传感器技术-磁敏传感器

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,质子旋进式磁敏传感器,光泵式磁敏传感器,SQUID超导量子干预器磁敏传感器,磁通门式磁敏传感器,感应式磁敏传感器,半导体磁敏传感器,霍尔器件、磁敏二极管、磁敏三极管、磁敏电阻,机械式磁敏传感器,光纤式磁敏传感器,磁敏传感器的种类,质子旋进式磁敏传感器是利用质子在外磁场中的旋进现象，依据磁共振原理研制成功的。,物理学已证明物质是具有磁性的。对水分子H2O而言，从其分子构造、原子排列和化学价的性质分析得知：水分子磁矩即氢质子磁矩在外磁场作用下绕外磁场旋进。,一、质子旋进式磁敏传感器的测磁原理,质子磁矩旋进,T,M,质子的旋进频率,p,为质子旋磁比；,T,为外磁场强度,f=,p,T,/2,第一节 质子旋进式磁敏传感器,从经典力学和量子力学观点,此公式的来源均能得以论证。,为便利起见，在此承受经典力学的观点，分析直角坐标系中质子磁矩的旋进状况。,设质子磁矩,M,在外磁场,T,作用下有一力矩,M,T,，于是，它和陀螺一样，其动量矩的变化率等于外加力矩，即：,动量矩变化率,磁矩三个重量,设T,z,=T(外磁场)；T,x,=0；T,y,=0,对,上式,中的第一式微分,明显，为简谐运动方程，其解为,同理,z,x,y,M,z,M,M,y,M,x,磁矩 M 旋进规律变化示意图,从上式可看出，M,z,是常数，磁矩M在,z,轴上的投影是不变的；磁矩M在x轴上的投影是按余弦规律变化的；磁矩M在y轴上的投影是按正弦规律变化的。由图看出：,磁矩M在xy平面上的投影确实定值是一个常数，并且在xy平面上旋进。,常数,综合起来看，质子磁矩M在外磁场T的作用下，绕外磁场T旋进，它的轨迹描绘出一个圆锥体，旋进的角频率为，称为拉莫尔频率Larmor frequency。,依据简谐运动方程，可得到：,即：,将此值代入上式,p=2.675130.00002S-1T-1,可见，频率f与磁场T成正比，只要能测出频率f，即可间接求出外磁场T的大小,从而到达测量外磁场的目的。,需要指出的是：这里没有考虑驰豫时间,是在假设,角不变、信号不衰减的前提下分析测磁原理的。但是，在实际工作中是有驰豫时间的，信号也是衰减的。,当被测磁场很弱时，信号幅度大大衰减。对微弱的被测磁场，用一般的核磁共振检测方法是接收不到旋进信号的。为了测得质子磁矩M绕外磁场的旋进频率 f 信号，必需实行特殊方法：,二、磁场的测量与旋进信号,在核磁共振中，共振信号的幅度与被测磁场T,3/2,成正比。,使沿外磁场方向排列的质子磁矩,在极化场的鼓励下,建立质子宏观磁矩,并使其方向于外磁场方向垂直或接近垂直,通常承受预极化方法或帮助磁场方法来建立质子宏观磁矩，以增加信号幅度。,具体作法是:用圆柱形玻璃容器装满水样品或含氢质子液体，作为灵敏元件，在容器四周绕上极化线圈和测量线圈或共用一个线圈，使线圈轴向垂直于外磁场T方向。,在垂直于外磁场方向加一极化场H该场强约为外磁场的200倍。在极化场作用下，容器内水中质子磁矩沿极化场方向排列，形成宏观磁矩，如以下图所示。,预极化法示意图,H,*,M,M,M,H,T,当质子磁矩在旋进过程中切割线圈，使线圈围绕面积中的磁通量发生变化，于是在线圈中就产生感应电动势。,当去掉极化场H，质子磁矩则以拉莫尔旋进频率绕外磁场旋进。,M,假设测出感应电压的频率，就可计算出外磁场的大小。由于极化场H大于外磁场，故此法可使信噪比增大H/T倍。设外磁场T的磁感强度为0.510-4T，极化场H的磁感强度为10010-4 T，则可使信噪比增大200倍。,=,T,t,2,t,在自由旋进的过程中，磁矩M的横向重量以t2横向弛豫时间为时间常数并随时间渐渐趋近于零；在测量线圈中所接收的感应信号，也是以t2为时间常数按指数规律衰减的。,M,衰减示意图,感应信号衰减示意图,x,y,核心：,500cc,左右有机玻璃容器,在容器外面绕以,数百匝,的导线,使,线圈,轴向与外磁场方向大致,垂直,线圈中通以,13A,的电流,而形成约,0.01T,的极化场,使水中质子磁矩指向极化场H的方向。,质子旋进式磁敏传感器,蒸馏水,T,计数器,放大器,线圈,质子旋进式磁敏传感器的组成,E,假设快速撤去极化磁场,则M的数值与方向均来不及变化,弛豫过程来不及影响M的行为,此时,质子磁矩在自旋和外磁场T的作用下以角速度绕外磁场T旋进。在旋进的过程中，周期性切割测量线圈，产生感应信号。由于弛豫过程的作用，其信号幅度Vt的大小随时间按指数规律衰减，其表示式为：,在实际工作时,线圈轴向与外磁场的夹角不正好保持,90,0,由实测得知：总磁矩量值与,sin,2,成正比例,所以,自由旋进感应信号的电压幅值和,sin,2,成比例。又考虑到旋进信号按指数规律衰减的特点,其感应信号完整表达式应为,M,0,磁化强度,假设接收线圈有W匝,所包围的面积为S,充填因子为,则,角的大小只影响质子旋进信号的振幅大小，而并不影响质子旋进频率，故在实际测量中，探头无需严格定向。=,90,0,时，信号最大。,质子旋进信号强度,t,2,横向驰豫时间；V,0,信号初始幅度。,由试验得知,对于几百cm3的样品，线圈为数百匝的传感器，在较好的状况下，质子感应信号仅为0.5 mV左右。,感应信号的衰减还和外磁场梯度的大小有关。,理论分析和试验说明：测量线圈中产生的感应信号频率即为质子磁矩的旋进频率，这和公式 是全都的。,用质子旋进式磁敏传感器测量外磁场的主要优点是：,精度高，一般在0.110nT范围内；,稳定性好因p是一常数，其值只与质子本身有关，它的值与外界温度、压力、湿度等因素均无关；,工作速度快，可直读外磁场nT 值；,确定值测量,其缺点是：,极化功率大,只能进展快速点测；受磁场梯度影响较大,1.,样品选择,假设设计的传感器系用于磁测作业，因水的纵向弛豫时间t1和横向弛豫时间t2较长，故适合地面操作。,选择样品肯定要选择水或含有质子的液体，如酒精、煤油、甘油等。几种溶液的驰豫时间t1、t2数值见表。,溶液,时间,/s,t,1,t,2,水,2.3,3,煤油,0.7,1,假设有自动化程度高的测频装置，则可选用t1、t2时间短的样品；假设在空中磁测，由于飞机航速快，选择煤油作样品则是适宜的；假设在低温地区工作，除考虑t1、t2外，还应考虑选择冰点低如甘油的样品。,三、质子旋进式磁敏传感器的设计,考虑到无磁性，价格廉价，加工便利，选择有机玻璃材料制作容器是适宜的。,2.容器的选择,3.激发与接收,据前述：极化场方向应垂直于被测磁场，极化场的大小应大于被测磁场200倍，被测磁场按0.510-4T计算，依据实践阅历，应选大于10010-4T的极化场进展激发较妥。为得到大的感应信号，接收线圈的轴向应垂直于被测磁场。必需承受预极化方式才能接收到旋进的感应信号。,由试验和理论计算结果认为；容器的直径和长之比应为l：1.21.3 的圆柱形为宜。,接收线圈的种类,:地面传感器用单线圈,空中磁测用双线圈,地震台站用环形线圈,海洋磁测用三轴式线圈。,CZM-2,型质子磁力仪,IGS-2/MP-4,质子磁力仪,四、质子旋进式磁敏传感器的应用,CZM-2型质子磁力仪,磁化,系统,选频,放大器,压控,倍频器,电子门,计数器,数字,译码显示,数字,打印输出,晶振分频及程序控制,稳压器,DC,+13V-+18V,传感器,打印指令,+10V,自校,测量,IGS-2型质子磁力仪的系统扩展及外设配置,打印机,曲线记录仪,磁带记录仪,微型计算机,调制解调器,IG2-2 控制台,磁力仪,MP-4,电磁仪,EM,甚低频仪,VLF,计算机,光泵式磁敏传感器是高灵敏度光泵磁力仪的核心部件。它是以某些元素的原子在外磁场中产生的塞曼分裂为根底，并承受光泵和磁共振技术研制成的。,其次节 光泵式磁敏传感器,磁力仪种类：按共振元素的不同,分为,氦(He)光泵磁力仪,其中又分He,3,、He,4,光泵磁力仪;,碱金属光泵磁力仪,其共振元素有铷(Rb,85,、Rb,87,)、铯(Cs,133,)、钾(K,39,)、汞(Hg)等。,灵敏度高,一般为0.01nT量级,理论灵敏度高达10-210-4nT响应频率高，可在快速变化中进展测量,可测量磁场的总向量T及其重量，并能进展连续测量,利用光泵传感器做成的测磁仪器，是目前实际生产和科学技术应用中灵敏度较高的一种磁测仪器。它同质子旋进式磁力仪相比有以下特点：,一塞曼效应,塞曼效应是指在外磁场中原子能级产生分裂的现象。,一、氦He4光泵式磁敏传感器的物理根底,x,S,S,N,v,2,v,0,v,1,O,v,2,v,0,v,1,z,y,塞曼效应：正常和反常塞曼效应,正常塞曼效应：在弱磁场中,电子自旋量子数为零时(S=0)产生的塞曼效应。,反常塞曼效应：在弱磁场中,电子自旋量子数不为零(S0)时产生的塞曼效应,光泵式磁敏传感器，不管是碱金属Cs、Rb还是He4、He3光泵传感器，电子自旋量子数均不为零S0，并且均是在弱磁场中工作，故属反常塞曼效应。,成分,成分,当原子在弱磁场H中时，总的轨道动量矩Pl和总的自旋动量矩Ps之间的“耦合”，没有被拆开，这时，原子的壳层动量矩 Pj将带着Pl和 Ps一起绕磁场H旋进。如下图。由图看出，磁场将使原子获得的附加能量为：,H,P,s,P,l,0,H,P,j,P,l,P,s,0,弱磁场中,P,j、,P,l、,P,s,的旋进,(,jH,)磁场,H,和壳层磁矩,j,之间的夹角。,二反常的塞曼效应的能级分裂,E,1,+,E,1,E,1,E,2,+,E,2,E,1,E,2,v,v,0,原子能级跃迁示意图,gE,能级的郎得因子；,f,0,拉莫尔旋进频率；,波尔磁子；,h,普朗克常数；,m,电子质量；,c,光速。,假设原子跃迁能级为E1、E2。在外磁场作用下，这两个能级各自有附加能量E1，E2。原子就在附加能量的能级上产生跃迁。如上图所示。,对外层电子只有一个在起作用，只考虑单电子的内量子数，则可导出,磁场将使原子获得的附加能量,氦原子有两个电子，两个质子和两个中子，核自旋相互抵消，核磁矩为零。在一般状况下，两个电子都处在1s轨道，布满n=l轨道，l=0，表现不出轨道磁矩；依据泡利不相容原理，两个电子的自旋也必定相反，也显示不出电子的自旋磁矩；因而氦原子在外磁场中不会产生塞曼分裂，也就无法利用He4进展光泵磁测了。,为使没有磁矩的He4产生磁矩，来测量磁场。将一电子激发到较高能级的轨道上,另一电于仍处在1s态(基态)。处在激发态的高能级上的电子,其自旋状态有两种取向：一种是和处在基态(1s)的电子的自旋方向一样,所表现的总自旋量子数S=1/2+1/2=1；另一种是相反，S=1/2-1/2=0。,三氦He4原子能级的塞曼分裂,当S=0时,由于l1=l2=0,所以J=0,即在磁场作用下,能级不发生分裂，表现为单重能级，称这种状况为仲氦。,当S=l时,由于l1=l2=0,所以J=1,在外磁场作用下,能级分裂为2J1=3个能级,能级表现为三重态,这种状况称正氦。,通过对塞曼效应的分析，可得到以下几点结论,2、磁共振的频率大小取决于相邻能级间的能量差 E，E=hv。,1、塞曼分裂后，相邻能级之间的能量差微小，要观看这样小的分裂状况，只有通过能级间受激跃迁的方法，也就是用磁共振的方法进展检测。这里所指的受激跃迁，受激能量来自光，也就是通常所说的光泵光抽运方式。,3、由于塞曼分裂后，磁子能级间能量很小，信号只有微伏量级，要观看这样小的信号，必需外加一射频场并用电子接收技术来完成。,4、在磁共振过程中，其它量子数不发生变化，而只有磁量子数在选择定则的范围内变化，光泵式磁敏传感器就是在这种状况下工作的。,He4原子在稳态下既不具有核磁矩,也不具有壳层磁矩,整个原子不显示磁性,在外磁场中不产生塞曼能级分裂。,当把He4原子中一电子激发到亚稳态时,对正氦s=l的状况,则具有电子自旋磁矩。这时是单个电子的自旋磁矩,即原子的总磁矩等于电子的总自旋磁矩,即：J=S。由于电子自旋磁矩J是在外磁场作用下,故在外磁场方向上的