第四章 磁傳感器4-8課件

感應(yīng)式磁敏傳感器基于法拉第電磁感應(yīng)原理，制造工藝簡(jiǎn)單，使用方便，性能比較穩(wěn)定，在國(guó)內(nèi)外運(yùn)用較為廣泛?？梢詼y(cè)量恒定的、交變的或脈沖的磁場(chǎng)。最適合于測(cè)量交變磁場(chǎng)，并隨著被測(cè)磁場(chǎng)頻率的增加其測(cè)量靈敏度也獲得提高，其測(cè)量范圍很廣，分辨率可達(dá)10-12~10-13T?！?/p>

感應(yīng)式磁傳感器一般有空氣芯和鐵芯兩種，早期使用的磁傳感器都是空氣芯的。目前使用傳感器的鐵芯有：鐵氧體鐵芯—制造工藝簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜，應(yīng)用較為廣泛。缺點(diǎn)：鐵氧體磁性材料機(jī)械變化和熱應(yīng)力變化都會(huì)改變其導(dǎo)磁特性。坡莫合金鐵芯—屬于高初始磁導(dǎo)率磁性材料，大大提高傳感器的工作靈敏度和使用穩(wěn)定性。缺點(diǎn)：成本高，熱處理工藝比較復(fù)雜。非晶態(tài)鐵芯—磁感應(yīng)傳感器更輕便、更穩(wěn)定、效果更好。缺點(diǎn)：價(jià)格較高。第四節(jié)感應(yīng)式磁敏傳感器1一、感應(yīng)式磁敏傳感器的物理基礎(chǔ)法拉第電磁感應(yīng)定律對(duì)于帶有磁芯導(dǎo)磁率為μ的螺線管線圈，其感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)e(t)為：被測(cè)磁場(chǎng)的變化率可由線圈的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)所反映。2××××××××××××××××屏蔽銅箔鋁管鋁蓋輸出線圈長(zhǎng)螺旋管式傳感器構(gòu)成示意圖磁芯

感應(yīng)式磁傳感器通常由線圈和放大器兩部分組成。線圈中包括繞組和磁芯兩部分。磁芯通常采用高導(dǎo)磁率的磁性材料做成。3二、感應(yīng)式磁敏傳感器的設(shè)計(jì)考慮因素：★要有一定的靈敏度，體積不宜過大?！镌胍粢M量低，這里包括熱噪音、溫差電勢(shì)、潮濕和接觸污染等引起的噪音；線圈內(nèi)阻要??；線圈避免用普通焊錫接頭；信號(hào)線要雙層屏蔽，且不能鍍錫；要求嚴(yán)格密封?！镆型晟频碾娖帘??！镆M量降低磁芯的損耗，尤其是要降低渦流損耗。因此各片磁芯間要求嚴(yán)格絕緣?！锎判镜目拐鹦院蜏囟确€(wěn)定性要好。41、靈敏度為了獲得最大靈敏度，就必須使乘積NSμ為最大。初始靈敏度為了獲得最大信號(hào)，必須使接入放大器輸入電路之前的線圈本身具有較高的靈敏度，即能感應(yīng)出較高的電動(dòng)勢(shì)。這種靈敏度也稱為初始靈敏度σ。根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)

52、信噪比主要考慮線圈電阻和匝數(shù)等參數(shù)的選擇。假設(shè)磁場(chǎng)的頻譜密度為δH、頻帶寬度為△F，則線圈的感應(yīng)信號(hào)，而根據(jù)熱力學(xué)定律，噪聲為

式中，K—為波茲曼常數(shù)；T—為絕對(duì)溫度則信噪比63、磁芯材料磁芯是感應(yīng)式磁傳感器的關(guān)鍵部件，它的性能將影響整個(gè)傳感器。一般對(duì)磁芯材料的要求有：①高磁導(dǎo)率μ已獲得最大磁感應(yīng)強(qiáng)度；②高飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度BS以保證高飽和電流；③高電阻率以降低渦流損耗；④低的矯頑力HC，HC越低，磁滯損耗越小。主要的磁芯材料有：軟磁鐵氧體、坡莫合金、非晶合金、納米金合晶等。7三、感應(yīng)式磁敏傳感器實(shí)例（一）CM11型感應(yīng)式磁敏傳感器（美國(guó)）1、用途：測(cè)量大地的磁場(chǎng)微變，以探傷和研究沉積盆地及大地構(gòu)造等問題。微變頻率一般是千分之幾到幾十赫茲。2、主要技術(shù)數(shù)據(jù)：磁芯長(zhǎng)度，110.5cm；磁敏傳感器直徑，9.9cm；頻率范圍，5mHz~50Hz；靈敏度，50mV/nT（包括前置放大器在內(nèi)）；噪聲密度，約為0.16mnT/Hz（在1Hz內(nèi)）；線圈電感量，約30×104H。3、特點(diǎn)：體積較小，質(zhì)量?。?3.3kg），便于搬運(yùn)。靈敏度較高，噪聲小，頻率響應(yīng)可達(dá)50Hz。8（二）MTC—60型感應(yīng)式磁敏傳感器（加拿大）是與鳳凰地物理有限公司的16道強(qiáng)量大地電磁測(cè)深系統(tǒng)配合使用的。傳感器磁芯也由高導(dǎo)率的坡莫合金制成。

1、傳感器線圈的類型：

（1）磁芯線圈—測(cè)量水平分量Hx、Hy；

（2）空心線圈—測(cè)量垂直分量Hz。

2、主要技術(shù)參數(shù)：磁芯長(zhǎng)度，152cm；殼外徑，11.4cm；線圈電感，1300H；線圈電阻，1900Ω；靈敏度，100mV/nT；頻率范圍，0.55mHz~384Hz；噪聲密度，約100mnT。

3、特點(diǎn)：頻率范圍較寬，靈敏度較高。9感應(yīng)式磁敏傳感器的應(yīng)用

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磁通門式磁敏傳感器又稱為磁飽和式磁敏傳感器。

利用某些高導(dǎo)磁率的軟磁性材料（如坡莫合金）作磁芯，以其在交變磁場(chǎng)作用下的磁飽和特性及法拉第電磁感應(yīng)原理研制成的測(cè)磁裝置。第五節(jié)磁通門式磁敏傳感器最大特點(diǎn)：適合在零磁場(chǎng)附近工作的弱磁場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量。傳感器可作成體積小，重量輕、功耗低，既可測(cè)縱向向量T、垂直向量Z，也可測(cè)ΔT、ΔZ，不受磁場(chǎng)梯度影響，測(cè)量的靈敏度可達(dá)0.01nT，且可和磁秤混合使用組成磁測(cè)儀器。應(yīng)用：航空、地面、測(cè)井等方面的磁法勘探，在軍事上，也可用于尋找地下武器（炮彈、地雷等）和反潛。還可用于預(yù)報(bào)天然地震及空間磁測(cè)等。11一、磁通門式磁敏傳感器的物理基礎(chǔ)

磁飽和現(xiàn)象：當(dāng)H增加到某一值HS之后B就幾乎不隨H的增加而增強(qiáng)。飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度Bs飽和磁場(chǎng)強(qiáng)度Hs

（一）磁滯回線和磁飽和現(xiàn)象BAHsHcFBr-HcE-BrDC靜態(tài)磁滯回線示意圖BsHOB磁滯現(xiàn)象：磁感應(yīng)強(qiáng)度的變化滯后于磁場(chǎng)H的變化最大剩磁BrBr,Bs，Hs及矯頑力Hc是磁性材料的四個(gè)重要參數(shù)。磁通門傳感器使用軟磁性材料。動(dòng)態(tài)導(dǎo)磁率12定義：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。幾種磁性材料的伸縮系數(shù)3020100-10-20-30Δl/lFeCoNi010203040

H/10-4T45坡莫合金（二）磁致伸縮現(xiàn)象飽和磁致伸縮系數(shù)13內(nèi)容：不論何種原因使通過一回路所包圍面積內(nèi)的磁通量φ發(fā)生變化時(shí)，回路上產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E與磁通隨時(shí)間t的變化率的負(fù)值成正比。（三）法拉第電磁感應(yīng)定律式中k——比例系數(shù)。14二、磁通門磁力儀的主要性能1.分辨率磁通門磁力儀的分辨率(對(duì)微弱信號(hào)變化量的反應(yīng)能力)相當(dāng)高，一般可以達(dá)到1—10nT，相當(dāng)于地磁場(chǎng)強(qiáng)度的0.00001—0.0001倍。特殊制造的磁通門磁力儀的分辨率可以達(dá)到0.001nT，因此可以用于測(cè)量地磁脈動(dòng)。衛(wèi)星載磁通門式向量磁力儀的分辨率因量程而異，在測(cè)量弱磁場(chǎng)的時(shí)候分辨率可以達(dá)到0.002nT。限制分辨率的主要因素是電子線路前置放大器的噪聲以及探頭的靈敏度和噪聲。152.測(cè)量范圍磁通門磁力儀的測(cè)量范圍是—65000到65000nT之間。為了提高靈敏度和免受磁化產(chǎn)生永久磁場(chǎng)，磁通門磁力儀的探頭鐵芯由高導(dǎo)磁率軟磁材料制作。這些材料的飽和磁場(chǎng)強(qiáng)度Hs只有0.0001T左右。如果待測(cè)磁場(chǎng)達(dá)到或超過這個(gè)強(qiáng)度，激勵(lì)磁場(chǎng)的調(diào)制功能就明顯受限，被測(cè)磁場(chǎng)更強(qiáng)時(shí)，甚至可以將鐵芯磁化，必須退磁才能消除剩磁。所以，磁通門磁力儀被認(rèn)為只適用于弱磁場(chǎng)的測(cè)量，3.頻率響應(yīng)磁通門磁力儀頻率響應(yīng)范圍大約在10Hz以內(nèi)，一般適用于測(cè)量緩慢變化的穩(wěn)恒磁場(chǎng)。監(jiān)測(cè)交變，脈動(dòng)或擾動(dòng)磁場(chǎng)時(shí)，需要特殊制作的磁強(qiáng)計(jì)。16從這幾種磁芯的性能來說，以圓形較好，跑道形次之。在磁場(chǎng)的分量測(cè)量中，用跑道形磁芯較多。磁通門傳感器的磁芯幾何形狀三、磁通門式磁敏傳感器的二次諧波法測(cè)磁原理171.長(zhǎng)軸狀跑道形磁芯跑道型磁芯機(jī)構(gòu)示意圖1—靈敏元件架；2—初級(jí)線圈3—輸出線圈；4—坡莫合金環(huán)

如圖所示，一般沿長(zhǎng)軸方向的尺寸遠(yuǎn)大于短軸方向的尺寸，故當(dāng)沿長(zhǎng)軸方向磁化時(shí)，要比沿短軸方向磁化時(shí)的退磁作用及退磁系數(shù)小得多。這樣，就可以認(rèn)為跑道形磁芯僅被沿長(zhǎng)軸方向的磁場(chǎng)所磁化。在實(shí)踐中，也僅測(cè)量沿長(zhǎng)軸方向的磁場(chǎng)分量。

H1=2HmsinωtH2=-2Hmsinωt41LS2ff2L1L2318由分段函數(shù)組式可知，Es是一奇函數(shù)。富氏分解中的余弦項(xiàng)的系數(shù)an=0，a2=0?？捎?jì)算出富氏分解中正弦項(xiàng)的系數(shù)b2，進(jìn)而得出總感應(yīng)電壓表達(dá)式：2.富氏分解法這就是測(cè)量線圈中感應(yīng)電壓信號(hào)二次諧波的完整表達(dá)式。19由此可得出如下結(jié)論：1）傳感器測(cè)量線圈輸出二次諧波的電壓振幅與被測(cè)磁場(chǎng)He的大小成正比關(guān)系，根據(jù)這種關(guān)系可以測(cè)量外磁場(chǎng)。2）被測(cè)磁場(chǎng)的變號(hào)（及改變方向），二次諧波電壓的極性隨之改變。3）傳感器輸出二次諧波電壓的大小，除與被測(cè)磁場(chǎng)He近似成正比關(guān)系外，還與傳感器磁心對(duì)于對(duì)于He的有效動(dòng)態(tài)相對(duì)磁導(dǎo)率、接收線圈的匝數(shù)、磁心有效面積、激勵(lì)磁場(chǎng)頻率、磁心的飽和磁場(chǎng)強(qiáng)度成正比關(guān)系，而與激勵(lì)磁場(chǎng)的振幅Hm成反比。這些將是設(shè)計(jì)與制造傳感器時(shí)的重要參數(shù)。20四、應(yīng)用用磁通門式磁敏傳感器可以構(gòu)成多種不同用途的測(cè)磁儀器。例如，用于磁測(cè)量的有：地面磁通門磁力儀，航空磁通門磁力儀，磁通門磁力梯度儀，三分量高分辨率磁通門磁力儀，小口徑井中磁力儀，微機(jī)型磁通門磁力儀以及用于探測(cè)地下炸彈、地雷等鐵磁性物體的探測(cè)儀器等。1、CCM-1型地面磁通門磁力儀2、磁通門磁力梯度儀21質(zhì)子旋進(jìn)式磁敏傳感器是利用質(zhì)子在外磁場(chǎng)中的旋進(jìn)現(xiàn)象，根據(jù)磁共振原理研制成功的。物理學(xué)已證明物質(zhì)是具有磁性的。對(duì)水分子（H2O）而言，從其分子結(jié)構(gòu)、原子排列和化學(xué)價(jià)的性質(zhì)分析得知：水分子磁矩（即氫質(zhì)子磁矩）在外磁場(chǎng)作用下繞外磁場(chǎng)旋進(jìn)。

一、質(zhì)子旋進(jìn)式磁敏傳感器的測(cè)磁原理質(zhì)子磁矩旋進(jìn)示意圖T

αM質(zhì)子的旋進(jìn)頻率γp為質(zhì)子旋磁比（旋磁比：核磁矩和機(jī)械動(dòng)量矩之比，是原子核所固有的特性，與離子電荷和質(zhì)量的比有關(guān)。不同的原子核有不同的旋磁比值。）；T為外磁場(chǎng)強(qiáng)度。f=γpT

/2π第六節(jié)

質(zhì)子旋進(jìn)式磁敏傳感器22αM設(shè)質(zhì)子磁矩M在外磁場(chǎng)T的作用下有一力矩M×T，其動(dòng)量矩的變化率等于外加磁力矩，即同理T綜合起來看：質(zhì)子磁矩M在外磁場(chǎng)T的作用下，繞外磁場(chǎng)T旋進(jìn)，它的軌跡描繪出一個(gè)圓錐體，旋進(jìn)的角頻率為ω，稱為拉莫爾頻率。根據(jù)簡(jiǎn)諧振動(dòng)方程可得：f=γpT

/2π式中則23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)方法是接收不到旋進(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)頻率f信號(hào)，必須采取特殊方法：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)T3/2成正比。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)方向垂直或接近垂直通常采用預(yù)極化方法或輔助磁場(chǎng)方法來建立質(zhì)子宏觀磁矩，以增強(qiáng)信號(hào)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(cè)量線圈或共用一個(gè)線圈，使線圈軸向垂直于外磁場(chǎng)T方向。24在垂直于外磁場(chǎng)方向加一極化場(chǎng)H（該場(chǎng)強(qiáng)約為外磁場(chǎng)的200倍）。在極化場(chǎng)作用下，容器內(nèi)水中質(zhì)子磁矩沿極化場(chǎng)方向排列，形成宏觀磁矩，如下圖所示。預(yù)極化法示意圖H*MMMHTθ當(dāng)質(zhì)子磁矩在旋進(jìn)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(dòng)勢(shì)。當(dāng)去掉極化場(chǎng)H，質(zhì)子磁矩則以拉莫爾旋進(jìn)頻率繞外磁場(chǎng)旋進(jìn)。25M

若測(cè)出感應(yīng)電壓的頻率，就可計(jì)算出外磁場(chǎng)的大小。因?yàn)闃O化場(chǎng)H大于外磁場(chǎng)，因此,可使信噪比增大H/T倍。設(shè)外磁場(chǎng)T的磁感強(qiáng)度為0.5×10-4T，極化場(chǎng)H的磁感強(qiáng)度為100×10-4T，則可使信噪比增大200倍。υω=γTt2t在自由旋進(jìn)的過程中，磁矩M的橫向分量以t2（橫向弛豫時(shí)間）為時(shí)間常數(shù)并隨時(shí)間逐漸趨近于零；在測(cè)量線圈中所接收的感應(yīng)信號(hào)，也是以t2為時(shí)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(hào)衰減示意圖xy26核心：500cc左右有機(jī)玻璃容器,在容器外面繞以數(shù)百匝的導(dǎo)線,使線圈軸向與外磁場(chǎng)方向大致垂直,線圈中通以1～3A的電流,而形成約0.01T的極化場(chǎng),使水中質(zhì)子磁矩指向極化場(chǎng)H的方向。質(zhì)子旋進(jìn)式磁敏傳感器蒸餾水→T計(jì)數(shù)器放大器線圈質(zhì)子旋進(jìn)式磁敏傳感器的組成E若迅速撤去極化磁場(chǎng),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(shí),質(zhì)子磁矩在自旋和外磁場(chǎng)T的作用下以角速度ω繞外磁場(chǎng)T旋進(jìn)。在旋進(jìn)的過程中，周期性切割測(cè)量線圈，產(chǎn)生感應(yīng)信號(hào)。由于弛豫過程的作用，其信號(hào)幅度Vt的大小隨時(shí)間按指數(shù)規(guī)律衰減，其表示式為：27主要優(yōu)點(diǎn)：◆精度高，一般在（0.1~10）nT范圍內(nèi)；◆穩(wěn)定性好（因γp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，可直讀外磁場(chǎng)nT值；◆絕對(duì)值測(cè)量缺點(diǎn)是：極化功率大,只能進(jìn)行快速點(diǎn)測(cè)；受磁場(chǎng)梯度影響較大28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(chǎng)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。第七節(jié)

光泵式磁敏傳感器磁力儀種類：氦(He)光泵磁力儀,其中又分He3、He4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)、汞(Hg)等。靈敏度高,一般為0.01nT量級(jí),理論靈敏度高達(dá)10-2~10-4nT響應(yīng)頻率高，可在快速變化中進(jìn)行測(cè)量可測(cè)量磁場(chǎng)的總向量T及其分量，并能進(jìn)行連續(xù)測(cè)量利用光泵傳感器做成的測(cè)磁儀器，是目前實(shí)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(cè)儀器。它同質(zhì)子旋進(jìn)式磁力儀相比有以下特點(diǎn)：29塞曼效應(yīng)是指在外磁場(chǎng)中原子能級(jí)產(chǎn)生分裂的現(xiàn)象。一、氦（He4）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)正常塞曼效應(yīng)：在弱磁場(chǎng)中,電子自旋量子數(shù)為零時(shí)(S=0)產(chǎn)生的塞曼效應(yīng)。反常塞曼效應(yīng)：在弱磁場(chǎng)中,電子自旋量子數(shù)不為零(S≠0)時(shí)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（S≠0），并且均是在弱磁場(chǎng)中工作，故屬反常塞曼效應(yīng)。π成分σ成分30He4原子在穩(wěn)態(tài)下既不具有核磁矩,也不具有殼層磁矩,整個(gè)原子不顯示磁性,在外磁場(chǎng)中不產(chǎn)生塞曼能級(jí)分裂。當(dāng)把He4原子中一電子激發(fā)到亞穩(wěn)態(tài)時(shí),對(duì)正氦s=l的情況，則具有電子自旋磁矩。這時(shí)是單個(gè)電子的自旋磁矩，即原子的總磁矩μJ等于電子的總自旋磁矩μS，即μJ=μS。由于電子自旋磁矩μJ是在外磁場(chǎng)作用下,故二、氦（He4）光泵式磁敏傳感器的測(cè)磁原理γs——電子的總磁矩比頻率f與外磁場(chǎng)T成正比關(guān)系，只要測(cè)出頻率f即可求得外磁場(chǎng)T的大小。He4光泵式磁敏傳感器測(cè)磁原理公式31j=1－11－11j=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(dá)到定向排列的過程,也稱光學(xué)取向。（一）光泵作用實(shí)質(zhì)32過程：在垂直于外磁場(chǎng)方向(即垂直于光軸)加一交變的磁場(chǎng)——射頻場(chǎng)，使射頻場(chǎng)的頻率f0等于相鄰磁子能級(jí)間的躍遷頻率。根據(jù)受激躍遷原則，射頻場(chǎng)將使富集在mj=+1磁子能級(jí)上的原子，產(chǎn)生受激躍遷。首先向mj=0磁子能級(jí)上躍遷，再逐漸向mj=-1的磁子能級(jí)躍遷，使原子的分布規(guī)律服從玻爾茲曼分布規(guī)律。于是原子磁矩的定向排列被打亂，完成了磁共振的整個(gè)過程。

（二）磁共振作用用射頻場(chǎng)打亂原子磁矩定向排列的過程。332345891061放大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—λ/4；6—吸收室；7—RF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(gè)透鏡、偏振片、λ/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34靈敏度極高：可達(dá)10-15T，比靈敏度較高的光泵式磁敏傳感器要高出幾個(gè)數(shù)量級(jí)；第八節(jié)SQUID磁敏傳感器SQUID磁敏傳感器是一種新型的靈敏度極高的磁敏傳感器，是以約瑟夫遜（JosePhson）效應(yīng)為理論基礎(chǔ)，用超導(dǎo)材料制成的，在超導(dǎo)狀態(tài)下檢測(cè)外磁場(chǎng)變化的一種新型磁測(cè)裝置。特點(diǎn)頻帶寬：響應(yīng)頻率可從零響應(yīng)到幾kHz。測(cè)量范圍寬：可從零場(chǎng)測(cè)量到幾kT；35深部地球物理：用帶有SQUID磁敏傳感器的大地電磁測(cè)深儀進(jìn)行大地電磁測(cè)深，效果甚好。古地磁考古、測(cè)井、重力勘探及預(yù)報(bào)天然地震。生物醫(yī)學(xué)：應(yīng)用SQUID磁測(cè)儀器可測(cè)量心磁圖、腦磁圖等，從而出現(xiàn)了神經(jīng)磁學(xué)、腦磁學(xué)等新興學(xué)科，為醫(yī)學(xué)研究開辟了新的領(lǐng)域。固體物理、生物物理、宇宙空間：SQUID可用來測(cè)量極微弱的磁場(chǎng)，如美國(guó)國(guó)家航空宇航局用SQUID磁測(cè)儀器測(cè)量了阿波羅飛行器帶回的月球樣品的磁矩。SQUID技術(shù)還可用作電流計(jì)，電壓標(biāo)準(zhǔn)，計(jì)算機(jī)中存儲(chǔ)器，通訊電纜等；在超導(dǎo)電機(jī)、超導(dǎo)輸電、超導(dǎo)磁流體發(fā)電、超導(dǎo)磁懸浮列車等方面，均得到廣泛應(yīng)用。

應(yīng)用領(lǐng)域36超導(dǎo)電性：在某一溫度TC以下電阻值突然消失的現(xiàn)象。（a）ρT/K0T/K

ρ0ρ0Kρ0TC（b）電阻隨溫度變化曲線a、正常導(dǎo)體；b、超導(dǎo)體一、SQUID磁敏傳感器的基本原理超導(dǎo)體：具有超導(dǎo)電性的物體。臨界溫度(TC)：超導(dǎo)體從具有一定電阻值的正常態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娮柚低蝗粸榱銜r(shí)所對(duì)應(yīng)的溫度,其值一般從3.4K至18K超導(dǎo)體特性：理想導(dǎo)電性；完全逆磁性；磁通量子化。37SSNNHH（c）（b）（a）（a）T＞TcH≠0（b）T＜TCH≠0（c）T＜TCH=0理想導(dǎo)電性實(shí)驗(yàn)1、理想導(dǎo)電性——零電阻特性

若將一超導(dǎo)環(huán)置于外磁場(chǎng)中，然后使其降溫至臨界溫度以下，再撤掉外加磁場(chǎng)，此時(shí)發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)環(huán)內(nèi)有一感生電流I，超導(dǎo)環(huán)內(nèi)無電阻消耗能量，此電流將永遠(yuǎn)維持下去，因無電阻。38（a）（b）邁斯納效應(yīng)示意圖（a）正常態(tài)時(shí)，超導(dǎo)體內(nèi)部磁場(chǎng)分布（b）在超導(dǎo)態(tài)時(shí)，超導(dǎo)體內(nèi)部磁場(chǎng)分布2、完全逆磁性，邁斯納(Meissner)效應(yīng)，或排磁效應(yīng)

超導(dǎo)體不管在有無外磁場(chǎng)存在情況下，一旦進(jìn)入超導(dǎo)狀態(tài)，其內(nèi)部磁場(chǎng)均為零，即磁場(chǎng)不能進(jìn)入超導(dǎo)體內(nèi)部而具有排磁性，亦稱之為邁斯納效應(yīng)。39根據(jù)邁斯納效應(yīng)，把磁體放在超導(dǎo)盤上方，或在超導(dǎo)環(huán)上方放一超導(dǎo)球時(shí)，圖(a)中超導(dǎo)盤和磁鐵之間有排斥力，能把磁鐵浮在超導(dǎo)盤的上面；圖(b)中由于超導(dǎo)球有磁屏蔽作用，其結(jié)果可使超導(dǎo)球懸浮起來。這種現(xiàn)象稱為磁懸浮現(xiàn)象。NS

超導(dǎo)球磁導(dǎo)盤（a）（b）磁懸浮現(xiàn)象示意圖超導(dǎo)環(huán)40

假定有一中空?qǐng)A筒形超導(dǎo)體(如圖)并按下列步驟進(jìn)行：(1)常態(tài)讓磁場(chǎng)H穿過圓筒的中空部分。(2)超導(dǎo)態(tài)筒的中空部分有磁場(chǎng)。3、磁通量子化感生電流H≠0T<TC凍結(jié)磁通示意圖(3)超導(dǎo)態(tài)撤掉磁場(chǎng)H，圓筒的中空部分仍有磁場(chǎng)，并使磁場(chǎng)保持不變。稱為凍結(jié)磁通現(xiàn)象。超導(dǎo)圓筒在超導(dǎo)態(tài)時(shí)，中空部分的磁通量是量子化的，并且只能取φ0的整數(shù)倍，而不能取任何別的值。h—普郎克常數(shù)，e—電子電量，φ0—磁通量量子，磁通量自然單位中空部分通過的總磁通量41該圖是兩塊超導(dǎo)體中間隔著一厚度僅10～30?的絕緣介質(zhì)層而形成的“超導(dǎo)體—絕緣層—超導(dǎo)體”的結(jié)構(gòu)，通常稱這種結(jié)構(gòu)為超導(dǎo)隧道結(jié)，也稱約瑟夫遜結(jié)。中間的薄層區(qū)域稱為結(jié)區(qū)。這種超導(dǎo)隧道結(jié)具有特殊而有用的性質(zhì)。

超導(dǎo)電子能通過絕緣介質(zhì)層，表現(xiàn)為電流能夠無阻擋地流過，表明夾在兩超導(dǎo)體之間的絕緣層很薄且具有超導(dǎo)性。約瑟夫遜結(jié)能夠通過很小超導(dǎo)電流的現(xiàn)象，稱為超導(dǎo)隧道結(jié)的約瑟夫遜效應(yīng)，也稱直流約瑟夫遜效應(yīng)。超導(dǎo)結(jié)在直流電壓作用下可產(chǎn)生交變電流，從而輻射和吸收電磁波。這種特性稱為交流約瑟夫遜效應(yīng)。絕緣層超導(dǎo)體超導(dǎo)體超導(dǎo)結(jié)示意圖4、約瑟夫遜效應(yīng)42直流約瑟夫遜效應(yīng)表明，超導(dǎo)隧道結(jié)的介質(zhì)層具有超導(dǎo)體的一些性質(zhì)，但不能認(rèn)為它是臨界電流很小的超導(dǎo)體，它還有一般超導(dǎo)體所沒有的性質(zhì)。實(shí)驗(yàn)證明，當(dāng)結(jié)區(qū)兩端加上直流電壓時(shí)，結(jié)區(qū)會(huì)出現(xiàn)高頻的正弦電流，其頻率正比于所加的直流電壓，即

f=KV式中K=2e/h=483.61012Hz/V。根據(jù)電動(dòng)力學(xué)理論高頻電流會(huì)從結(jié)區(qū)向外輻射電磁波?？梢姡瑢?dǎo)隧道結(jié)在直流電壓作用下，產(chǎn)生交變電流，輻射和吸收電磁波，這種特性即交流約瑟夫遜效應(yīng)。43約瑟夫遜的直流效應(yīng)受著磁場(chǎng)的影響。而臨界電流IC對(duì)磁場(chǎng)亦很敏感，即隨著磁場(chǎng)的加大臨界電流IC逐漸變小，如圖。超導(dǎo)結(jié)的Ic-H曲線01234562010HФ=0Ic5、IC—H特性根據(jù)量子力學(xué)理論，超導(dǎo)結(jié)允許通過的最大超導(dǎo)電流Imax與φ的關(guān)系式φ——沿介質(zhì)層及其兩側(cè)超導(dǎo)體邊緣透入超導(dǎo)結(jié)的磁通量；φ0——磁通量子；IC(0)——沒有外磁場(chǎng)作用時(shí)，超導(dǎo)結(jié)的臨界電流。IC是的φ周期函數(shù)44超導(dǎo)結(jié)臨界電流隨外加磁場(chǎng)而周期起伏變化的原理,用于磁場(chǎng)測(cè)量。如,若在超導(dǎo)結(jié)的兩端接上電源,電壓表無顯示時(shí),電流表所顯示的電流是為超導(dǎo)電流;電壓表開始有電壓顯示時(shí),則電流表所顯示的電流為臨界電流IC,此時(shí),加入外磁場(chǎng)后,臨界電流將有周期性的起伏,且其極大值逐漸衰減,振蕩的次數(shù)n乘以磁通量子φ0,可得到透入超導(dǎo)結(jié)的磁通量φ=nφ0。而磁通量和磁場(chǎng)H成正比關(guān)系,如果能求出φ,磁場(chǎng)H即可求出。同理,若外磁場(chǎng)H有變化,則磁通量亦隨變化,在此變化過程中,臨界電流的振蕩次數(shù)n乘以φ0即得