几种常用的磁性测量仪器(I)-2004年

1、常用磁性测量仪器（I）（共 55 页）,磁性信号的产生与检测 磁性信号的测量仪器（I） 电磁感应原理,磁性信号的产生与检测,磁性信号及其产生方式 磁场的产生方法 磁性信号的采集方法 磁性信号的处理,信号1,磁性信号的定义,磁学 所有的物质都具有某种磁性 磁性信号 仅限于物质的磁性 有时需要人为产生磁性信号,信号2,磁性信号的确认,带有磁性信号的物体穿过由导线构成的回路时，将有感生电动势产生。在闭合回路中产生感生电流。 带有磁性信号的物体在非均匀磁场中将受到力的作用。,信号3,磁性信号的产生方法,信号4,含有剩磁的物体 单畴磁性颗粒（单个） 已充磁的永磁材料 经特殊加工工艺处理的物体 在磁场中的

2、物体 任何处于磁场中的物体,磁场的产生,磁场,磁场强度分布,生物 磁场,天体 磁场,地磁场,永磁体 电磁铁,亥姆霍兹线圈,超导 磁体,脉冲磁场,磁性信号的检测目的,信号5,（基本）粒子的磁矩 单原子、单分子的磁矩 原子团、聚合物的磁性 大块材料： (比)(饱和)磁矩(磁化强度、磁感应强度)、 (内禀)矫顽力、居里温度、(最大)磁能积、 磁化率、磁导率、磁畴、磁各向异性、 磁致伸缩，等等。,磁性信号的检测内容,磁性分类 具体的物质具有何种磁性 磁性的变化规律 环境温度、压力、气氛 外加电、磁场 时间,信号7,磁性信号的测量仪器,信号8,电 磁 感 应 原 理,Faraday Law of Ele

3、ctromagnetic Induction,电 磁 感 应 原 理,面积 A,磁通量 ,电磁感应1,电 磁 感 应 原 理,磁通量 ,电磁感应2,必须明确的几个问题,自由空间的稳态磁通可以直接测量磁通计 样品内部的稳态磁通无法直接测量 ？ 变化的磁通可以直接测量,如何产生变化的磁通 如何测量变化的磁通,电 磁 感 应 原 理,电磁感应3,t0,t1,(t),t,冲 击 法 磁 强 计 法 电 动 法 感应（测量发电机）法,电 子 积 分 器、数 字 积 分 器,各种自动直流磁性测量仪器,冲 击 法,Ballistic Galvanometer （冲击检流计）,冲 击 法,冲击法1,最具原理性

4、的磁性测量方法,J为转动惯量，为偏转角， 为阻尼系数 w为扭转系数，B0为磁感应强度， A和N为面积和匝数，i为瞬时电流,H线圈,B线圈,样品,冲击检流计,冲 击 法,冲击法2,应尽量满足的条件灵敏度,脉冲电流完毕之后，电流计线圈开始转动： 电流计线圈的转动惯量越大，越满足此条件。 检流计处于临界阻尼状态； 检流计比较慢地达到最大读数，很快降为零。 被测磁通应尽量为瞬时变化： 非瞬时变化引入很大的误差。 线圈的自由振荡周期要远大于磁通变化的时间 一般在10倍以上。 需要测定冲击检流计的冲击常数C 使用互感系数M已知的互感线圈。,冲 击 法,冲击法3,冲击法的优点 1、可以开路、闭路测量； 2、

5、仪器设备简单。,闭路：磁路闭合 开路：磁路不闭合,冲击法的缺点 1、积分式数据采集：零漂移； 2、要求使用具有特定形状的样品； 3、灵敏度较低。,等截面积（常数）,冲击法的使用,教学演示实验：电磁感应定律,工业：发电机,工业：磁体的磁性能测量,迴线仪：永磁材料的永磁性能检测,美国KJS公司,中国计量科学研究院,德国MagnetPhysik公司,NIM2000系列,Permagraph系列,HG500,振动样品磁强计,Vibrating Sample Magnetometer (VSM),VSM的设计理念,为什么要振动样品？ 为什么要使用双线圈？四线圈？ 为什么要调节鞍区？ 为什么要定标磁矩？,

6、VSM的作业题目,振 动 样 品 磁 强 计,VSM1,检测线圈,样品,磁偶极子,磁偶极子的方向：？,为什么要振动样品？,振 动 样 品 磁 强 计,VSM2,VSM几个关键的问题,样品必须处于均匀磁场中：均匀区 我们只能检测感应电动势：检测线圈 怎样得到磁偶极子：样品、驱动方式 样品线圈振幅频率,振 动 样 品 磁 强 计,VSM3,磁场均匀区,螺线管,d,圆柱极头 电磁铁,圆台极头 电磁铁,无限长螺线管 亥姆霍兹线圈 超导磁体,均匀区较大 磁场强度可能较低,均匀区较小 磁场强度可能很高,振 动 样 品 磁 强 计,VSM4,检测线圈感应电动势,Z,设线圈面积为S，匝数为N,感应电动势,只有

7、z方向分量,振 动 样 品 磁 强 计,VSM5,检测线圈感应电动势磁矩,两个关于线圈的假设：（永远适用） 检测线圈位置固定； 样品沿固定方向（X或者Y）磁化。,式中,为检测线圈位置函数,感应电动势磁矩驱动方式线圈位置的关系如下：,振 动 样 品 磁 强 计,VSM6,检测磁矩的最终表达式,必须满足的条件：（确保永远适用） 检测线圈尺寸、位置固定； 样品沿固定方向（X或者Y）磁化； 样品尺寸与线圈位置：满足磁偶极子条件 有足够大的“鞍点区”,振 动 样 品 磁 强 计,VSM7,串联反接检测线圈,检测线圈位置函数,定义：空间位置函数fZ(r)中各频率成份中与位置有关的函数， 为该频率成份的线圈

8、几何因子KF。,基频的线圈几何因子KF1：,为什么要使用双线圈？,振 动 样 品 磁 强 计,VSM8,串联反接检测线圈,基频（）的贡献：,1,2,+,+,+,+,Z,X,Coil 1,Coil 2,D,线圈直径：D 样品_线圈：r（x） 当r2 5D2时， 在 x 处，KF1为正 即6326 11634 在 x 处，KF1为负 即24326 29634,为什么要使用双线圈？,振 动 样 品 磁 强 计,VSM9,串联反接检测线圈,二次谐波（2）的贡献：,+,+,+,+,Z,X,对于满足基频线圈几何因子所确定的串联反接双线圈， 二次谐波在该线圈对中的感应电动势等于零。,496,13054,为什

9、么要使用双线圈？,不用线圈如何？,使用磁场（自由空间磁通）传感器？ 完全可以！ 必须解决的问题： 能够扣除磁化磁场等杂散磁场的影响 必须可以即时响应磁通的变化 必须能够对磁矩进行定标 必须有满足测量要求的灵敏度,为什么使用四线圈？,鞍区磁场灵敏度,Z,X,为什么要使用四线圈？,基于电磁铁的VSM：,高磁场使得极头间距变小，导致鞍区缩小 减小线圈之间的距离可以提高灵敏度，但鞍区缩小 四线圈可以使得鞍区扩大，但降低了灵敏度,振 动 样 品 磁 强 计,VSM10,“鞍点区”,定义：对串联反接线圈，在样品所处磁场区的中心位置附近， 线圈中的感应电动势对样品位置不敏感的区域。,磁化方向,振动方向,横向

10、方向,0,距离,“鞍点区”的意义 样品的安装 位置调节,为什么要调节鞍区？,什么时候需要调节鞍区？,任何时候！（除了测量进行之中）,磁矩定标时； 开始测量样品前,定义：对串联反接线圈，在样品所处磁场区的中心位置附近， 线圈中的感应电动势对样品位置不敏感的区域。,为什么要调节鞍区？,什么时候可以不用调节鞍区：样品处于位置不敏感区！,振 动 样 品 磁 强 计,VSM11,磁矩的定标,电压有效值与磁矩的关系：,标准样品比磁化强度：Standard；质量：mStandard,待测样品比磁化强度：Sample；质量：mSample,为什么要定标磁矩？,振 动 样 品 磁 强 计,VSM12,振动样品磁

11、强计的发展历史,前提：满足磁偶极子的条件,驱动：频率、振幅稳定 远离市电频率及其谐波,测量：检测交流电压非积分式,振 动 样 品 磁 强 计,VSM13,振动样品磁强计的发展历史,1956， G. W. van Oosterhout, Appl. Sci. Res., B6, 101-104 (1956) 1956， S. Foner, Rev. Sci. Instrum., 27, 548 (1956) 1959， S. Foner, Rev. Sci. Instrum., 30, 548-557 (1959) 1975， 被IEC(国际电工委员会)推荐为测量铁氧体材料 饱和磁化强度的标准方法之一 1960s，锁相放大技术(1930s)的使用 1980s，自动控制技术的广泛使用,振 动 样 品 磁 强 计,VSM14,振动样品磁强计的发展历史,相敏检波器 锁相放大器,XY记录仪 电子计算机,振 动 样 品 磁 强 计,