傳感器教學(xué)課件第4章磁傳感器6-7

1、傳感器教學(xué)課件第傳感器教學(xué)課件第4 4章磁傳感器章磁傳感器6-76-7第五節(jié)第五節(jié) 磁通門(mén)式磁敏傳感器磁通門(mén)式磁敏傳感器一、磁通門(mén)式磁敏傳感器的物理基礎(chǔ)一、磁通門(mén)式磁敏傳感器的物理基礎(chǔ)2BAHsHcFBr-HcE-BrDC靜態(tài)磁滯回線示意圖靜態(tài)磁滯回線示意圖BsHOB磁飽和現(xiàn)象磁飽和現(xiàn)象飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度Bs飽和磁場(chǎng)強(qiáng)度飽和磁場(chǎng)強(qiáng)度Hs 最大剩磁最大剩磁B Br r磁滯現(xiàn)象：磁感應(yīng)強(qiáng)度的變化磁滯現(xiàn)象：磁感應(yīng)強(qiáng)度的變化滯后于磁場(chǎng)滯后于磁場(chǎng)H H的變化的變化B Br r, , B Bs s，H Hs s及矯頑力及矯頑力H Hc c是磁性材料的四是磁性材料的四個(gè)重要參數(shù)。個(gè)重要參數(shù)。磁通門(mén)

2、傳感器使用軟磁性材料。磁通門(mén)傳感器使用軟磁性材料。動(dòng)態(tài)磁導(dǎo)率動(dòng)態(tài)磁導(dǎo)率dHdBd第五節(jié)第五節(jié) 磁通門(mén)式磁敏傳感器磁通門(mén)式磁敏傳感器一、磁通門(mén)式磁敏傳感器的物理基礎(chǔ)一、磁通門(mén)式磁敏傳感器的物理基礎(chǔ)3 概念：物體在磁場(chǎng)中被磁化后，在磁化方向上會(huì)產(chǎn)生伸概念：物體在磁場(chǎng)中被磁化后，在磁化方向上會(huì)產(chǎn)生伸長(zhǎng)或縮短現(xiàn)象，稱(chēng)為磁致伸縮現(xiàn)象。長(zhǎng)或縮短現(xiàn)象，稱(chēng)為磁致伸縮現(xiàn)象。 磁致伸縮現(xiàn)象對(duì)磁通門(mén)磁致伸縮現(xiàn)象對(duì)磁通門(mén)磁敏傳感器是十分有害的，磁敏傳感器是十分有害的，在選擇傳感器材料和磁心在選擇傳感器材料和磁心骨架時(shí)必須予以考慮避免。骨架時(shí)必須予以考慮避免。幾種磁性材料的伸縮系數(shù)幾種磁性材料的伸縮系數(shù)3020100-

3、10-20-30l/lFeCoNi010203040 H/10-4T45 坡莫合金l/l稱(chēng)為磁致伸縮系數(shù)稱(chēng)為磁致伸縮系數(shù)鐵鎳鐵鎳4:1比例的合金會(huì)使比例的合金會(huì)使得遲滯伸縮系數(shù)達(dá)到得遲滯伸縮系數(shù)達(dá)到0第五節(jié)第五節(jié) 磁通門(mén)式磁敏傳感器磁通門(mén)式磁敏傳感器二、磁通門(mén)式磁敏傳感器的二次諧波法測(cè)磁原理二、磁通門(mén)式磁敏傳感器的二次諧波法測(cè)磁原理4長(zhǎng)條形單磁芯非閉合式磁芯長(zhǎng)條形雙磁芯磁芯長(zhǎng)方形磁芯閉合式磁芯 跑道形磁芯 圓形磁芯從這幾種磁芯的性能來(lái)說(shuō)，以圓形較好，跑道形次之。在磁從這幾種磁芯的性能來(lái)說(shuō)，以圓形較好，跑道形次之。在磁場(chǎng)的分量測(cè)量中，用場(chǎng)的分量測(cè)量中，用跑道形磁芯跑道形磁芯較多。較多。第五節(jié)第五

4、節(jié) 磁通門(mén)式磁敏傳感器磁通門(mén)式磁敏傳感器二、磁通門(mén)式磁敏傳感器的二次諧波法測(cè)磁原理二、磁通門(mén)式磁敏傳感器的二次諧波法測(cè)磁原理5當(dāng)線圈的軸向存在當(dāng)線圈的軸向存在外界磁場(chǎng)外界磁場(chǎng)H H0 0時(shí)，時(shí)，磁芯磁芯在在H H0 0與與激勵(lì)激勵(lì)磁場(chǎng)磁場(chǎng)H(t)H(t)的共同作用下，其磁導(dǎo)率的共同作用下，其磁導(dǎo)率u(t)u(t)被外界磁被外界磁場(chǎng)場(chǎng)H H0 0所調(diào)制。感應(yīng)線圈輸出的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)含有和所調(diào)制。感應(yīng)線圈輸出的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)含有和H H0 0有關(guān)的信號(hào)，但該信號(hào)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于激勵(lì)磁場(chǎng)產(chǎn)生的有關(guān)的信號(hào)，但該信號(hào)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于激勵(lì)磁場(chǎng)產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。為了消除激勵(lì)磁場(chǎng)產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，磁通門(mén)探為了消除激勵(lì)磁場(chǎng)

5、產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，磁通門(mén)探頭在應(yīng)用將兩個(gè)參數(shù)相當(dāng)?shù)募?lì)兼感應(yīng)線圈的差頭在應(yīng)用將兩個(gè)參數(shù)相當(dāng)?shù)募?lì)兼感應(yīng)線圈的差分信號(hào)作為輸出，俗稱(chēng)分信號(hào)作為輸出，俗稱(chēng)“三端式三端式”結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)。第五節(jié)第五節(jié) 磁通門(mén)式磁敏傳感器磁通門(mén)式磁敏傳感器6i ie e產(chǎn)生的激勵(lì)磁場(chǎng)為：產(chǎn)生的激勵(lì)磁場(chǎng)為：cos(2)emHHft兩線圈中的磁場(chǎng)為：兩線圈中的磁場(chǎng)為：1020eeHHHHHH根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律( )( )( )( )dtdH teWS H ttdtdt 第五節(jié)第五節(jié) 磁通門(mén)式磁敏傳感器磁通門(mén)式磁敏傳感器7則可以得到兩線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)：則可以得到兩線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)：010020

6、()( )()( )()( )()( )eeeed HHdteWS HHWStdtdtd HHdteWS HHWStdtdt考慮到兩線圈的阻抗，考慮到兩線圈的阻抗，“三端式三端式”磁通門(mén)傳感器等效磁通門(mén)傳感器等效模型模型第五節(jié)第五節(jié) 磁通門(mén)式磁敏傳感器磁通門(mén)式磁敏傳感器8探頭輸出電壓：探頭輸出電壓：12222212eeeizezezz 當(dāng)兩線圈參數(shù)一致時(shí)，輸出電壓化簡(jiǎn)為：當(dāng)兩線圈參數(shù)一致時(shí)，輸出電壓化簡(jiǎn)為：121()2eee 將兩線圈的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)帶入后可得：將兩線圈的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)帶入后可得：0000()1( )()( )2()( )()( )eeeed HHdteWS HHWStdtdtd HH

7、dtWS HHWStdtdt 第五節(jié)第五節(jié) 磁通門(mén)式磁敏傳感器磁通門(mén)式磁敏傳感器9磁通門(mén)傳感器常用于測(cè)靜磁場(chǎng)或低頻磁場(chǎng)，可以認(rèn)為：磁通門(mén)傳感器常用于測(cè)靜磁場(chǎng)或低頻磁場(chǎng)，可以認(rèn)為：則可得：則可得：0()0d Hdt000()1( ) 22 ( )2( )d HdteWSHtdtdtdtWSHdt 第五節(jié)第五節(jié) 磁通門(mén)式磁敏傳感器磁通門(mén)式磁敏傳感器10將式子中的各量代入后，則可得到理想的三端式磁通將式子中的各量代入后，則可得到理想的三端式磁通門(mén)傳感器輸出電壓為：門(mén)傳感器輸出電壓為：0002 m102 m102m4m6m( )=cos(22)=-22sin(22)=-4sin(22)sin(24)s

8、in(26).mkkkkdteWSHdtdWSHkftdtWSHfkftfWSHftftft 可以看出，輸出電壓偶次諧波的幅值與外界磁場(chǎng)可以看出，輸出電壓偶次諧波的幅值與外界磁場(chǎng)H H0 0、激、激勵(lì)頻率、線圈匝數(shù)、線圈截面積、磁心磁導(dǎo)率成正比。勵(lì)頻率、線圈匝數(shù)、線圈截面積、磁心磁導(dǎo)率成正比。第五節(jié)第五節(jié) 磁通門(mén)式磁敏傳感器磁通門(mén)式磁敏傳感器11在實(shí)際應(yīng)用中，我們通常選擇下式中的二次諧波作為在實(shí)際應(yīng)用中，我們通常選擇下式中的二次諧波作為被測(cè)對(duì)象，通過(guò)檢測(cè)二次諧波的幅值來(lái)完成對(duì)外界磁被測(cè)對(duì)象，通過(guò)檢測(cè)二次諧波的幅值來(lái)完成對(duì)外界磁場(chǎng)的測(cè)量。場(chǎng)的測(cè)量。202mE =-4sin(22)fWSHft三端

9、式磁通門(mén)傳感器工作電路框圖三端式磁通門(mén)傳感器工作電路框圖第五節(jié)第五節(jié) 磁通門(mén)式磁敏傳感器磁通門(mén)式磁敏傳感器1213第六節(jié)第六節(jié) 質(zhì)子旋進(jìn)式磁敏傳感器質(zhì)子旋進(jìn)式磁敏傳感器u基本原理：基本原理：利用質(zhì)子在外磁場(chǎng)中的旋進(jìn)現(xiàn)利用質(zhì)子在外磁場(chǎng)中的旋進(jìn)現(xiàn)象，根據(jù)磁共振原理研制而成。象，根據(jù)磁共振原理研制而成。一、質(zhì)子旋進(jìn)式磁敏傳感器的磁測(cè)原理一、質(zhì)子旋進(jìn)式磁敏傳感器的磁測(cè)原理物理學(xué)已證明物理學(xué)已證明物質(zhì)是具有磁性的物質(zhì)是具有磁性的。對(duì)水分子（。對(duì)水分子（H2O）而言，從其而言，從其分子結(jié)構(gòu)、原子排列和化分子結(jié)構(gòu)、原子排列和化學(xué)價(jià)的性質(zhì)學(xué)價(jià)的性質(zhì)分析得知：水分子磁矩分析得知：水分子磁矩（即氫質(zhì)子磁矩）在外磁

10、場(chǎng)作用下（即氫質(zhì)子磁矩）在外磁場(chǎng)作用下繞外磁場(chǎng)旋進(jìn)。繞外磁場(chǎng)旋進(jìn)。 帶電粒子自旋產(chǎn)生磁矩帶電粒子自旋產(chǎn)生磁矩質(zhì)子的旋進(jìn)頻率質(zhì)子的旋進(jìn)頻率:p 為質(zhì)子旋磁比；為質(zhì)子旋磁比；T為外磁場(chǎng)強(qiáng)度為外磁場(chǎng)強(qiáng)度f(wàn) = p T /2第六節(jié)第六節(jié) 質(zhì)子旋進(jìn)式磁敏傳感器質(zhì)子旋進(jìn)式磁敏傳感器質(zhì)子的磁矩質(zhì)子的磁矩M在外磁場(chǎng)在外磁場(chǎng)T的作用下，繞著磁場(chǎng)的作用下，繞著磁場(chǎng)T旋進(jìn)，旋進(jìn)，它的軌跡描繪出一個(gè)它的軌跡描繪出一個(gè)圓錐體圓錐體，旋進(jìn)的角頻率為，旋進(jìn)的角頻率為，稱(chēng)，稱(chēng)為為拉莫爾頻率（拉莫爾頻率（Larmor Frequency）。根據(jù)解析運(yùn)動(dòng)方程可知：根據(jù)解析運(yùn)動(dòng)方程可知：則：則：f=p T/2可以看出，頻率與磁場(chǎng)成

11、正比，只要能測(cè)出頻率，可以看出，頻率與磁場(chǎng)成正比，只要能測(cè)出頻率，即可求出外磁場(chǎng)大小，從而達(dá)到測(cè)磁目的。即可求出外磁場(chǎng)大小，從而達(dá)到測(cè)磁目的。強(qiáng)調(diào)：強(qiáng)調(diào)：此處沒(méi)有考慮弛豫時(shí)間，是在a角不變、信號(hào)不衰減的前提下得到的。實(shí)際工作中有弛豫時(shí)間和信號(hào)衰減問(wèn)題。 = p T， =2f第六節(jié)第六節(jié) 質(zhì)子旋進(jìn)式磁敏傳感器質(zhì)子旋進(jìn)式磁敏傳感器二、磁場(chǎng)的測(cè)量與旋進(jìn)信號(hào)二、磁場(chǎng)的測(cè)量與旋進(jìn)信號(hào)在核磁共振中，共振信號(hào)的幅度與被測(cè)磁場(chǎng)在核磁共振中，共振信號(hào)的幅度與被測(cè)磁場(chǎng)T3/2成成正比。正比。當(dāng)被測(cè)磁場(chǎng)很弱時(shí)，信號(hào)幅度大大衰減。對(duì)微弱的當(dāng)被測(cè)磁場(chǎng)很弱時(shí)，信號(hào)幅度大大衰減。對(duì)微弱的被測(cè)磁場(chǎng)，用一般的核磁共振檢測(cè)方法是

12、接收不到被測(cè)磁場(chǎng)，用一般的核磁共振檢測(cè)方法是接收不到旋進(jìn)信號(hào)的。為了測(cè)得質(zhì)子磁矩旋進(jìn)信號(hào)的。為了測(cè)得質(zhì)子磁矩M繞外磁場(chǎng)的旋進(jìn)繞外磁場(chǎng)的旋進(jìn)頻率信號(hào)，必須采取特殊方法：頻率信號(hào)，必須采取特殊方法：使沿外磁場(chǎng)方向排列的質(zhì)子磁矩，在極化場(chǎng)的激勵(lì)使沿外磁場(chǎng)方向排列的質(zhì)子磁矩，在極化場(chǎng)的激勵(lì)下，建立質(zhì)子宏觀磁矩，并使其方向于外磁場(chǎng)方向下，建立質(zhì)子宏觀磁矩，并使其方向于外磁場(chǎng)方向垂直或接近垂直垂直或接近垂直 ,即施加一個(gè)強(qiáng)人工磁場(chǎng)。即施加一個(gè)強(qiáng)人工磁場(chǎng)。第六節(jié)第六節(jié) 質(zhì)子旋進(jìn)式磁敏傳感器質(zhì)子旋進(jìn)式磁敏傳感器當(dāng)沒(méi)有外界磁場(chǎng)作用于含氫液體時(shí)，其中質(zhì)子磁矩當(dāng)沒(méi)有外界磁場(chǎng)作用于含氫液體時(shí)，其中質(zhì)子磁矩?zé)o規(guī)則的任意

13、指向，不顯現(xiàn)宏觀磁矩。若垂直于地?zé)o規(guī)則的任意指向，不顯現(xiàn)宏觀磁矩。若垂直于地磁場(chǎng)磁場(chǎng)T的方向，加一強(qiáng)人工磁場(chǎng)的方向，加一強(qiáng)人工磁場(chǎng)H0，則樣品中的質(zhì)子，則樣品中的質(zhì)子磁矩，將按方向排列起來(lái)，此過(guò)程稱(chēng)為極化。磁矩，將按方向排列起來(lái)，此過(guò)程稱(chēng)為極化。第六節(jié)第六節(jié) 質(zhì)子旋進(jìn)式磁敏傳感器質(zhì)子旋進(jìn)式磁敏傳感器在垂直于外磁場(chǎng)方向加一在垂直于外磁場(chǎng)方向加一極化場(chǎng)極化場(chǎng)H（該場(chǎng)強(qiáng)約為外（該場(chǎng)強(qiáng)約為外磁場(chǎng)的磁場(chǎng)的200倍）。在極化倍）。在極化場(chǎng)作用下，質(zhì)子磁矩沿極場(chǎng)作用下，質(zhì)子磁矩沿極化場(chǎng)方向排列，形成宏觀化場(chǎng)方向排列，形成宏觀磁矩。磁矩。 預(yù)極化法示意圖H*MMMHT第六節(jié)第六節(jié) 質(zhì)子旋進(jìn)式磁敏傳感器質(zhì)子旋進(jìn)

14、式磁敏傳感器若切斷人工磁場(chǎng)若切斷人工磁場(chǎng)H0，則地磁場(chǎng)對(duì)質(zhì)子有力矩作用，則地磁場(chǎng)對(duì)質(zhì)子有力矩作用，試圖將質(zhì)子拉回到地磁場(chǎng)方向，由于質(zhì)子自旋，因試圖將質(zhì)子拉回到地磁場(chǎng)方向，由于質(zhì)子自旋，因而在力矩作用下，質(zhì)子磁矩而在力矩作用下，質(zhì)子磁矩M將繞著地磁場(chǎng)將繞著地磁場(chǎng)T的方向的方向做旋進(jìn)運(yùn)動(dòng)（拉莫爾旋進(jìn)），好像地面上傾斜旋轉(zhuǎn)做旋進(jìn)運(yùn)動(dòng)（拉莫爾旋進(jìn)），好像地面上傾斜旋轉(zhuǎn)的陀螺，在重力作用下并不立刻倒下，而是繞著鉛的陀螺，在重力作用下并不立刻倒下，而是繞著鉛垂方向作旋進(jìn)運(yùn)動(dòng)一樣。垂方向作旋進(jìn)運(yùn)動(dòng)一樣。實(shí)際中：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?chē)@上極化線圈和測(cè)量線圈或共用一個(gè)

15、線圈，使線圈軸向垂直于外磁場(chǎng)T方向。第六節(jié)第六節(jié) 質(zhì)子旋進(jìn)式磁敏傳感器質(zhì)子旋進(jìn)式磁敏傳感器當(dāng)質(zhì)子磁矩在旋進(jìn)過(guò)程中切割線圈，使線圈環(huán)繞面當(dāng)質(zhì)子磁矩在旋進(jìn)過(guò)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)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(dòng)勢(shì)。電動(dòng)勢(shì)。當(dāng)去掉極化場(chǎng)當(dāng)去掉極化場(chǎng)H，質(zhì)子磁矩則以拉莫爾旋進(jìn)頻率繞，質(zhì)子磁矩則以拉莫爾旋進(jìn)頻率繞外磁場(chǎng)旋進(jìn)。外磁場(chǎng)旋進(jìn)。M = TT2tM衰減示意圖感應(yīng)信號(hào)衰減示意圖xy第六節(jié)第六節(jié) 質(zhì)子旋進(jìn)式磁敏傳感器質(zhì)子旋進(jìn)式磁敏傳感器質(zhì)子旋進(jìn)式磁敏傳感器組成質(zhì)子旋進(jìn)式磁敏傳感器組成核心：核心：500cc左右有機(jī)玻璃容器左右有機(jī)玻璃容器,在容器外面繞以在容器外面繞以數(shù)數(shù)百匝百匝的導(dǎo)線的導(dǎo)線,使使線圈線圈軸向與外磁場(chǎng)方向大致軸向與外磁場(chǎng)方向大致垂直垂直,線線圈中通以圈中通以 13A的電流的電流,而形成約而形成約0.01T的極化場(chǎng)的極化場(chǎng),使使水中質(zhì)子磁矩指向極化場(chǎng)水中質(zhì)子磁矩指向極化場(chǎng)H的方向。的方向。 20tTtVV e第六節(jié)第六節(jié) 質(zhì)子旋進(jìn)式磁敏傳感器質(zhì)子旋