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第二章磁敏传感器 第一节质子旋进式磁敏传感器第二节光泵式磁敏传感器第三节SQUID磁敏传感器第四节磁通门式磁敏传感器第五节感应式磁敏传感器第六节半导体磁敏传感器第七节机械式磁敏传感器 磁敏传感器是对磁场参量 B H 敏感的元器件或装置 具有把磁学物理量转换为电信号的功能 质子旋进式磁敏传感器光泵式磁敏传感器SQUID 超导量子干涉器 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 根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 从其分子结构 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 质子的旋进频率 p为质子旋磁比 T为外磁场强度 f pT 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 为方便起见 在此采用经典力学的观点 分析直角坐标系中质子磁矩的旋进情况 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 磁矩三个分量 设Tz T 外磁场 Tx 0 Ty 0 对上式中的第一式微分 显然 为简谐运动方程 其解为 同理 z x y Mz M My Mx 磁矩M旋进规律变化示意图 从上式可看出 Mz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平面上的投影的绝对值是一个常数 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 Larmorfrequency 根据简谐运动方程 可得到 即 将此值代入上式 p 2 67513 0 00002 S 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 从而达到测量外磁场的目的 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 必须采取特殊方法 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T3 2成正比 使沿外磁场方向排列的质子磁矩 在极化场的激励下 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 通常采用预极化方法或辅助磁场方法来建立质子宏观磁矩 以增强信号幅度 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 在容器周围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 如下图所示 当质子磁矩在旋进过程中切割线圈 使线圈环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 若测出感应电压的频率 就可计算出外磁场的大小 因为极化场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 5 10 4T 极化场H的磁感强度为100 10 4T 则可使信噪比增大200倍 在自由旋进的过程中 磁矩M的横向分量以t2 横向弛豫时间 为时间常数并随时间逐渐趋近于零 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1 3A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 线圈 质子旋进式磁敏传感器的组成 E 若迅速撤去极化磁场 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900 由实测得知 总磁矩量值与sin2 成正比例 所以 自由旋进感应信号的电压幅值和sin2 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 M0 磁化强度 如果接收线圈有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 900时 信号最大 质子旋进信号强度 t2 横向驰豫时间 V0 信号初始幅度 由实验得知 对于几百cm3的样品 线圈为数百匝的传感器 在较好的情况下 质子感应信号仅为0 5mV左右 感应信号的衰减还和外磁场梯度的大小有关 理论分析和实验表明 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 这和公式是一致的 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 1 10 nT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 绝对值测量其缺点是 极化功率大 只能进行快速点测 受磁场梯度影响较大 1 样品选择 如果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 选择样品一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 如果有自动化程度高的测频装置 则可选用t1 t2时间短的样品 如果在空中磁测 由于飞机航速快 选择煤油作样品则是合适的 如果在低温地区工作 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 价格便宜 加工方便 选择有机玻璃材料制作容器是合适的 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 5 10 4T计算 根据实践经验 应选大于100 10 4T的极化场进行激发较妥 为得到大的感应信号 接收线圈的轴向应垂直于被测磁场 必须采用预极化方式才能接收到旋进的感应信号 由实验和理论计算结果认为 容器的直径和长之比应为l 1 2 1 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 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基础 并采用光泵和磁共振技术研制成的 第二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He3 He4光泵磁力仪 碱金属光泵磁力仪 其共振元素有铷 Rb85 Rb87 铯 Cs133 钾 K39 汞 Hg 等 灵敏度高 一般为0 01nT量级 理论灵敏度高达10 2 10 4nT响应频率高 可在快速变化中进行测量可测量磁场的总向量T及其分量 并能进行连续测量 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基础 x S S N v2 v0 v1 O v2 v0 v1 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 S 0 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 S 0 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 如图所示 由图看出 磁场将使原子获得的附加能量为 H Ps Pl 0 H Pj Pl Ps 0 弱磁场中Pj Pl Ps的旋进 j H 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 g E能级的郎得因子 f0 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 核自旋互相抵消 核磁矩为零 在一般情况下 两个电子都处在1s轨道 充满n l轨道 l 0 表现不出轨道磁矩 根据泡利不相容原理 两个电子的自旋也必然相反 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进行光泵磁测了 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 的电子的自旋方向相同 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 称这种情况为仲氦 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2J 1 3个能级 能级表现为三重态 这种情况称正氦 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极小 要观察这样小的分裂情况 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行检测 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 要观察这样小的信号 必须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情况下工作的 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的情况 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投影为 二 氦 He4 光泵式磁敏传感器的测磁原理 外磁场 弱磁场 作用在磁矩上的附加能量 s 电子的总磁矩比 在亚稳态 23s1 中 J 1 mj 0 1 对J 1的亚稳态在外磁场中分裂为三个能级 两相邻磁子能级间的能量差为 跃迁过程中辐射的光子能量恰好等于两相邻能级间的能量差 即 由上式可看出 频率f与外磁场T成正比关系 只要测出频率f即可求得外磁场T的大小 f 辐射频率 h 普郎克常数 He4光泵式磁敏传感器测磁原理公式 利用光使原子磁矩达到定向排列的过程 也称光学取向 一 光泵作用 实质 过程 在垂直于外磁场方向 即垂直于光轴 加一交变的磁场 射频场 使射频场的频率f0等于相邻磁子能级间的跃迁频率 根据受激跃迁原则 射频场将使富集在mj 1磁子能级上的原子 产生受激跃迁 首先向mj 0磁子能级上跃迁 再逐渐向mj 1的磁子能级跃迁 使原子的分布规律服从玻尔兹曼分布规律 于是原子磁矩的定向排列被打乱 完成了磁共振的整个过程 二 磁共振作用 用射频场打乱原子磁矩定向排列的过程 在原子磁矩取向前 吸收室中大量亚稳态正氦原子吸收由氦灯射来的D线 原子通过光泵作用将原子磁矩定向排列到某一能级上去 这时透过吸收室的光线相对较少 称作光弱 暗 当原子磁矩取向时刻 吸收室内的原子磁矩已排列好 不再吸收D线 而透过吸收室的光相对变强 称作光强 亮 当发生磁共振时 即原子磁矩取向被打乱 吸收D线产生光泵作用而重新取向 此时为暗 若能测量出通过吸收室样品光线最暗时的射频场频率 即求得磁共振 吸收 频率 从吸收室光的强或弱 即从光学检测 的角度出发 分析光泵作用和磁共振作用的全过程 He4光泵式磁敏传感器系由吸收室 氦灯 两个透镜 偏振片 4 光敏元件等元器件组成 三 光泵式磁敏传感器的组成及工作原理 首先将测磁传感器置于被测外磁场中 并使传感器的轴向与外磁场方向平行 其后将高频激发振荡器打开 激发氦灯使发出D线 激发He4吸收室使其处于亚稳状态 这时灯发出的D线经过透镜将D线变成平行光 再经偏振片和 4变成圆周极化光 直射至吸收室中的亚稳态正氦上 正氦在外磁场作用下产生塞曼分裂 塞曼能级2s态原子吸收D线 跃迁到2P态而产生光泵作用 He4光泵式磁敏传感器的工作原理 光泵作用结果使原于磁矩取向于2s态某一磁子能级上 然后由RF娠荡器提供给的射频能量 打乱亚稳态中某一磁子能级上原子磁矩的取问 产生磁共振作用 当测出磁共振时射频场的频率f0 即可求出被测外磁场T的大小 由前所述 磁共振频率f0是由光敏元件通过光线的弱或强的变化来检测 即由射频振荡器指示出的吸收室最暗时刻相对应的频率 就是所要测量的共振频率f0 四 磁共振检测方法 大调频法 是一种粗略地观察与测量共振信号的方法 信号源提供振荡频率接近于共振频率的电磁波 同时被一个锯齿波所调制 输给样品的电磁波振荡频率围绕着中心频率有一变化范围 大调频法 大调场法 小调频法 调制信号频率为几Hz 几十Hz 要求 调频幅度必须大于谱线宽度 使信号源频率变化范围覆盖样品共振区 故称大调频法 大调场法 在观察塞曼分裂能级之间的共振吸收时 磁共振 也可用固定频率的信号源 通过改变恒磁场的方法进行 即大调场法 小调频法 用两个调频信号 一个是调频幅度小于谱线线宽 称为小调频 由正弦波发生器供给 其调制频率一般为几十Hz到几百Hz 另一个调频幅度大于谱线线宽 称为慢扫频 它由慢扫频发生器供给 扫频频率与小调频的调制频率相等 慢扫频使信号源的振荡频率缓慢通过共振区 原理 当改变恒磁场时 塞曼能级的间距发生变化 当磁场变化到使两塞曼能级间的能量差满足 E hf时发生共振 样品吸收电磁波功率 五 氦 He4 光泵式磁敏传感器的应用 是一种根据小调频法检测磁共振的磁力仪