傳感器技術(shù)磁敏傳感器.ppt

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第二章磁敏傳感器 第一節(jié)質(zhì)子旋進(jìn)式磁敏傳感器第二節(jié)光泵式磁敏傳感器第三節(jié)SQUID磁敏傳感器第四節(jié)磁通門式磁敏傳感器第五節(jié)感應(yīng)式磁敏傳感器第六節(jié)半導(dǎo)體磁敏傳感器第七節(jié)機(jī)械式磁敏傳感器 磁敏傳感器是對磁場參量 B H 敏感的元器件或裝置 具有把磁學(xué)物理量轉(zhuǎn)換為電信號的功能 質(zhì)子旋進(jìn)式磁敏傳感器光泵式磁敏傳感器SQUID 超導(dǎo)量子干涉器 磁敏傳感器磁通門式磁敏傳感器感應(yīng)式磁敏傳感器半導(dǎo)體磁敏傳感器霍爾器件 磁敏二極管 磁敏三極管 磁敏電阻機(jī)械式磁敏傳感器光纖式磁敏傳感器 磁敏傳感器的種類 質(zhì)子旋進(jìn)式磁敏傳感器是利用質(zhì)子在外磁場中的旋進(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 在外磁場作用下繞外磁場旋進(jìn) 一 質(zhì)子旋進(jìn)式磁敏傳感器的測磁原理 質(zhì)子磁矩旋進(jìn) T 質(zhì)子的旋進(jìn)頻率 p為質(zhì)子旋磁比 T為外磁場強(qiáng)度 f pT 2 第一節(jié)質(zhì)子旋進(jìn)式磁敏傳感器 從經(jīng)典力學(xué)和量子力學(xué)觀點(diǎn) 此公式的來源均能得以論證 為方便起見 在此采用經(jīng)典力學(xué)的觀點(diǎn) 分析直角坐標(biāo)系中質(zhì)子磁矩的旋進(jìn)情況 設(shè)質(zhì)子磁矩M在外磁場T作用下有一力矩M T 于是 它和陀螺一樣 其動(dòng)量矩的變化率等于外加力矩 即 動(dòng)量矩變化率 磁矩三個(gè)分量 設(shè)Tz T 外磁場 Tx 0 Ty 0 對上式中的第一式微分 顯然 為簡諧運(yùn)動(dòng)方程 其解為 同理 z x y Mz M My Mx 磁矩M旋進(jìn)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(gè)常數(shù) 并且在xy平面上旋進(jìn) 常數(shù) 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(jìn) 它的軌跡描繪出一個(gè)圓錐體 旋進(jìn)的角頻率為 稱為拉莫爾頻率 Larmorfrequency 根據(jù)簡諧運(yùn)動(dòng)方程 可得到 即 將此值代入上式 p 2 67513 0 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(dá)到測量外磁場的目的 需要指出的是 這里沒有考慮馳豫時(shí)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(shí)際工作中是有馳豫時(shí)間的 信號也是衰減的 當(dāng)被測磁場很弱時(shí) 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(jìn)信號的 為了測得質(zhì)子磁矩M繞外磁場的旋進(jìn)頻率f信號 必須采取特殊方法 二 磁場的測量與旋進(jìn)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 使沿外磁場方向排列的質(zhì)子磁矩 在極化場的激勵(lì)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(qiáng)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(gè)線圈 使線圈軸向垂直于外磁場T方向 在垂直于外磁場方向加一極化場H 該場強(qiáng)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 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 當(dāng)去掉極化場H 質(zhì)子磁矩則以拉莫爾旋進(jìn)頻率繞外磁場旋進(jìn) M 若測出感應(yīng)電壓的頻率 就可計(jì)算出外磁場的大小 因?yàn)闃O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(qiáng)度為0 5 10 4T 極化場H的磁感強(qiáng)度為100 10 4T 則可使信噪比增大200倍 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 在測量線圈中所接收的感應(yīng)信號 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)信號衰減示意圖 x y 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 使水中質(zhì)子磁矩指向極化場H的方向 質(zhì)子旋進(jìn)式磁敏傳感器 蒸餾水 T 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 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T的作用下以角速度 繞外磁場T旋進(jìn) 在旋進(jìn)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(shí)間按指數(shù)規(guī)律衰減 其表示式為 在實(shí)際工作時(shí) 線圈軸向與外磁場的夾角 不正好保持900 由實(shí)測得知 總磁矩量值與sin2 成正比例 所以 自由旋進(jìn)感應(yīng)信號的電壓幅值和sin2 成比例 又考慮到旋進(jìn)信號按指數(shù)規(guī)律衰減的特點(diǎn) 其感應(yīng)信號完整表達(dá)式應(yīng)為 M0 磁化強(qiáng)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(jìn)信號的振幅大小 而并不影響質(zhì)子旋進(jìn)頻率 故在實(shí)際測量中 探頭無需嚴(yán)格定向 900時(shí) 信號最大 質(zhì)子旋進(jìn)信號強(qiáng)度 t2 橫向馳豫時(shí)間 V0 信號初始幅度 由實(shí)驗(yàn)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 5mV左右 感應(yīng)信號的衰減還和外磁場梯度的大小有關(guān) 理論分析和實(shí)驗(yàn)表明 測量線圈中產(chǎn)生的感應(yīng)信號頻率即為質(zhì)子磁矩的旋進(jìn)頻率 這和公式是一致的 用質(zhì)子旋進(jìn)式磁敏傳感器測量外磁場的主要優(yōu)點(diǎn)是 精度高 一般在 0 1 10 nT范圍內(nèi) 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 可直讀外磁場nT值 絕對值測量其缺點(diǎn)是 極化功率大 只能進(jìn)行快速點(diǎn)測 受磁場梯度影響較大 1 樣品選擇 如果設(shè)計(jì)的傳感器系用于磁測作業(yè) 因水的縱向弛豫時(shí)間t1和橫向弛豫時(shí)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 幾種溶液的馳豫時(shí)間t1 t2數(shù)值見表 如果有自動(dòng)化程度高的測頻裝置 則可選用t1 t2時(shí)間短的樣品 如果在空中磁測 由于飛機(jī)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(diǎn)低 如甘油 的樣品 三 質(zhì)子旋進(jìn)式磁敏傳感器的設(shè)計(jì) 考慮到無磁性 價(jià)格便宜 加工方便 選擇有機(jī)玻璃材料制作容器是合適的 2 容器的選擇 3 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 5 10 4T計(jì)算 根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn) 應(yīng)選大于100 10 4T的極化場進(jìn)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(jìn)的感應(yīng)信號 由實(shí)驗(yàn)和理論計(jì)算結(jié)果認(rèn)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 CZM 2型質(zhì)子磁力儀IGS 2 MP 4質(zhì)子磁力儀 四 質(zhì)子旋進(jìn)式磁敏傳感器的應(yīng)用 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)光泵式磁敏傳感器 磁力儀種類 按共振元素的不同 分為氦 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 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)行測量可測量磁場的總向量T及其分量 并能進(jìn)行連續(xù)測量 利用光泵傳感器做成的測磁儀器 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儀器 它同質(zhì)子旋進(jìn)式磁力儀相比有以下特點(diǎn) 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 He4 光泵式磁敏傳感器的物理基礎(chǔ) x S S N v2 v0 v1 O v2 v0 v1 z y 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 并且均是在弱磁場中工作 故屬反常塞曼效應(yīng) 成分 成分 當(dāng)原子在弱磁場H中時(shí) 總的軌道動(dòng)量矩Pl和總的自旋動(dòng)量矩Ps之間的 耦合 沒有被拆開 這時(shí) 原子的殼層動(dòng)量矩Pj將帶著Pl和Ps一起繞磁場H旋進(jìn) 如圖所示 由圖看出 磁場將使原子獲得的附加能量為 H Ps Pl 0 H Pj Pl Ps 0 弱磁場中Pj Pl Ps的旋進(jìn) j H 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 g E能級的郎得因子 f0 拉莫爾旋進(jìn)頻率 波爾磁子 h 普朗克常數(shù) m 電子質(zhì)量 c 光速 假設(shè)原子躍遷能級為E1 E2 在外磁場作用下 這兩個(gè)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(gè)在起作用 只考慮單電子的內(nèi)量子數(shù) 則可導(dǎo)出 磁場將使原子獲得的附加能量 氦原子有兩個(gè)電子 兩個(gè)質(zhì)子和兩個(gè)中子 核自旋互相抵消 核磁矩為零 在一般情況下 兩個(gè)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 根據(jù)泡利不相容原理 兩個(gè)電子的自旋也必然相反 也顯示不出電子的自旋磁矩 因而氦原子在外磁場中不會(huì)產(chǎn)生塞曼分裂 也就無法利用He4進(jìn)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) 處在激發(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 氦 He4 原子能級的塞曼分裂 當(dāng)S 0時(shí) 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(shí) 由于l1 l2 0 所以J 1 在外磁場作用下 能級分裂為2J 1 3個(gè)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(diǎn)結(jié)論 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(jìn)行檢測 這里所指的受激躍遷 受激能量來自光 也就是通常所說的光泵 光抽運(yùn) 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 He4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(shí) 對正氦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 即原子的總磁矩等于電子的總自旋磁矩 即 J S 由于電子自旋磁矩 J是在外磁場作用下 故在外磁場方向上的投影為 二 氦 He4 光泵式磁敏傳感器的測磁原理 外磁場 弱磁場 作用在磁矩上的附加能量 s 電子的總磁矩比 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(gè)能級 兩相鄰磁子能級間的能量差為 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 f 輻射頻率 h 普郎克常數(shù) He4光泵式磁敏傳感器測磁原理公式 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) 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 用射頻場打亂原子磁矩定向排列的過程 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(shí)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(shí)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(qiáng) 稱作光強(qiáng) 亮 當(dāng)發(fā)生磁共振時(shí) 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(shí)為暗 若能測量出通過吸收室樣品光線最暗時(shí)的射頻場頻率 即求得磁共振 吸收 頻率 從吸收室光的強(qiáng)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 He4光泵式磁敏傳感器系由吸收室 氦燈 兩個(gè)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 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(shí)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 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娠蕩器提供給的射頻能量 打亂亞穩(wěn)態(tài)中某一磁子能級上原子磁矩的取問 產(chǎn)生磁共振作用 當(dāng)測出磁共振時(shí)射頻場的頻率f0 即可求出被測外磁場T的大小 由前所述 磁共振頻率f0是由光敏元件通過光線的弱或強(qiáng)的變化來檢測 即由射頻振蕩器指示出的吸收室最暗時(shí)刻相對應(yīng)的頻率 就是所要測量的共振頻率f0 四 磁共振檢測方法 大調(diào)頻法 是一種粗略地觀察與測量共振信號的方法 信號源提供振蕩頻率接近于共振頻率的電磁波 同時(shí)被一個(gè)鋸齒波所調(diào)制 輸給樣品的電磁波振蕩頻率圍繞著中心頻率有一變化范圍 大調(diào)頻法 大調(diào)場法 小調(diào)頻法 調(diào)制信號頻率為幾Hz 幾十Hz 要求 調(diào)頻幅度必須大于譜線寬度 使信號源頻率變化范圍覆蓋樣品共振區(qū) 故稱大調(diào)頻法 大調(diào)場法 在觀察塞曼分裂能級之間的共振吸收時(shí) 磁共振 也可用固定頻率的信號源 通過改變恒磁場的方法進(jìn)行 即大調(diào)場法 小調(diào)頻法 用兩個(gè)調(diào)頻信號 一個(gè)是調(diào)頻幅度小于譜線線寬 稱為小調(diào)頻 由正弦波發(fā)生器供給 其調(diào)制頻率一般為幾十Hz到幾百Hz 另一個(gè)調(diào)頻幅度大于譜線線寬 稱為慢掃頻 它由慢掃頻發(fā)生器供給 掃頻頻率與小調(diào)頻的調(diào)制頻率相等 慢掃頻使信號源的振蕩頻率緩慢通過共振區(qū) 原理 當(dāng)改變恒磁場時(shí) 塞曼能級的間距發(fā)生變化 當(dāng)磁場變化到使兩塞曼能級間的能量差滿足 E hf時(shí)發(fā)生共振 樣品吸收電磁波功率 五 氦 He4 光泵式磁敏傳感器的應(yīng)用 是一種根據(jù)小調(diào)頻法檢測磁共振的磁力儀