第二章 磁敏传感器.ppt

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1、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,φ)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

2、。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TαM质子的旋进频率γp为质子旋磁比；T为外磁场强度f=γpT/2π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)

3、；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αzxyMzM┴MyMx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ω，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γp=（2.67513±0.000

4、02）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α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

5、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。预极化法示意图H*MMMHTθ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

6、。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。υω=γTt2t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xy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

7、,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ω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θ不正好保持900,由实测得知：总磁矩量值与sin2θ成正比例,所以,自由旋进感应信号的电压幅值和sin2θ成比例。又考虑到旋进信号按指数规律衰减的特点,

8、其感应信号完整表达式应为M0—磁化强度