13T T。 感应式磁传感器一般有空气芯和铁芯两种，早期使用的感应式磁传感器一般有空气芯和铁芯两

2、种，早期使用的磁传感器都是空气芯的。目前使用传感器的铁芯有：磁传感器都是空气芯的。目前使用传感器的铁芯有：铁氧体铁芯铁氧体铁芯制造工艺简单，价格便宜，应用较为广泛。制造工艺简单，价格便宜，应用较为广泛。缺缺点：点：铁氧体磁性材料机械变化和热应力变化都会改变其导磁铁氧体磁性材料机械变化和热应力变化都会改变其导磁特性。特性。 坡莫合金铁芯坡莫合金铁芯属于高初始磁导率磁性材料，大大提高属于高初始磁导率磁性材料，大大提高传感器的工作灵敏度和使用稳定性。传感器的工作灵敏度和使用稳定性。缺点：缺点：成本高，热处理成本高，热处理工艺比较复杂。工艺比较复杂。 非晶态铁芯非晶态铁芯磁感应传感器更轻便、更稳定、效

3、果更好。磁感应传感器更轻便、更稳定、效果更好。缺点：缺点：价格较高。价格较高。第四节第四节 感应式磁敏传感器感应式磁敏传感器2 一、感应式磁敏传感器的物理基础一、感应式磁敏传感器的物理基础 法拉第电磁感应定律法拉第电磁感应定律对于带有磁芯导磁率为对于带有磁芯导磁率为的螺线管线圈，其感应电的螺线管线圈，其感应电动势动势e (t)e (t)为：为： dttdBNSdttdNte)()()(dttdHNSdttdHNSdttdBNSter)()()()(0被测磁场的变化率可由线圈的感应电动势所反映。 3 屏蔽铜箔屏蔽铜箔铝管铝管铝盖输出输出线圈线圈长螺旋管式传感器构成示意图长螺旋管式传感器构成示意图

4、磁芯磁芯 感应式磁传感器通常由线圈和放大器两部分组成。感应式磁传感器通常由线圈和放大器两部分组成。线圈中包括绕组和磁芯两部分。磁芯通常采用高导磁线圈中包括绕组和磁芯两部分。磁芯通常采用高导磁率的磁性材料做成。率的磁性材料做成。 4 二、感应式磁敏传感器的设计二、感应式磁敏传感器的设计考虑因素：考虑因素：要有一定的灵敏度，体积不宜过大。要有一定的灵敏度，体积不宜过大。噪音要尽量低，这里包括热噪音、温差电势、潮噪音要尽量低，这里包括热噪音、温差电势、潮湿和接触污染等引起的噪音；线圈内阻要小；线圈湿和接触污染等引起的噪音；线圈内阻要小；线圈避免用普通焊锡接头；信号线要双层屏蔽，且不能避免用普通焊锡接

5、头；信号线要双层屏蔽，且不能镀锡；要求严格密封。镀锡；要求严格密封。要有完善的电屏蔽。要有完善的电屏蔽。要尽量降低磁芯的损耗，尤其是要降低涡流损耗。要尽量降低磁芯的损耗，尤其是要降低涡流损耗。因此各片磁芯间要求严格绝缘。因此各片磁芯间要求严格绝缘。磁芯的抗震性和温度稳定性要好。磁芯的抗震性和温度稳定性要好。 5 1 1、灵敏度、灵敏度为了获得最大灵敏度，就必须使乘积NS为最大。dttdHNSter)()(rNSdtdHe初始灵敏度初始灵敏度 为了获得最大信号，必须使接入放大器输入电为了获得最大信号，必须使接入放大器输入电路之前的线圈本身具有较高的灵敏度，即能感应出路之前的线圈本身具有较高的灵敏

6、度，即能感应出较高的电动势。这种灵敏度也称为初始灵敏度较高的电动势。这种灵敏度也称为初始灵敏度。根据法拉第电磁感应定律，感应电动势根据法拉第电磁感应定律，感应电动势 62 2、信噪比、信噪比主要考虑线圈电阻和匝数等参数的选择。假设磁场的频谱密度为假设磁场的频谱密度为H、频带宽度为、频带宽度为F，则线，则线圈的感应信号，而根据热力学定律，噪声为圈的感应信号，而根据热力学定律，噪声为 式中，式中，K为波兹曼常数；为波兹曼常数；T为绝对温度为绝对温度则信噪比则信噪比4RLeKR T F4HRLnSjeeKR T 73 3、磁芯材料、磁芯材料 磁芯是感应式磁传感器的关键部件，它的性能将影响整个传感器。

7、一般对磁芯材料的要求有：对磁芯材料的要求有：高磁导率已获得最大磁感应强度；高饱和磁感应强度BS以保证高饱和电流；高电阻率以降低涡流损耗；低的矫顽力HC，HC越低，磁滞损耗越小。 主要的磁芯材料有主要的磁芯材料有：软磁铁氧体、坡莫合金、非晶合金、纳米金合晶等。8 三、感应式磁敏传感器实例三、感应式磁敏传感器实例（一）CM11型感应式磁敏传感器（美国） 1 1、用途、用途：测量大地的磁场微变，以探伤和研究沉积盆地及大地构造等问题。微变频率一般是千分之几到几十赫兹。 2 2、主要技术数据：、主要技术数据：磁芯长度，110.5cm；磁敏传感器直径，9.9cm；频率范围，5mHz50Hz；灵敏度，50m

8、V/nT（包括前置放大器在内）；噪声密度，约为0.16mnT/Hz（在1Hz内）；线圈电感量，约30104H。 3 3、特点：、特点：体积较小，质量小（13.3kg），便于搬运。灵敏度较高，噪声小，频率响应可达50Hz。9（二）MTC60型感应式磁敏传感器（加拿大） 是与凤凰地物理有限公司的16道强量大地电磁测深系统配合使用的。传感器磁芯也由高导率的坡莫合金制成。 1、传感器线圈的类型：、传感器线圈的类型： （1）磁芯线圈）磁芯线圈测量水平分量Hx、Hy； （2）空心线圈）空心线圈测量垂直分量Hz。 2、主要技术参数：、主要技术参数：磁芯长度，152cm；壳外径，11.4cm；线圈电感，130

9、0H；线圈电阻，1900；灵敏度，100mV/nT；频率范围，0.55mHz384Hz；噪声密度，约100mnT。 3、特点：、特点：频率范围较宽，灵敏度较高。10感应式磁敏传感器的应用感应式磁敏传感器的应用 11 磁通门式磁敏传感器又称为磁饱和式磁敏传感器。磁通门式磁敏传感器又称为磁饱和式磁敏传感器。 利用某些高导磁率的软磁性材料（如坡莫合金）作磁利用某些高导磁率的软磁性材料（如坡莫合金）作磁芯，以其在交变磁场作用下的磁饱和特性及法拉第电芯，以其在交变磁场作用下的磁饱和特性及法拉第电磁感应原理研制成的测磁装置。磁感应原理研制成的测磁装置。第五节第五节 磁通门式磁敏传感器磁通门式磁敏传感器 最

10、大特点最大特点：适合在零磁场附近工作的：适合在零磁场附近工作的弱磁场弱磁场进行测进行测量。传感器可作成量。传感器可作成体积小，重量轻、功耗低体积小，重量轻、功耗低，既可测纵，既可测纵向向量向向量T、垂直向量垂直向量Z，也可测，也可测T、Z，不受磁场梯度，不受磁场梯度影响，测量的影响，测量的灵敏度可达灵敏度可达0.01nT，且可和磁秤混合使用，且可和磁秤混合使用组成磁测仪器。组成磁测仪器。 应用应用：航空、地面、测井等方面的磁法勘探，在军：航空、地面、测井等方面的磁法勘探，在军事上，也可用于寻找地下武器（炮弹、地雷等）和反潜。事上，也可用于寻找地下武器（炮弹、地雷等）和反潜。还可用于预报天然地震

11、及空间磁测等。还可用于预报天然地震及空间磁测等。12一、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 磁饱和现象：磁饱和现象：当当H增加到某一值增加到某一值HS之后之后B就几乎不随就几乎不随H的增加而增强。的增加而增强。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 （一）磁滞回线和磁饱和现象（一）磁滞回线和磁饱和现象BAHsHcFBr-HcE-BrDC静态磁滞回线示意图BsHOB 磁滞现象：磁滞现象：磁感应强度的变化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 最大剩磁最大剩磁B Br r B Br r, , B Bs s，H Hs s及矫顽力及矫顽力

12、H Hc c是磁性材料是磁性材料的四个重要参数。的四个重要参数。 磁通门传感器使用软磁性材料。磁通门传感器使用软磁性材料。动态导磁率动态导磁率dHdBd13定义：物体在磁场中被磁化后，在磁化方向定义：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。上会产生伸长或缩短现象。几种磁性材料的伸缩系数3020100-10-20-30l/lFeCoNi010203040 H/10-4T45 坡莫合金（二）磁致伸缩现象（二）磁致伸缩现象饱和磁致伸缩系数饱和磁致伸缩系数lls14内容：内容：不论何种原因使通过一回路所包不论何种原因使通过一回路所包围面积内的磁通量围面积内的磁通量发生变化时，回路上产发

13、生变化时，回路上产生的感应电动势生的感应电动势E与磁通随时间与磁通随时间t的变化率的变化率的负值成正比。的负值成正比。dtdkE（三）法拉第电磁感应定律（三）法拉第电磁感应定律式中式中 k k比例系数。比例系数。 15二、磁通门磁力仪的主要性能二、磁通门磁力仪的主要性能1.分辨率 磁通门磁力仪的分辨率(对微弱信号变化量的反应能力)相当高，一般可以达到110nT，相当于地磁场强度的0.000010.0001倍。特殊制造的磁通门磁力仪的分辨率可以达到0.001nT，因此可以用于测量地磁脉动。卫星载磁通门式向量磁力仪的分辨率因量程而异，在测量弱磁场的时候分辨率可以达到0.002nT。 限制分辨率的主

14、要因素是电子线路前置放大器的噪声以及探头的灵敏度和噪声。162.测量范围 磁通门磁力仪的测量范围是65000到65000nT之间。为了提高灵敏度和免受磁化产生永久磁场，磁通门磁力仪的探头铁芯由高导磁率软磁材料制作。这些材料的饱和磁场强度Hs只有0.0001T左右。如果待测磁场达到或超过这个强度，激励磁场的调制功能就明显受限，被测磁场更强时，甚至可以将铁芯磁化，必须退磁才能消除剩磁。所以，磁通门磁力仪被认为只适用于弱磁场的测量， 3.频率响应 磁通门磁力仪频率响应范围大约在10Hz以内，一般适用于测量缓慢变化的稳恒磁场。监测交变，脉动或扰动磁场时，需要特殊制作的磁强计。17圆形磁芯跑道形磁芯长方

15、形磁芯闭合式磁芯长条形双磁芯长条形单磁芯非闭合式磁芯磁芯从这几种磁芯的性能来说，以圆形较好，跑道形次之。在磁场的分量测量中，用跑道形磁芯较多。磁通门传感器的磁芯几何形状三、磁通门式磁敏传感器的二次谐波法测磁原理三、磁通门式磁敏传感器的二次谐波法测磁原理181. 长轴状跑道形磁芯长轴状跑道形磁芯跑道型磁芯机构示意图1 灵敏元件架；2初级线圈3输出线圈；4坡莫合金环 如图所示，一般沿长轴方如图所示，一般沿长轴方向的尺寸远大于短轴方向的尺向的尺寸远大于短轴方向的尺寸，故当沿长轴方向磁化时，寸，故当沿长轴方向磁化时，要比沿短轴方向磁化时的要比沿短轴方向磁化时的退磁退磁作用作用及及退磁系数退磁系数小得多

16、。小得多。这样，这样，就可以认为跑道形磁芯仅被沿就可以认为跑道形磁芯仅被沿长轴方向的磁场所磁化。在实长轴方向的磁场所磁化。在实践中，也仅测量沿长轴方向的践中，也仅测量沿长轴方向的磁场分量磁场分量。 H1=2HmsintH2=-2Hmsint41LS2ff2L1L2319由分段函数组式可知，由分段函数组式可知，Es是一奇函数。富氏是一奇函数。富氏分解中的余弦项的系数分解中的余弦项的系数an=0，a2=0。可计算。可计算出富氏分解中正弦项的系数出富氏分解中正弦项的系数b2，进而得出总，进而得出总感应电压表达式：感应电压表达式： 2. 2. 富氏分解法富氏分解法tHHHfSnEemssdS2sin1

17、0168这就是测量线圈中感应电压信号二次谐波的这就是测量线圈中感应电压信号二次谐波的完整表达式。完整表达式。20由此可得出如下结论由此可得出如下结论： 1 1）传感器测量线圈输出二次谐波的电压振幅与）传感器测量线圈输出二次谐波的电压振幅与被测磁场被测磁场H He e的大小成正比关系，根据这种关系可以测的大小成正比关系，根据这种关系可以测量外磁场。量外磁场。 2 2）被测磁场的变号（及改变方向），二次谐波）被测磁场的变号（及改变方向），二次谐波电压的极性随之改变。电压的极性随之改变。 3 3）传感器输出二次谐波电压的大小，除与被测）传感器输出二次谐波电压的大小，除与被测磁场磁场H He e近似成

18、正比关系外，还与传感器磁心对于对于近似成正比关系外，还与传感器磁心对于对于HeHe的有效动态相对磁导率、接收线圈的匝数、磁心有的有效动态相对磁导率、接收线圈的匝数、磁心有效面积、激励磁场频率、磁心的饱和磁场强度成正比效面积、激励磁场频率、磁心的饱和磁场强度成正比关系，而与激励磁场的振幅关系，而与激励磁场的振幅HmHm成反比。这些将是设计成反比。这些将是设计与制造传感器时的重要参数。与制造传感器时的重要参数。21四、应用四、应用 用磁通门式磁敏传感器可以构成多种不同用途的测磁仪器。例如，用于磁测量的有：地面磁通门磁力仪，航空磁通门磁力仪，磁通门磁力梯度仪，三分量高分辨率磁通门磁力仪，小口径井中磁

19、力仪，微机型磁通门磁力仪以及用于探测地下炸弹、地雷等铁磁性物体的探测仪器等。 1、CCM-1型地面磁通门磁力仪 2、磁通门磁力梯度仪22 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，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功的。根据磁共振原理研制成功的。物理学已证明物质是具有磁性的。对水物理学已证明物质是具有磁性的。对水分子（分子（H H2 2O O）而言，从其分子结构、原）而言，从其分子结构、原子排列和化学价的性质分析得知：子排列和化学价的性质分析得知：水分水分子磁矩（即氢质子磁矩）在外磁场作用子磁矩（即氢质子磁矩）在外磁场作用下绕外磁场旋进下绕外磁场

20、旋进。 一、质子旋进式磁敏传感器的测磁原理一、质子旋进式磁敏传感器的测磁原理质子磁矩旋质子磁矩旋进示意图进示意图T M质子的旋进频率质子的旋进频率p p 为质子旋磁比（为质子旋磁比（旋磁比：核磁矩和机械旋磁比：核磁矩和机械动量矩之比，是原子核所固有的特性，与离动量矩之比，是原子核所固有的特性，与离子电荷和质量的比有关。不同的原子核有不子电荷和质量的比有关。不同的原子核有不同的旋磁比值同的旋磁比值。）；）；T 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23M 设质子磁矩M在外磁场T的作用下有一力矩M T，其动量矩的变化率等于外加磁力矩，即

21、常数AMMMyxxy22常数zPyPxMTtAMTtAM)sin()cos(PMTMdtdPP同理T 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。根据简谐振动方程可得：f=p T /2式中11)00002. 067513. 2(TSP则TffT8 .42574874.2324当被测磁场很弱时，信号幅度大大衰减。对微弱的被测当被测磁场很弱时，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。为了测得质子磁矩的。为了测得质子磁矩M绕外磁场的旋进频率

22、绕外磁场的旋进频率 f 信号，信号，必须采取特殊方法：必须采取特殊方法：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成正比。成正比。使沿外磁场方向排列的质子磁矩使沿外磁场方向排列的质子磁矩,在极化场的激励下在极化场的激励下,建立建立质子宏观磁矩质子宏观磁矩,并使其方向于外磁场方向垂直或接近垂直并使其方向于外磁场方向垂直或接近垂直 通常采用预极化方法或辅助磁场方法来建立质子宏观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。磁矩，以增强信号幅度。具体作法是具体作法是:用圆柱形玻璃容器装满水

23、样品或含氢质子液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圈或共用一个线圈，使线圈轴向垂直于外磁场T方向。方向。25在垂直于外磁场方向加一极化场在垂直于外磁场方向加一极化场H（该场强约为外磁场（该场强约为外磁场的的200倍）。在极化场作用下，容器内水中质子磁矩沿倍）。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。极化场方向排列，形成宏观磁矩，如下图所示。 预极化法示意图H*MMMHT当质子磁矩在旋进过程当质子磁矩在旋进过程中切割线圈

24、，使线圈环中切割线圈，使线圈环绕面积中的磁通量发生绕面积中的磁通量发生变化，于是在线圈中就变化，于是在线圈中就产生感应电动势。产生感应电动势。当去掉极化场当去掉极化场H，质子，质子磁矩则以拉莫尔旋进频磁矩则以拉莫尔旋进频率绕外磁场旋进。率绕外磁场旋进。26M 若测出感应电压的频率，就可计算出外磁场的大小若测出感应电压的频率，就可计算出外磁场的大小。因为极化场因为极化场H大于外磁场，因此大于外磁场，因此,可使信噪比增大可使信噪比增大H/T倍。设外磁场倍。设外磁场T的磁感强度为的磁感强度为0.510-4T，极化场，极化场H的的磁感强度为磁感强度为10010-4 T，则可使信噪比增大，则可使信噪比增

25、大200倍。倍。= Tt2t在自由旋进的过程中，磁矩在自由旋进的过程中，磁矩M的横向分量以的横向分量以t2（横向（横向弛豫时间）为时间常数并随时间逐渐趋近于零；在测弛豫时间）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，也是以量线圈中所接收的感应信号，也是以t2为时间常数按为时间常数按指数规律衰减的。指数规律衰减的。M衰减示意图感应信号衰减示意图xy27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百匝数百匝的导线的导线,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,线圈中通以线圈中通以 13A的电流的电流,而形成约而形成

26、约0.01T的极化场的极化场,使水中质子磁矩使水中质子磁矩指向极化场指向极化场H的方向。的方向。 质子旋进式磁敏传感器蒸馏水T计数器放大器线圈质子旋进式磁敏传感器的组成E若迅速撤去极化磁场若迅速撤去极化磁场,则则M的数值与方向均来不及变化的数值与方向均来不及变化,弛豫过程弛豫过程来不及影响来不及影响M的行为的行为,此时此时,质子磁矩在自旋和外磁场质子磁矩在自旋和外磁场T的作用下以的作用下以角速度角速度绕外磁场绕外磁场T旋进。在旋进的过程中，周期性切割测量线旋进。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，其信号幅度圈，产生感应信号。由于弛豫过程的作用，其信号幅度Vt的

27、大小的大小随时间按指数规律衰减，其表示式为：随时间按指数规律衰减，其表示式为：28主要优点：主要优点：精度高精度高，一般在（0.110）nT范围内；稳定性好稳定性好（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）；工作速度快工作速度快，可直读外磁场nT 值；绝对值测量绝对值测量缺点是：极化功率大极化功率大,只能进行快速点测；受磁场梯度影只能进行快速点测；受磁场梯度影响较大响较大29光泵式磁敏传感器是高灵敏度光泵磁力仪的核心部件。光泵式磁敏传感器是高灵敏度光泵磁力仪的核心部件。它它是以某些元素的原子在外磁场中产生的塞曼分裂为基是以某些元素的原子在外磁场中产生的塞曼

28、分裂为基础，并采用光泵和磁共振技术研制成的。础，并采用光泵和磁共振技术研制成的。第七节第七节 光泵式磁敏传感器光泵式磁敏传感器磁力仪种类：磁力仪种类：氦氦(He)光泵磁力仪光泵磁力仪,其中又分其中又分He3、He4光泵光泵磁力仪磁力仪;碱金属光泵磁力仪碱金属光泵磁力仪,其共振元素有铷其共振元素有铷(Rb85、Rb87)、铯铯(Cs133)、钾、钾(K39)、汞、汞(Hg)等。等。灵敏度高灵敏度高,一般为一般为0.01nT量级量级,理论灵敏度高达理论灵敏度高达10-210-4nT响应频率高响应频率高，可在快速变化中进行测量，可在快速变化中进行测量可测量磁场的总向量可测量磁场的总向量T及其分量，并

29、能进行及其分量，并能进行连续测量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：进式磁力仪相比有以下特点：30塞曼效应是指在外磁场中原子能级产生分裂的现象。塞曼效应是指在外磁场中原子能级产生分裂的现象。一、氦（一、氦（HeHe4 4）光泵式磁敏传感器的物理基础）光泵式磁敏传感器的物理基础xSSNv2v0v1Ov2v0v1zy塞曼效应：正常和反常塞曼效应塞曼效应：正常和反常塞曼效应正常塞曼效应：在弱磁场正常塞曼效应：在弱

30、磁场中中,电子自旋量子数为零时电子自旋量子数为零时(S=0)产生的塞曼效应。产生的塞曼效应。反常塞曼效应：在弱磁场反常塞曼效应：在弱磁场中中,电子自旋量子数不为零电子自旋量子数不为零(S0)时产生的塞曼效应时产生的塞曼效应光泵式磁敏传感器，不管是碱金属光泵式磁敏传感器，不管是碱金属Cs、Rb还是还是He4、He3光泵传光泵传感器，电子自旋量子数均不为零（感器，电子自旋量子数均不为零（S0），并且均是在弱磁场中），并且均是在弱磁场中工作，故属反常塞曼效应。工作，故属反常塞曼效应。成分成分31He4原子在稳态下既不具有原子在稳态下既不具有核核磁矩磁矩,也不具有也不具有壳层壳层磁矩磁矩,整整个原子不

31、显示磁性个原子不显示磁性,在外磁场中不产生塞曼能级分裂。在外磁场中不产生塞曼能级分裂。 当把当把He4原子中一电子激发到亚稳态时原子中一电子激发到亚稳态时,对正氦对正氦s=l的的情况，则具有电子自旋磁矩。这时是单个电子的自旋磁情况，则具有电子自旋磁矩。这时是单个电子的自旋磁矩矩 ，即原子的总磁矩，即原子的总磁矩J等于电子的总自旋磁矩等于电子的总自旋磁矩S，即，即J =S。由于电子自旋磁矩。由于电子自旋磁矩J是在外磁场作用下是在外磁场作用下,故故二、氦（二、氦（He4He4）光泵式磁敏传感器的测磁原理）光泵式磁敏传感器的测磁原理s电子的总磁矩比电子的总磁矩比频率频率f与外磁场与外磁场T成正比关系

32、，只要测出频率成正比关系，只要测出频率f即可求得即可求得外磁场外磁场T的大小。的大小。2TfSHe4光泵式磁敏传感器测磁原理公式32j=11111j=1D123S122P1D1线作用下线作用下He4亚稳态原子的光泵作用示意图亚稳态原子的光泵作用示意图00mj利用光使原子磁矩达到定向排列的过程利用光使原子磁矩达到定向排列的过程,也称光学取向。也称光学取向。 （一）光泵作用（一）光泵作用实质实质33过程：在垂直于外磁场方向过程：在垂直于外磁场方向(即垂直于光轴即垂直于光轴)加加一交变的磁场一交变的磁场射频场，使射频场的频率射频场，使射频场的频率f0等于相邻磁子能级间的跃迁频率。根据受激等于相邻磁子

33、能级间的跃迁频率。根据受激跃迁原则，射频场将使富集在跃迁原则，射频场将使富集在mj=+1磁子能级磁子能级上的原子，产生受激跃迁。首先向上的原子，产生受激跃迁。首先向mj=0磁子磁子能级上跃迁，再逐渐向能级上跃迁，再逐渐向mj=- -1的磁子能级跃迁，的磁子能级跃迁，使原子的分布规律服从玻尔兹曼分布规律。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。共振的整个过程。 （二）磁共振作用（二）磁共振作用用射频场打乱原子磁矩定向排列的过程。用射频场打乱原子磁矩定向排列的过程。342345891061放大He4光泵式磁敏

34、传感器的组成框图1高频激发振荡器； 2氦灯； 3透镜1； 4偏振偏； 5 /4 ； 6吸收室； 7RF振荡器； 8射频线圈； 9透镜2； 10光敏元件7He4光泵式磁敏传感器系由光泵式磁敏传感器系由吸收室、氦灯、两个透镜、吸收室、氦灯、两个透镜、偏振片、偏振片、/4、光敏元件、光敏元件等元器件组成。等元器件组成。 三、光泵式磁敏传感器的组成及工作原理三、光泵式磁敏传感器的组成及工作原理35灵敏度极高灵敏度极高：可达：可达10-15T，比灵敏度较高的光泵式，比灵敏度较高的光泵式磁敏传感器要高出几个数量级；磁敏传感器要高出几个数量级；第八节第八节 SQUIDSQUID磁敏传感器磁敏传感器SQUID

35、SQUID磁敏传感器是一种新型的灵敏度极高的磁敏传感磁敏传感器是一种新型的灵敏度极高的磁敏传感器，是以约瑟夫逊（器，是以约瑟夫逊（Jose PhsonJose Phson）效应为理论基础，）效应为理论基础，用超导材料制成的，在超导状态下检测外磁场变化的用超导材料制成的，在超导状态下检测外磁场变化的一种新型磁测装置。一种新型磁测装置。特点特点频带宽频带宽：响应频率可从零响应到几响应频率可从零响应到几kHz kHz 。测量范围宽测量范围宽：可从零场测量到几：可从零场测量到几kTkT；36n深部地球物理深部地球物理：用带有：用带有SQUID磁敏传感器的大地电磁磁敏传感器的大地电磁测深仪进行大地电磁测

36、深，效果甚好。测深仪进行大地电磁测深，效果甚好。n古地磁考古古地磁考古、测井测井、重力勘探重力勘探及及预报天然地震预报天然地震。n生物医学生物医学：应用应用SQUID磁测仪器可测量心磁图、脑磁磁测仪器可测量心磁图、脑磁图等，从而出现了神经磁学、脑磁学等新兴学科，为医图等，从而出现了神经磁学、脑磁学等新兴学科，为医学研究开辟了新的领域。学研究开辟了新的领域。n固体物理固体物理、生物物理生物物理、宇宙空间宇宙空间：SQUID可用来测量可用来测量极微弱的磁场，如美国国家航空宇航局用极微弱的磁场，如美国国家航空宇航局用SQUID磁测仪磁测仪器测量了阿波罗飞行器带回的月球样品的磁矩。器测量了阿波罗飞行器

37、带回的月球样品的磁矩。nSQUID技术还可用作电流计，电压标准，计算机中存技术还可用作电流计，电压标准，计算机中存储器，通讯电缆等；在超导电机、超导输电、超导磁流储器，通讯电缆等；在超导电机、超导输电、超导磁流体发电、超导磁悬浮列车等方面，均得到广泛应用。体发电、超导磁悬浮列车等方面，均得到广泛应用。 应用领域应用领域37超导电性超导电性：在某一温度：在某一温度T TC C以下电阻值突然消失的现象以下电阻值突然消失的现象。（a）T/K0T/K 00K0TC（b）电阻随温度变化曲线a、正常导体；b、超导体一、一、SQUIDSQUID磁敏传感器的基本原理磁敏传感器的基本原理超导体超导体：具有超导电

38、性的物体。具有超导电性的物体。临界温度临界温度( (T TC C) )：超导体从具有一定电阻值的正常态转变：超导体从具有一定电阻值的正常态转变为电阻值突然为零时所对应的温度为电阻值突然为零时所对应的温度, ,其值一般从其值一般从3.4K3.4K至至18K18K超导体特性：理想导电性；完全逆磁性；磁通量子化。超导体特性：理想导电性；完全逆磁性；磁通量子化。38SSNNHH（c）（b）（a）（a）TTc H 0（b）TTC H 0（c）TTC H = 0理想导电性实验1 1、理想导电性、理想导电性零电阻特性零电阻特性 若将一超导环置于外磁场中，然后使其降温至临若将一超导环置于外磁场中，然后使其降温

39、至临界温度以下，再撤掉外加磁场，此时发现超导环内有界温度以下，再撤掉外加磁场，此时发现超导环内有一感生电流一感生电流I，超导环内无电阻消耗能量，此电流将永，超导环内无电阻消耗能量，此电流将永远维持下去远维持下去 ，因无电阻。，因无电阻。 39（a）（b）迈斯纳效应示意图（a）正常态时，超导体内部磁场分布（b）在超导态时，超导体内部磁场分布2 2、完全逆磁性，迈斯纳、完全逆磁性，迈斯纳( (Meissner) )效应，效应， 或排磁效应或排磁效应 超导体不管在有无外磁场存在情况下，一旦进入超导超导体不管在有无外磁场存在情况下，一旦进入超导状态，其内部磁场均为零，即磁场不能进入超导体内状态，其内部

40、磁场均为零，即磁场不能进入超导体内部而具有排磁性，亦称之为迈斯纳效应。部而具有排磁性，亦称之为迈斯纳效应。 40根据迈斯纳效应，把磁体放在超导盘上方，或在超导根据迈斯纳效应，把磁体放在超导盘上方，或在超导环上方放一超导球时，环上方放一超导球时， 图图(a)中超导盘和磁铁之间有排中超导盘和磁铁之间有排斥力，能把磁铁浮在超导盘的上面；图斥力，能把磁铁浮在超导盘的上面；图(b)中由于超导中由于超导球有磁屏蔽作用，其结果可使超导球悬浮起来。这种球有磁屏蔽作用，其结果可使超导球悬浮起来。这种现象称为磁悬浮现象。现象称为磁悬浮现象。 N S 超导球超导球磁导盘磁导盘（a）（b）磁悬浮现象示意图磁悬浮现象示

41、意图超导环超导环41 假定有一假定有一中空圆筒形超导体中空圆筒形超导体(如图如图)并并 按下列步骤进行：按下列步骤进行：(1)常态让磁场常态让磁场H穿过圆筒的中空部分。穿过圆筒的中空部分。(2)超导态筒的中空部分有磁场。超导态筒的中空部分有磁场。3 3、 磁通量子化磁通量子化感生电流H0 TTC冻结磁通示意图(3)超导态撤掉磁场超导态撤掉磁场H，圆筒的中，圆筒的中空部分仍有磁场，并使磁场保持空部分仍有磁场，并使磁场保持不变。称为不变。称为冻结磁通现象冻结磁通现象。超导圆筒在超导态时，中空部分的磁通量是量子化的，超导圆筒在超导态时，中空部分的磁通量是量子化的，并且只能取并且只能取0 0的整数倍，

42、而不能取任何别的值。的整数倍，而不能取任何别的值。Wbeh1501007. 22h h普郎克常数，普郎克常数，e e 电子电量，电子电量，0 0磁通量量子，磁通量自然单位磁通量量子，磁通量自然单位中空部分通过的总磁通量中空部分通过的总磁通量01n42 该图是两块超导体中间隔该图是两块超导体中间隔着一厚度仅着一厚度仅1030的绝缘介质的绝缘介质层而形成的层而形成的 “超导体超导体绝缘绝缘层层超导体超导体”的结构，通常称这的结构，通常称这种结构为超导隧道结，也称约瑟种结构为超导隧道结，也称约瑟夫逊夫逊结。中间的薄层区域称为结区。这种超导隧道结具有特结。中间的薄层区域称为结区。这种超导隧道结具有特殊

43、而有用的性质。殊而有用的性质。 超导电子能通过绝缘介质层，表现为电流能够无阻挡超导电子能通过绝缘介质层，表现为电流能够无阻挡地流过，表明夹在两超导体之间的绝缘层很薄且具有超地流过，表明夹在两超导体之间的绝缘层很薄且具有超导性。约瑟夫逊结能够通过很小超导电流的现象，称为导性。约瑟夫逊结能够通过很小超导电流的现象，称为超导隧道结的约瑟夫逊效应，也称直流约瑟夫逊效应。超导隧道结的约瑟夫逊效应，也称直流约瑟夫逊效应。超导结在直流电压作用下可产生交变电流，从而辐射和超导结在直流电压作用下可产生交变电流，从而辐射和吸收电磁波。这种特性称为交流约瑟夫逊效应。吸收电磁波。这种特性称为交流约瑟夫逊效应。 绝缘层

44、绝缘层 超导体超导体超导体超导体超导结示意图超导结示意图4 4、约瑟夫逊效应、约瑟夫逊效应43 直流约瑟夫逊效应表明，超导隧道结的介质层具直流约瑟夫逊效应表明，超导隧道结的介质层具有超导体的一些性质，但不能认为它是临界电流很小有超导体的一些性质，但不能认为它是临界电流很小的超导体，它还有一般超导体所没有的性质。的超导体，它还有一般超导体所没有的性质。 实验证明，当结区两端加上直流电压时，结区会实验证明，当结区两端加上直流电压时，结区会出现高频的正弦电流，其频率正比于所加的直流电压出现高频的正弦电流，其频率正比于所加的直流电压，即，即 f = KV式中式中 K=2e/h=483.61012Hz/

45、V。根据电动力学理论高频电流会从结区向外辐射电磁波根据电动力学理论高频电流会从结区向外辐射电磁波。可见，超导隧道结在直流电压作用下，产生交变电流，可见，超导隧道结在直流电压作用下，产生交变电流，辐射和吸收电磁波，这种特性即交流约瑟夫逊效应。辐射和吸收电磁波，这种特性即交流约瑟夫逊效应。44 约瑟夫逊的直流效应受约瑟夫逊的直流效应受着磁场的影响。而临界电流着磁场的影响。而临界电流IC对磁场亦很敏感，即随着对磁场亦很敏感，即随着磁场的加大临界电流磁场的加大临界电流IC逐渐逐渐变小，如图。变小，如图。 超导结的超导结的Ic-H曲线曲线01234562010H=0Ic5、ICH 特性特性根据量子力学理

46、论，超导根据量子力学理论，超导结允许通过的最大超导电结允许通过的最大超导电流流I Imaxmax与与的关系式的关系式沿介质层及其两侧超导体边缘透入超导结的磁通量；沿介质层及其两侧超导体边缘透入超导结的磁通量；0 0磁通量子；磁通量子；I IC C(0)(0)没有外磁场作用时，超导结的临界电流。没有外磁场作用时，超导结的临界电流。00sin)0()(CCIIIC是是的的周期函数周期函数45超导结临界电流随外加磁场而周期起伏变化的原理超导结临界电流随外加磁场而周期起伏变化的原理, 用用于磁场测量。如于磁场测量。如,若在超导结的两端接上电源若在超导结的两端接上电源,电压表无电压表无显示时显示时,电流

47、表所显示的电流是为超导电流电流表所显示的电流是为超导电流;电压表开始电压表开始有电压显示时有电压显示时,则电流表所显示的电流为临界电流则电流表所显示的电流为临界电流IC,此时此时,加入外磁场后加入外磁场后,临界电流将有周期性的起伏临界电流将有周期性的起伏,且其极大值且其极大值逐渐衰减逐渐衰减,振荡的次数振荡的次数n乘以磁通量子乘以磁通量子0,可得到透入超导可得到透入超导结的磁通量结的磁通量=n0。而磁通量和磁场。而磁通量和磁场H成正比关系成正比关系,如果如果能求出能求出,磁场磁场H即可求出。同理即可求出。同理,若外磁场若外磁场H有变化有变化,则磁则磁通量亦随变化通量亦随变化,在此变化过程中在此变化过程中,临界电流的振荡次数临界电流的振荡次数n乘乘以以0即得到磁通量的大小即得到磁通量的大小,亦反映了外磁场变化的大小。亦反映了外磁场变化的大小。因而因而,可利用超导技术测定外磁场的大小及其变化。可利用超导技术测定外磁场的大小及其变化。 临界电流临界电流随外磁场周期起伏变化，这是由于在一定磁场随外磁场周期起伏变化，这是由于在一定磁场作用下，超导结各点的超导电流具有确定的作用下，超导结各点的超导电流具有确定的相位相位。相位。相位相反的电流互相抵消；相位相同的电流互相迭加。