磁敏傳感器 PPT學(xué)習(xí)教案

1、會計學(xué)1磁敏傳感器磁敏傳感器 質(zhì)子旋進式磁敏傳感器是利用質(zhì)子在外磁質(zhì)子旋進式磁敏傳感器是利用質(zhì)子在外磁場中的旋進現(xiàn)象，根據(jù)磁共振原理研制成功的。場中的旋進現(xiàn)象，根據(jù)磁共振原理研制成功的。 物理學(xué)已證明物質(zhì)是具有磁性的。對水分子（H2O）而言，從其分子結(jié)構(gòu)、原子排列和化學(xué)價的性質(zhì)分析得知：水分子磁矩（即氫質(zhì)子磁矩）在外磁場作用下繞外磁場旋進。 一、質(zhì)子旋進式磁敏傳感器的測磁原理一、質(zhì)子旋進式磁敏傳感器的測磁原理質(zhì)子磁矩旋進T M 質(zhì)子的旋進頻率p 為質(zhì)子旋磁比；T為外磁場強度f=p T /2第一節(jié)第一節(jié) 質(zhì)子旋進式磁敏傳感器質(zhì)子旋進式磁敏傳感器第1頁/共34頁從經(jīng)典力學(xué)和量子力學(xué)觀點,此公式的來

2、源均能得以論證。 為方便起見，在此采用經(jīng)典力學(xué)的觀點，分析直角坐標(biāo)系中質(zhì)子磁矩的旋進情況。設(shè)質(zhì)子磁矩M在外磁場T作用下有一力矩MT，于是，它和陀螺一樣，其動量矩的變化率等于外加力矩，即：PMpTMdtPdTMdtPddtMdPPPzyxzyxTTTMMMkji動量矩變化率第2頁/共34頁磁矩三個分量xyyxPzzxxzPyyzzyPxTMTMdtdMTMTMdtdMTMTMdtdM0dtdMTMdtdMTMdtdMzxPyyPx設(shè)Tz=T(外磁場)；Tx=0；Ty =0對上式上式中的第一式微分xPyPxMTTdtdMdtMd222202222xPxMTdtMd顯然，為簡諧運動方程，其解為常數(shù)z

3、PyPxMTtAMTtAM)sin()cos(同理第3頁/共34頁zxyMzMMyMx磁矩 M 旋進規(guī)律變化示意圖從上式可看出，Mz是常數(shù)，磁矩M在z軸上的投影是不變的；磁矩M在x軸上的投影是按余弦規(guī)律變化的；磁矩M在y軸上的投影是按正弦規(guī)律變化的。由圖看出： 磁矩M在xy平面上的投影的絕對值是一個常數(shù)，并且在xy平面上旋進。AMMMyx22常數(shù)第4頁/共34頁 綜合起來看，質(zhì)子磁矩M在外磁場T的作用下，繞外磁場T旋進，它的軌跡描繪出一個圓錐體，旋進的角頻率為，稱為拉莫爾頻率（Larmor frequency）。 根據(jù)簡諧運動方程，可得到： 即： 將此值代入上式HzTfnTfT8 .42574

4、874.23TfP2p=（2.675130.00002）S-1T-1可見，頻率f與磁場T成正比，只要能測出頻率f，即可間接求出外磁場T的大小,從而達到測量外磁場的目的。需要指出的是：這里沒有考慮馳豫時間,是在假設(shè)角不變、信號不衰減的前提下分析測磁原理的。但是，在實際工作中是有馳豫時間的，信號也是衰減的。f2TP第5頁/共34頁當(dāng)被測磁場很弱時，信號幅度大大衰減。對微弱的被測磁場，用一般的核磁共振檢測方法是接收不到旋進信號的。為了測得質(zhì)子磁矩M繞外磁場的旋進頻率 f 信號，必須采取特殊方法：二、磁場的測量與旋進信號二、磁場的測量與旋進信號在核磁共振中，共振信號的幅度與被測磁場T3/2成正比。使沿

5、外磁場方向排列的質(zhì)子磁矩,在極化場的激勵下,建立質(zhì)子宏觀磁矩,并使其方向于外磁場方向垂直或接近垂直 通常采用預(yù)極化方法或輔助磁場方法來建立質(zhì)子宏觀磁矩，以增強信號幅度。具體作法是:用圓柱形玻璃容器裝滿水樣品或含氫質(zhì)子液體，作為靈敏元件，在容器周圍繞上極化線圈和測量線圈或共用一個線圈，使線圈軸向垂直于外磁場T方向。第6頁/共34頁在垂直于外磁場方向加一極化場H（該場強約為外磁場的200倍）。在極化場作用下，容器內(nèi)水中質(zhì)子磁矩沿極化場方向排列，形成宏觀磁矩，如下圖所示。 預(yù)極化法示意圖H*MMMHT當(dāng)質(zhì)子磁矩在旋進過程中切割線圈，使線圈環(huán)繞面積中的磁通量發(fā)生變化，于是在線圈中就產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。當(dāng)去

6、掉極化場H，質(zhì)子磁矩則以拉莫爾旋進頻率繞外磁場旋進。第7頁/共34頁M 若測出感應(yīng)電壓的頻率，就可計算出外磁場的大小。因為極化場H大于外磁場，故此法可使信噪比增大H/T倍。設(shè)外磁場T的磁感強度為0.510-4T，極化場H的磁感強度為10010-4 T，則可使信噪比增大200倍。= Tt2t在自由旋進的過程中，磁矩M的橫向分量以t2（橫向弛豫時間）為時間常數(shù)并隨時間逐漸趨近于零；在測量線圈中所接收的感應(yīng)信號，也是以t2為時間常數(shù)按指數(shù)規(guī)律衰減的。M衰減示意圖感應(yīng)信號衰減示意圖xy第8頁/共34頁核心：500cc左右有機玻璃容器,在容器外面繞以數(shù)百匝數(shù)百匝的導(dǎo)線,使線圈線圈軸向與外磁場方向大致垂直

7、垂直,線圈中通以 13A的電流,而形成約0.01T的極化場,使水中質(zhì)子磁矩指向極化場H的方向。 質(zhì)子旋進式磁敏傳感器蒸餾水T計數(shù)器放大器線圈質(zhì)子旋進式磁敏傳感器的組成E若迅速撤去極化磁場,則M的數(shù)值與方向均來不及變化,弛豫過程來不及影響M的行為,此時,質(zhì)子磁矩在自旋和外磁場T的作用下以角速度繞外磁場T旋進。在旋進的過程中，周期性切割測量線圈，產(chǎn)生感應(yīng)信號。由于弛豫過程的作用，其信號幅度Vt的大小隨時間按指數(shù)規(guī)律衰減，其表示式為：第9頁/共34頁tSMWVsin410080在實際工作時,線圈軸向與外磁場的夾角不正好保持900,由實測得知：總磁矩量值與sin2成正比例,所以,自由旋進感應(yīng)信號的電壓

8、幅值和sin2成比例。又考慮到旋進信號按指數(shù)規(guī)律衰減的特點,其感應(yīng)信號完整表達式應(yīng)為M0磁化強度如果接收線圈有W匝,所包圍的面積為S,充填因子為,則角的大小只影響質(zhì)子旋進信號的振幅大小，而并不影響質(zhì)子旋進頻率，故在實際測量中，探頭無需嚴格定向。=900時，信號最大。質(zhì)子旋進信號強度2/208sinsin410tttteSMWV2/0ttteVVt2橫向馳豫時間； V0信號初始幅度。第10頁/共34頁由實驗得知,對于幾百cm3的樣品，線圈為數(shù)百匝的傳感器，在較好的情況下，質(zhì)子感應(yīng)信號僅為0.5 mV左右。感應(yīng)信號的衰減還和外磁場梯度外磁場梯度的大小有關(guān)。理論分析和實驗表明：測量線圈中產(chǎn)生的感應(yīng)信

9、號頻率即為質(zhì)子磁矩的旋進頻率，這和公式 是一致的。TfP2用質(zhì)子旋進式磁敏傳感器測量外磁場的主要優(yōu)點是：精度高精度高，一般在（0.110）nT范圍內(nèi)；穩(wěn)定性好穩(wěn)定性好（因p是一常數(shù)，其值只與質(zhì)子本身有關(guān)，它的值與外界溫度、壓力、濕度等因素均無關(guān)）；工作速度快工作速度快，可直讀外磁場nT 值；絕對值測量絕對值測量其缺點是：極化功率大極化功率大,只能進行快速只能進行快速點測點測；受磁場梯度影響較大；受磁場梯度影響較大第11頁/共34頁1. 樣品選擇如果設(shè)計的傳感器系用于磁測作業(yè)，因水的縱向弛豫時間t1和橫向弛豫時間t2較長，故適合地面操作。選擇樣品一定要選擇水或含有質(zhì)子的液體，如酒精、煤油、甘油等

10、。幾種溶液的馳豫時間t1、t2數(shù)值見表。溶液時間/st1t2水2.33煤油0.71如果有自動化程度高的測頻裝置，則可選用t1、t2時間短的樣品；如果在空中磁測，由于飛機航速快，選擇煤油作樣品則是合適的；如果在低溫地區(qū)工作，除考慮t1、t2外，還應(yīng)考慮選擇冰點低（如甘油）的樣品。三、質(zhì)子旋進式磁敏傳感器的設(shè)計三、質(zhì)子旋進式磁敏傳感器的設(shè)計第12頁/共34頁考慮到無磁性，價格便宜，加工方便，選擇有機玻璃材料制作容器是合適的。2. 2. 容器的選擇容器的選擇3. 3. 激發(fā)與接收激發(fā)與接收據(jù)前述：極化場方向應(yīng)垂直于被測磁場，極化場的大小應(yīng)大于被測磁場200倍，被測磁場按0.510-4T計算，根據(jù)實踐

11、經(jīng)驗，應(yīng)選大于10010-4T的極化場進行激發(fā)較妥。為得到大的感應(yīng)信號，接收線圈的軸向應(yīng)垂直于被測磁場。必須采用預(yù)極化方式才能接收到旋進的感應(yīng)信號。 由實驗和理論計算結(jié)果認為；容器的直徑和長之比應(yīng)為l ：1.2（1.3） 的圓柱形為宜。 接收線圈的種類:地面?zhèn)鞲衅饔脝尉€圈,空中磁測用雙線圈,地震臺站用環(huán)形線圈, 海洋磁測用三軸式線圈。第13頁/共34頁lCZM-2型質(zhì)子磁力儀lIGS-2/MP-4質(zhì)子磁力儀四、質(zhì)子旋進式磁敏傳感器的應(yīng)用四、質(zhì)子旋進式磁敏傳感器的應(yīng)用CZM-2型質(zhì)子磁力儀磁化系統(tǒng)選頻放大器壓控倍頻器電子門計數(shù)器數(shù)字譯碼顯示數(shù)字打印輸出晶振分頻及程序控制穩(wěn)壓器DC+13V-+18

12、V傳感器打印指令+ 10V自校測量第14頁/共34頁IGS-2型質(zhì)子磁力儀的系統(tǒng)擴展及外設(shè)配置打印機曲線記錄儀磁帶記錄儀微型計算機調(diào)制解調(diào)器IG2-2 控制臺磁力儀MP-4電磁儀EM甚低頻儀VLF計算機第15頁/共34頁光泵式磁敏傳感器是高靈敏度光泵磁力儀的核心部件。它是以某些元素的原子在外磁場中產(chǎn)生的塞曼分裂為基礎(chǔ)，并采用光泵和磁共振技術(shù)研制成的。第二節(jié)第二節(jié) 光泵式磁敏傳感器光泵式磁敏傳感器磁力儀種類：按共振元素的不同,分為氦氦(He)光泵磁力儀光泵磁力儀,其中又分He3、He4光泵磁力儀;堿金屬光泵磁力儀堿金屬光泵磁力儀,其共振元素有銣(Rb85、Rb87)、銫(Cs133)、鉀(K39

13、)、汞(Hg)等。靈敏度高靈敏度高,一般為0.01nT量級,理論靈敏度高達10-210-4nT響應(yīng)頻率高響應(yīng)頻率高，可在快速變化中進行測量可測量磁場的總向量可測量磁場的總向量T及其分量，并能進行連續(xù)測量及其分量，并能進行連續(xù)測量利用光泵傳感器做成的測磁儀器，是目前實際生產(chǎn)和科學(xué)技術(shù)應(yīng)用中靈敏度較高的一種磁測儀器。它同質(zhì)子旋進式磁力儀相比有以下特點：第16頁/共34頁（一）塞曼效應(yīng)（一）塞曼效應(yīng)塞曼效應(yīng)是指在外磁場中原子能級產(chǎn)生分裂的現(xiàn)象。一、氦（一、氦（HeHe4 4）光泵式磁敏傳感器的物理基礎(chǔ)）光泵式磁敏傳感器的物理基礎(chǔ)xSSNv2v0v1Ov2v0v1zy塞曼效應(yīng)：正常和反常塞曼效應(yīng)正常塞

14、曼效應(yīng)：在弱磁場中,電子自旋量子數(shù)為零時(S=0)產(chǎn)生的塞曼效應(yīng)。反常塞曼效應(yīng)：在弱磁場中,電子自旋量子數(shù)不為零(S0)時產(chǎn)生的塞曼效應(yīng)光泵式磁敏傳感器，不管是堿金屬Cs、Rb還是He4、He3光泵傳感器，電子自旋量子數(shù)均不為零（S0），并且均是在弱磁場中工作，故屬反常塞曼效應(yīng)。成分成分第17頁/共34頁當(dāng)原子在弱磁場H中時，總的軌道動量矩總的軌道動量矩Pl和總的自旋動量矩總的自旋動量矩Ps之間的“耦合”，沒有被拆開，這時，原子的殼層動量矩原子的殼層動量矩 Pj將帶著Pl和 Ps一起繞磁場H旋進。如圖所示。由圖看出，磁場將使原子獲得的附加能量為：HPsPl0HPjPlPs0弱磁場中Pj 、Pl

15、 、Ps的旋進)cos(HjHEjH(jH)磁場H和殼層磁矩j之間的夾角。 （二）反常的塞曼效應(yīng)的能級分裂（二）反常的塞曼效應(yīng)的能級分裂第18頁/共34頁E1+E1E1E2+E2E1E2vv0 原子能級躍遷示意圖 gE能級的郎得因子； f0拉莫爾旋進頻率； 波爾磁子； h普朗克常數(shù)； m電子質(zhì)量； c光速。mceh40 假設(shè)原子躍遷能級為E1、E2。在外磁場作用下，這兩個能級各自有附加能量E1，E2。原子就在附加能量的能級上產(chǎn)生躍遷。（如上圖所示）。 對外層電子只有一個在起作用，只考慮單電子的內(nèi)量子數(shù)，則可導(dǎo)出 hfmgHmgEjjjjH00磁場將使原子獲得的附加能量第19頁/共34頁 氦原子

16、有兩個電子，兩個質(zhì)子和兩個中子，核自旋互相抵消，核磁矩為零。在一般情況下，兩個電子都處在1s軌道，充滿n=l軌道，l=0，表現(xiàn)不出軌道磁矩軌道磁矩；根據(jù)泡利不相容原理，兩個電子的自旋也必然相反，也顯示不出電子的自旋磁矩自旋磁矩；因而氦原子在外磁場中不會產(chǎn)生塞曼分裂，也就無法利用He4進行光泵磁測了。 為使沒有磁矩的He4產(chǎn)生磁矩，來測量磁場。將一電子激發(fā)到較高能級的軌道上,另一電于仍處在1s態(tài)(基態(tài)基態(tài))。處在激發(fā)態(tài)激發(fā)態(tài)的高能級上的電子, 其自旋狀態(tài)有兩種取向：一種是和處在基態(tài)(1s)的電子的自旋方向相同,所表現(xiàn)的總自旋量子數(shù)S=1/2+1/2=1；另一種是相反，S=1/2-1/2=0。（三

17、）氦（三）氦（HeHe4 4）原子能級的塞曼分裂）原子能級的塞曼分裂第20頁/共34頁 當(dāng)S=0時,由于l1=l2=0,所以J=0,即在磁場作用下,能級不發(fā)生分裂，表現(xiàn)為單重能級，稱這種情況為仲氦。當(dāng)S=l時,由于l1=l2=0,所以J=1,在外磁場作用下,能級分裂為2J1=3個能級,能級表現(xiàn)為三重態(tài),這種情況稱正氦。 通過對塞曼效應(yīng)的分析，可得到以下幾點結(jié)論第21頁/共34頁2、磁共振的頻率大小取決于相鄰能級間的能量差 （E），E=hv。1、塞曼分裂后，相鄰能級之間的能量差極小，要觀察這樣小的分裂情況，只有通過能級間受激躍遷的方法，也就是用磁共振的方法進行檢測。這里所指的受激躍遷，受激能量來

18、自光，也就是通常所說的光泵（光抽運）方式。3、由于塞曼分裂后，磁子能級間能量很小，信號只有微伏量級，要觀察這樣小的信號，必須外加一射頻場并用電子接收技術(shù)來完成。4、在磁共振過程中，其它量子數(shù)不發(fā)生變化，而只有磁量子數(shù)在選擇定則的范圍內(nèi)變化，光泵式磁敏傳感器就是在這種情況下工作的。第22頁/共34頁He4原子在穩(wěn)態(tài)下既不具有核磁矩核磁矩,也不具有殼層磁矩殼層磁矩,整個原子不顯示磁性,在外磁場中不產(chǎn)生塞曼能級分裂。 當(dāng)把He4原子中一電子激發(fā)到亞穩(wěn)態(tài)時,對正氦s=l的情況,則具有電子自旋磁矩電子自旋磁矩。這時是單個電子的自旋磁矩 ,即原子的總磁矩等于電子的總自旋磁矩,即：J =S。由于電子自旋磁矩

19、J是在外磁場作用下,故在外磁場方向上的投影為 二、氦（二、氦（He4He4）光泵式磁敏傳感器的測磁原理）光泵式磁敏傳感器的測磁原理2hmSsST)cos( TJTEJT)cos(TJTSTST外磁場(弱磁場)作用在磁矩上的附加能量ThmESST2s電子的總磁矩比第23頁/共34頁在亞穩(wěn)態(tài)（23s1）中，J=1，mj=0,1。對J=1的亞穩(wěn)態(tài)在外磁場中分裂為三個能級，兩相鄰磁子能級間的能量差為： ThEST2hfET躍遷過程中輻射的光子能量恰好等于兩相鄰能級間的能量差，即：由上式可看出：頻率f與外磁場T成正比關(guān)系，只要測出頻率f即可求得外磁場T的大小。2TfSThhfS2f輻射頻率；h普郎克常數(shù)

20、。He4光泵式磁敏傳感器測磁原理公式第24頁/共34頁j=11111j=1D123S122P1D1線作用下He4亞穩(wěn)態(tài)原子的光泵作用示意圖00mj利用光使原子磁矩達到定向排列的過程利用光使原子磁矩達到定向排列的過程,也稱光學(xué)取向也稱光學(xué)取向。 （一）光泵作用（一）光泵作用實質(zhì)第25頁/共34頁過程：在垂直于外磁場方向(即垂直于光軸)加一交變的磁場射頻場，使射頻場的頻率f0等于相鄰磁子能級間的躍遷頻率。根據(jù)受激躍遷原則，射頻場將使富集在mj=+1磁子能級上的原子，產(chǎn)生受激躍遷。首先向mj=0磁子能級上躍遷，再逐漸向mj=-1的磁子能級躍遷，使原子的分布規(guī)律服從玻爾茲玻爾茲曼曼分布規(guī)律。于是原子磁

21、矩的定向排列被打亂，完成了磁共振的整個過程。 （二）磁共振作用（二）磁共振作用用射頻場打亂原子磁矩定向排列的過程。用射頻場打亂原子磁矩定向排列的過程。第26頁/共34頁在原子磁矩取向前，吸收室中大量亞穩(wěn)態(tài)正氦原子吸收由氦燈射來的D線，原子通過光泵作用將原子磁矩定向排列到某一能級上去，這時透過吸收室的光線相對較少，稱作光弱(暗)；當(dāng)原子磁矩取向時刻，吸收室內(nèi)的原子磁矩已排列好，不再吸收D線，而透過吸收室的光相對變強，稱作光強(亮)。當(dāng)發(fā)生磁共振時，即原子磁矩取向被打亂，吸收D線產(chǎn)生光泵作用而重新取向，此時為暗。若能測量出通過吸收室樣品光線最暗時的射頻場頻率，即求得磁共振（吸收）頻率。從吸收室光的

22、強或弱（即從光學(xué)檢測）的角度出從吸收室光的強或弱（即從光學(xué)檢測）的角度出發(fā)，分析光泵作用和磁共振作用的全過程。發(fā)，分析光泵作用和磁共振作用的全過程。第27頁/共34頁234 5891061放大 圖2.2-6 He4光泵式磁敏傳感器的組成框圖1高頻激發(fā)振蕩器； 2氦燈； 3透鏡1； 4偏振偏； 5 /4 ； 6吸收室； 7RF振蕩器； 8射頻線圈； 9透鏡2； 10光敏元件7He4光泵式磁敏傳感器系由吸收室、氦燈、兩個透鏡、偏振片、/4、光敏元件等元器件組成。 三、光泵式磁敏傳感器的組成及工作原理三、光泵式磁敏傳感器的組成及工作原理第28頁/共34頁 首先將測磁傳感器置于被測外磁場中，并使傳感器的軸向與外磁場方向平行，其后將高頻激發(fā)振蕩器打開，激發(fā)氦燈使發(fā)出D線；激發(fā)He4吸收室使其處于亞穩(wěn)狀態(tài)。 這時燈發(fā)出的D線經(jīng)過透鏡將D線變成平行光，再經(jīng)偏振片和/4變成圓周極化光，直射至吸收室中的亞穩(wěn)態(tài)正氦上，正氦在外磁場作用下產(chǎn)生塞曼分裂，塞曼能級2s態(tài)原子吸收D線，躍遷到2P態(tài)而產(chǎn)生光泵作用。He4光泵式磁敏傳感器的工作原理 第29頁/共34頁 光泵作用結(jié)果使原于磁矩取向于2s態(tài)某一磁子能級上。然后由RF娠蕩器提供給