第二章 磁敏传感器.ppt

1、第二章磁传感器，第一节质子插棒式磁传感器，第二节光泵式磁传感器，第三节SQUID磁传感器，第四节磁通门式磁传感器，第五节磁传感器，第六节半导体磁传感器，第七节机械式磁传感器，磁传感器对磁场残奥表(b，h，)敏感的零配件或具有将磁学物理量转换为电信号功能的质子旋转式感磁传感器光泵式感磁传感器SQUID (超导量子干扰作用器)感磁传感器磁通门式感磁传感器半导体感磁传感器霍尔器件、感磁二极管、感磁晶体管星空卫视、感磁电阻机械式感磁传感器导光纤维式关于水分子(H2O )，从其分子结构、原子排列和化学价格的性质分析表明，水分子的自旋磁矩(即氢质子自旋磁矩)在外磁场的作用下围绕外磁场旋转。 一、质子岁差运

2、动式磁敏传感器的磁测量原理、质子自旋磁矩岁差运动、t、质子的岁差运动频率p是质子岁差运动比t是外部磁场强度，f=p T /2，是第一节质子岁差运动式磁敏传感器，从经典力学和量子力学的观点出发，该式的出处都可以论证。 为了方便起见，本文采用经典力学的观点来分析质子自旋磁矩在正交坐标系中的旋转情况。 如果质子自旋磁矩m通过外部磁场t具有力矩MT，则与陀螺仪同样，该动量的变化率与施加力矩、即动量的变化率、自旋磁矩的3个成分、Tz=T (外部磁场)相等Tx=0； 在Ty=0，上述公式中的第一方程明显是简并性运动方程式，其解为： 到自旋磁矩m的x轴的心理投射根据馀弦规则而变化，而到自旋磁矩m的y轴的心理

3、投射根据正弦规则而变化。 从图可以看到，自旋磁矩m在xy平面上的心理投射绝对值是恒定的，并且在xy平面上旋转。 常数，从总体上来看，质子自旋磁矩m受到外磁场t的影响而围绕外磁场t旋转，其轨迹描绘圆锥，旋转的角频率被称为Larmor frequency。 根据简并性运动方程式可知，如果将该值代入上式，则p=(2.675130.00002)S-1T-1，频率f与磁场t成比例，如果能够测定频率f，则能够间接地求出外磁场t，此处不考虑松弛时间，角不变，信号不衰减但是，在实际工作中有松弛时间，信号也在衰减。 被测磁场弱时，信号振幅大幅衰减。 对于微弱的被测量磁场，用一般的核磁共振检测方法不能接收岁差信号

4、。 为了测量质子自旋磁矩m的外磁场的绕射频率f信号，必须采取特殊的方法：二、在磁场的测量和绕射信号、核磁共振中，共振信号的宽度与被测量磁场t的3/2成比例。 对排列在外部磁场方向的质子自旋磁矩，在极化场的激发下制作质子宏命令自旋磁矩，使其方向与外部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制作质子宏命令自旋磁矩，增强信号幅度。 具体地，使圆柱形玻璃容器充满水样本或含氢质子的液体，并且作为传感器元件，在容器的周围围绕上极化线圈和测量线圈或公共线圈，以使得线圈轴垂直于外部磁场t方向。 在与外部磁场垂直的方向上施加极化场h (该电场强度约为外部磁场的200倍)。 根据极化场，容器内水中

5、的质子自旋磁矩向极化场方向排列，形成宏命令自旋磁矩，如下图所示。 如果质子自旋磁矩在旋转中切断线圈，则线圈的环绕面积中的磁通量变化，在线圈中产生感应电动势。去除极化场h后，质子自旋磁矩以拉莫尔的旋转频率围绕外部磁场旋转。 如果测量感应电压的频率，则可以校正外部磁场的大小。 由于极化场h大于外部磁场，所以可使噪声比增大H/T倍。 当设外部磁场t的感磁强度为0.510-4T、极化场h的感磁强度为10010-4 T时，可使信噪比增大200倍。 在自由旋转的过程中，自旋磁矩m的横向分量以t2 (横向松弛时间)为时间常数，随时接近零的测量线圈所接收的感应信号也以t2为时间常数，呈指数函数衰减。 m衰减示

6、意图、感应信号衰减示意图、x、y、芯： 500cc左右的有机玻璃容器，在容器外卷绕数百匝的导线，使线圈轴与外磁场方向大致垂直，在线圈中流过13A的电流，形成约0.01T的极化场，使水中的质子自旋磁矩朝向极化场h的方向。 质子旋转式感磁传感器、蒸馏水、t、线圈、质子旋转式感磁传感器的组成，e是如果快速去除极化磁场，则m的数值和方向不变化，缓和过程不会影响m的行为，此时在旋转过程中，周期性地切断测定线圈由于松弛过程的作用，其信号幅度Vt的幅度随时间呈指数衰减，并且其方程式表示，在实际操作中，线圈轴和外部磁场之间的夹角不是正好保持在900度。 根据实测，由于总自旋磁矩与sin2成比例，所以自由旋转感

7、应信号的电压宽度与sin2成比例。 另外，考虑到岁差信号呈指数衰减的特征，如果感应信号完整的公式是M0磁化，接收线圈是w匝，所包围的面积是s，填充因子是，则角的大小只影响质子岁差信号的振幅的大小，而不影响质子岁差频率，因此在实际测量中，严格配置探头=900时，信号为最大。 质子的岁差信号强度、t2横松弛时间V0信号的初始宽度。 实验发现，在数百cm3的样品中，线圈是数百匝的传感器，优选质子感应信号为0.5 mV左右。 感应信号的衰减也与外部磁场梯度的大小有关。 理论分析和实验表明，测量线圈产生的感应信号频率为质子自旋磁矩的旋转频率，这与公式一致。 用质子旋差式感磁传感器测量外部磁场的主要优点是

8、，精度高，在(0.110)nT的范围内，稳定性好(由于p是常数，所以其值只与质子本身无关，其值与外界温度、压力、大气湿度等要素无关)，动作速度快，直接读取外部磁场nT值极化功率大，只能进行高速点测量，受磁场梯度的影响大，1 .如果采样选择、设定的传感器系统用于磁测量作业，则水的纵向松弛时间t1和横向松弛时间t2长，因此适合地面操作。 选择样品时，必须选择水或含有酒精、灯油、甘油等质子的液体。 几种溶液的松弛时间t1、t2的数值如表所示。 如果有自动化度高的频率测定装置，则可以选择t1、t2小时的短样品。如果在空中磁测量，则飞机的速度快，所以选择灯油作为样品比较合适。在低温地区工作时，除t1、t

9、2外，还可考虑选择冰点下(例如甘油)的样品。 三、质子岁差运动式磁敏传感器的设置修订，考虑到非磁性、廉价、加工方便，选用有机玻璃材料制作容器较为合适。 2 .容器的选择，3 .激励和接收，如上所述，极化场的方向与被测磁场垂直，极化场的大小大于被测磁场的200倍，被测磁场以0.510-4T进行补正，根据实践经验，选择大于10010-4T的极化场进行激励比较好。 为了得到大的感应信号，接收线圈的轴向必须与被测量磁场垂直。 接收旋转的感应信号需要采用预极化方式。 从实验和理论修正的结果来看，容器的直径和长度之比以l :1.2(1.3)的圆柱形为好。接收线圈的种类：地面传感器用单线圈、空中磁测量用双线

10、圈、地震台站用环形线圈、海洋磁测量用三轴式线圈。 CZM-2型质子磁力校正IGS-2/MP-4质子磁力校正，四、质子岁差运动式磁敏传感器的应用，光泵式磁敏传感器是高灵敏度光泵磁力校正的核心零配件。 这是基于某个元素体的原子在外部磁场中产生的塞曼分裂，利用光泵和磁核共振技术开发的。 第二节光泵式磁敏传感器，磁场力修正的种类：根据谐振元素体分为氦原子(He )光泵磁场力修正，其中He3、He4光泵磁场力修正的碱金属光泵磁力修正，作为谐振元素体被注音字铑(Rb85，Rb87 )、铯(Cs133 )、钾元素灵敏度高，一般为0.01nT级，理论灵敏度为10-210-4nT的响应频率高，能够测量在急剧变化

11、中可测量的磁场的总矢量t及其成分，能够连续测量，利用光泵传感器制作的量测仪器，在目前实际生产和科学技术应用中灵敏度高的量测仪器与统一律子温差运动式磁力修正相比，(1)塞曼效应塞曼效应是指在外部磁场中核电源水平分裂的现象。 另一方面，氦原子(He4 )光泵式磁传感器的物理基础、x、s、n、v2、v0、v1、异常塞曼效应：在弱磁场下，电子自旋量子数不为零(S0 )时产生的塞曼效应，光泵式磁传感器是碱金属Cs、Rb也是He4、He4 当、成分、成分、原子处于弱磁场h中时，总轨道动量Pl和总大头针动量Ps之间的“耦合”不分解，此时，原子的壳层动量Pj具有Pl和Ps绕磁场h旋转。 如图所示。 从图中可以

12、看出，通过磁场得到的原子的附加能量，可以得到，h、Ps、Pl、p 1、p 1、p 1、p 1、p 2、p 3、p 4、p 5、p 6、p 7、p 8、p 8、p 9、p 11、p 12、p 13、p 14、p 14、p 15、p 16、p 17、p 18、p 1 /反常的塞曼效应的基准分裂，gE基准的朗获得因子f0拉莫尔的旋转频率极吸铁石h普朗特数m电子质量； c光速。 设原子跃迁能级为E1、E2。 所这些个两个能级具有分别由外部磁场附加的能量E1、E2。 原子向附加能的能级迁移。 如上图所示。 外层电子只有一个作用，如果只考虑单电子的内量子数，磁场可以导出原子得到的附加能，氦原子原子有两个电

13、子，两个质子和两个中子，核自旋相互抵消，核磁力矩为零。 总之，由于两个电子都在1s轨道上，被n=l轨道填满，l=0，不能表现轨道自旋磁矩的泡利不相容的原理，两个电子的自旋也必然相反，也不显示电子的自旋自旋磁矩，因此，氦原子原子在外部磁场中不发生塞曼分裂，由He4引起的光斑为了使没有自旋磁矩的He4产生自旋磁矩，测量了磁场。 把一个电子激发到高能级轨道，另一个电子还处于1s状态(基态)。 处于激发态的高能级电子在其大头针状态有两个取向：一个与处于基态(1s )的电子的大头针方向相同，表现的总自旋量子数S=1/2 1/2=1另一个相反，S=1/2-1/2=0。 (3)对于氦原子(He4 )原子水平

14、的塞曼分裂，在S=0时，由于l1=l2=0，所以J=0，即，能量水平不会因磁场而分裂，表示单重能级，将其称为残奥氦原子。 在S=l时，由于l1=l2=0，所以成为J=1，通过外部磁场，能级分裂为2J1=3能级，能级表示三重态，这被称为正氦原子。 分析塞曼效应得出了2、磁核共振的频率幅度取决于相邻能级之间的能量差(e )、E=hv的结论。1、塞曼分裂后，相邻能级之间的能差极小，要观察这种小的分裂状况，只能用能级间的感应迁移的方法，即磁核共振的方法进行检测。 这里所说的激发转变，是激发能量来源于光的所谓光泵(光吸引)方式。 3、塞曼分裂后，磁能级之间的能量较小，信号只有微伏特电平，因此必须通过施加

15、无线射频场的电子接收技术完成观察此类小信号。 4 .在磁核共振期间，其他量子数保持不变，只有磁量子数在选择规则的范围内变化，并且光泵式磁传感器在这种情况下工作。 He4原子在稳定态中既没有磁矩也没有壳自旋磁矩，原子整体不显示磁，在外部磁场中不产生塞曼能级分裂。 当He4原子中的一个电子被亚稳态激发时，在正氦原子s=l的情况下，具有电子自旋自旋磁矩。 此时，各个电子的自旋自旋磁矩，即原子的总自旋磁矩等于电子的总自旋自旋磁矩，即J=S。 由于电子的大头针自旋磁矩j通过外部磁场作用，所以向外部磁场方向的心理投射是二、氦原子(He4 )光泵式磁传感器的感磁原理，外部磁场(弱磁场)作用于自旋磁矩的附加能

16、量、s电子的总自旋磁矩比是亚稳态(23s1 ) 中J=1的亚稳态在外部磁场中分裂成三个能级，两个相邻的磁能级之间的能量差等于迁移中发射的光子能量正好两个相邻能级之间的能量差，即，如可以从上面的公式中看到的，频率f与外部磁场t成比例关系f辐射频率h普郎克常数。 He4光泵式感磁传感器的测定原理式，将利用光使原子自旋磁矩取向的过程也称为光学取向。 (1)光泵作用，实质上工艺：在与外部磁场垂直的方向(即与光轴垂直)上加上交变磁场射频波场，使射频波场的频率f0等于相邻的磁能级间的转变频率。 根据诱导迁移的原则，射频波场向mj=1的吸铁石能级诱导迁移丰富的原子。 首先迁移到mj=0的磁子能级，接着逐渐迁

17、移到mj=-1的磁子能级，原子的分布规则遵循玻尔兹曼分布规则。 原子的自旋磁矩取向排列紊乱，完成了磁核共振的全过程。 (2)磁核共振作用、射频波场中打乱原子自旋磁矩取向排列的过程。 在原子自旋磁矩定向之前，吸收室中的许多准稳定氦原子原子吸收来自氦原子灯的d线，原子在光泵作用下使原子自旋磁矩定向在某个能级，此时透过吸收室的光线相对较少，称为光弱(暗)。 在原子自旋磁矩取向时刻，吸收室内的原子自旋磁矩已经排列，不再吸收d线，透过吸收室的光相对变强，被称为光强(明亮度)。 产生磁核共振时，即原子自旋磁矩的取向紊乱，吸收d线，产生光泵作用，进行再取向，但此时暗。 如果能够测定通过吸收室的样品光线最暗时的射频波场频率，则求出磁核共振(吸收)频率。 从吸收室的光强或光强(即光学检测)的角度分析了光泵作用和磁核共振作用的全过程。 He4光泵式磁传感器由吸收室、氦原子灯、2个透镜、偏光板、/4、受光元件等零配件构成。 三、光泵式磁敏传感器的组成和工作原理如下：首先，将磁敏传感器放置在被检外部磁场中，使传感器的轴向与外部磁场方向平行，然后打开射频波激励震荡器，激励氦原子灯，使发出d线的He4吸收室成为激励亚稳态。 此时，来自灯的d线通过透镜将d线变为平行