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文档简介
1、常用磁性丈量仪器I共 55 页 磁性信号的产生与检测 磁性信号的丈量仪器I 电磁感应原理磁性信号的产生与检测 磁性信号及其产生方式 磁场的产生方法 磁性信号的采集方法 磁性信号的处置内容信号1磁性信号的定义 磁学 一切的物质都具有某种磁性 磁性信号 仅限于物质的磁性 有时需求人为产生磁性信号信号2磁性信号确实认 带有磁性信号的物体穿过由导线构成的回路时,将有感生电动势产生。在闭合回路中产生感生电流。 带有磁性信号的物体在非均匀磁场中将遭到力的作用。信号3SL SBLEBddtdddtdzyxHVMFS,0磁性信号的产生方法信号4含有剩磁的物体 单畴磁性颗粒单个 已充磁的永磁资料 经特殊加工工艺
2、处置的物体在磁场中的物体 任何处于磁场中的物体磁场的产生磁场 磁场强度分布10-1610-1310-1010-410-310-210-11001011021038x10-148x10-118x10-88x10-28x10-18x1008x1018x1028x1038x1048x105(Tesla)(kA/m) 生物磁场天体磁场地磁场永磁体电磁铁亥姆霍兹线圈超导磁体脉冲磁场磁性信号的检测目的信号5根本粒子的磁矩单原子、单分子的磁矩原子团、聚合物的磁性大块资料: (比)(饱和)磁矩(磁化强度、磁感应强度)、 (内禀)矫顽力、居里温度、(最大)磁能积、 磁化率、磁导率、磁畴、磁各向异性、 磁致伸缩,
3、等等。磁性信号的检测内容 磁性分类 详细的物质具有何种磁性 磁性的变化规律 环境温度、压力、气氛 外加电、磁场 时间信号7磁性信号的丈量仪器信号8中子散射安装、磁力显微镜磁磁作用盘旋共振、自旋共振(铁磁共振仪、亚铁磁共振仪、反铁磁共振仪、电子自旋共振仪、核磁共振仪、Mssbauer 谱仪)共振效应磁光效应磁力效应冲击法振动样品磁强计VSM提拉样品磁强计ESM超导量子(SQUID)磁强计电磁感应Faraday效应Kerr效应、Faraday效应磁圆线振二向色谱仪磁转矩仪、磁天平交变梯度磁强计AGFM电 磁 感 应 原 理Faraday Law ofElectromagnetic Inductio
4、n电 磁 感 应 原 理面积A磁通量0 DtBE0 Bt DjH0SLSBLEBddtddtddSBdS电磁感应1电 磁 感 应 原 理磁通量SBdS电磁感应2必需明确的几个问题自在空间的稳态磁通可以直接丈量磁通计样品内部的稳态磁通无法直接丈量 ?变化的磁通可以直接丈量如何产生变化的磁通如何丈量变化的磁通电 磁 感 应 原 理电磁感应3t0t1(t)t冲 击 法磁 强 计 法电 动 法感应丈量发电机法电 子 积 分 器、数 字 积 分 器各种自动直流磁性丈量仪器冲 击 法Ballistic Galvanometer冲击检流计冲 击 法冲击法1最具原理性的磁性丈量方法ANiBwdtddtdJ02
5、2J为转动惯量,为偏转角, 为阻尼系数w为改动系数,B0为磁感应强度,A和N为面积和匝数,i为瞬时电流H线圈B线圈样品冲击检流计冲 击 法冲击法2应尽量满足的条件灵敏度脉冲电流终了之后,电流计线圈开场转动: 电流计线圈的转动惯量越大,越满足此条件。检流计处于临界阻尼形状; 检流计比较慢地到达最大读数,很快降为零。被测磁通应尽量为瞬时变化: 非瞬时变化引入很大的误差。线圈的自在振荡周期要远大于磁通变化的时间 普通在10倍以上。需求测定冲击检流计的冲击常数C 运用互感系数M知的互感线圈。冲 击 法冲击法3冲击法的优点 1、可以开路、闭路丈量; 2、仪器设备简单。闭路:磁路闭合开路:磁路不闭合NS冲
6、击法的缺陷 1、积分式数据采集:零漂移; 2、要求使器具有特定外形的样品; 3、灵敏度较低。等截面积常数冲击法的运用 教学演示实验:电磁感应定律 工业:发电机 工业:磁体的磁性能丈量迴线仪:永磁资料的永磁性能检测美国KJS公司中国计量科学研讨院德国MagnetPhysik公司NIM2000系列Permagraph系列HG500振动样品磁强计Vibrating Sample Magnetometer(VSM)VSM的设计理念 为什么要振动样品? 为什么要运用双线圈?四线圈? 为什么要调理鞍区? 为什么要定标磁矩?VSM的作业标题振 动 样 品 磁 强 计VSM1XYZr检测线圈rrrMrMrHm
7、m53)(341)(SSSdrHSdB)( 0样品磁偶极子磁偶极子的方向:?为什么要振动样品?振 动 样 品 磁 强 计VSM2VSM几个关键的问题 样品必需处于均匀磁场中:均匀区 我们只能检测感应电动势:检测线圈 怎样得到磁偶极子:样品、驱动方式 样品线圈振幅频率振 动 样 品 磁 强 计VSM3磁场均匀区螺线管d圆柱极头电磁铁圆台极头电磁铁无限长螺线管亥姆霍兹线圈超导磁体均匀区较大磁场强度能够较低均匀区较小磁场强度能够很高振 动 样 品 磁 强 计VSM4检测线圈感应电动势Zaf()tjae()( )j tj tr traekxykzeij设线圈面积为S,匝数为N01( , )( )NSi
8、H r ttdStt 感应电动势( , )( , )( )H r tH r trrH rtrtt 只需z方向分量振 动 样 品 磁 强 计VSM5检测线圈感应电动势磁矩两个关于线圈的假设:永远适用检测线圈位置固定;样品沿固定方向X或者Y磁化。式中,)(5rxzrfZ为检测线圈位置函数感应电动势磁矩驱动方式线圈位置的关系如下:NiStjZtjZmeaZrfaerfSdMt1220.)()(43)(感应电动势电压有效值振 动 样 品 磁 强 计VSM6检测磁矩的最终表达式必需满足的条件:确保永远适用检测线圈尺寸、位置固定;样品沿固定方向X或者Y磁化;样品尺寸与线圈位置:满足磁偶极子条件有足够大的“
9、鞍点区tEtmcos)(mxkMV 振 动 样 品 磁 强 计VSM7串联反接检测线圈5)(rxzrfZ检测线圈位置函数定义:空间位置函数fZ(r)中各频率成份中与位置有关的函数, 为该频率成份的线圈几何因子KF。基频的线圈几何因子KF1:427225cos)cos51 (sin)5()(),(1rrzrxrxzrfrKZF为什么要运用双线圈?振 动 样 品 磁 强 计VSM8串联反接检测线圈42cos)cos51 (sin)(rrfZ基频的奉献:r12+ZXCoil 1Coil 2D线圈直径:D样品_线圈:rx当r2 5D2时,在 x 处,KF1为正即6326 11634在 x 处,KF1为
10、负即24326 29634为什么要运用双线圈?振 动 样 品 磁 强 计VSM9串联反接检测线圈5cos) 3cos7(cossin5)(rrfzZ二次谐波2的奉献:r+ZX对于满足基频线圈几何因子所确定的串联反接双线圈,二次谐波在该线圈对中的感应电动势等于零。49613054为什么要运用双线圈?不用线圈如何? 运用磁场自在空间磁通传感器? 完全可以! 必需处理的问题: 可以扣除磁化磁场等杂散磁场的影响 必需可以即时呼应磁通的变化 必需可以对磁矩进展定标 必需有满足丈量要求的灵敏度为什么运用四线圈?鞍区磁场灵敏度ZX为什么要运用四线圈?基于电磁铁的VSM:高磁场使得极头间距变小,导致鞍区减少减
11、小线圈之间的间隔可以提高灵敏度,但鞍区减少四线圈可以使得鞍区扩展,但降低了灵敏度振 动 样 品 磁 强 计VSM10“鞍点区定义:对串联反接线圈,在样品所处磁场区的中心位置附近, 线圈中的感应电动势对样档次置不敏感的区域。磁化方向振动方向横向方向0间隔“鞍点区的意义样品的安装位置调理为什么要调理鞍区?什么时候需求调理鞍区?!任何时候!除了丈量进展之中 磁矩定标时; 开场丈量样品前定义:对串联反接线圈,在样品所处磁场区的中心位置附近, 线圈中的感应电动势对样档次置不敏感的区域。为什么要调理鞍区?什么时候可以不用调理鞍区:样品处于位置不敏感区!振 动 样 品 磁 强 计VSM11磁矩的定标mxkM
12、V 电压有效值与磁矩的关系:规范样品比磁化强度:Standard;质量:mStandard待测样品比磁化强度:Sample;质量:mSampledardStandardtanSdardtanSSampleSampleSamplemVkmV为什么要定标磁矩?振 动 样 品 磁 强 计VSM12振动样品磁强计的开展历史前提:满足磁偶极子的条件NiStjZtjZmeaZrfaerfSdMt1220.)()(43)(驱动:频率、振幅稳定 远离市电频率及其谐波丈量:检测交流电压非积分式振 动 样 品 磁 强 计VSM13振动样品磁强计的开展历史1956, G. W. van Oosterhout, Ap
13、pl. Sci. Res., B6, 101-104 (1956)1956, S. Foner, Rev. Sci. Instrum., 27, 548 (1956)1959, S. Foner, Rev. Sci. Instrum., 30, 548-557 (1959)1975, 被IEC(国际电工委员会)引荐为丈量铁氧体资料 饱和磁化强度的规范方法之一1960s,锁相放大技术(1930s)的运用1980s,自动控制技术的广泛运用振 动 样 品 磁 强 计VSM14振动样品磁强计的开展历史相敏检波器锁相放大器 磁 强 计 振 动 源 锁相放大器 电磁铁电源数据获得单元 计 算 机振动头样品
14、杆 样品探测线圈电磁铁霍尔探头XY记录仪电子计算机振 动 样 品 磁 强 计VSM15振动样品磁强计的制造商仅供参考美国ADE Technologies, Inc. (DMS)美国Lake Shore Cryotronics, (EG&G)美国LDJ Electronics, Inc.美国Quantum Design Co. (Oxford)中国科学院物理研讨所吉林大学物理系南京大学物理系振 动 样 品 磁 强 计VSM16振动样品磁强计的分类:一具 体 类 型样 品 尺 寸大小振 动 方 向通常与磁场平行通常与磁场垂直样 品 振 幅大小(微振动)感应电动势 磁通变化d/dt 磁矩mP
15、PMS的VSM常规基于电磁铁的VSM振 动 样 品 磁 强 计VSM17振动样品磁强计的分类:二具 体 类 型磁场来源亥姆霍兹线圈电磁铁超导磁体永磁体温度范围室 温/低 温/高 温振动方式机械驱动/电磁驱动静电驱动平行磁场检测线圈双线圈/四线圈信号采集相敏检波/锁相放大控制方式电子计算机单片机人工存储处理电子计算机记录仪振 动 样 品 磁 强 计VSM18VSM的优点 1、非积分式同步采集,无零漂移; 2、原理简单,运用方便,适用面广; 3、单点丈量所需时间短; 4、灵敏度较高。VSM的缺陷 1、只能开路丈量退磁修正; 2、样品大小、位置影响丈量结果。振 动 样 品 磁 强 计VSM19相关参
16、考文献G. W. van Oosterhout, Appl. Sci. Res., B6, 101-104 (1956)S. Foner, Rev. Sci. Instrum., 27, 548 (1956)S. Foner, Rev. Sci. Instrum., 30, 548-557 (1959)S. Foner, Rev. Sci. Instrum., 45, 1181 (1974)S. Foner, Rev. Sci. Instrum., 46, 1425 (1975)A. Zieba and S. Foner, Rev. Sci. Instrum., 53, 1344 (1982)
17、S. Foner, J. Appl. Phys., 38, 1510 (1967)S. Foner, J. Appl. Phys., 79, 4740 (2019)基于电磁铁的VSM的问题VSM20镜像效应Image Effect当磁场高于某一值纯铁极头为2.0 T时,磁化曲线忽然下降。HM来源:1、极头磁化饱和所致。2、线圈与极头的几何位置有关Hall磁强计线圈信号样品信号电磁铁的镜像信号处理方法:1、不用极头;2、线圈远离极头;3、修正磁矩定标能否受影响?VSM的灵敏度VSM21灵敏度:取决于最小量程普通来说,厂家给出的灵敏度无法在实践中到达。?影响信号检测的要素:1、仪器本身的计量性能;
18、2、样品架的本底信号mxkMV 尽量减小样品杆的信号xdVdt尽量使样品杆质量均匀超导量子磁强计Superconducting Quantum Interference Device Magnetometer(SQUID Magnetometer)超 导 量 子 磁 强 计详见本系列的 灵敏度高:优于VSM和ESM; 单点丈量时间较长:已得到改善; 运用液氦:SQUID放大器; 超导磁体中有剩余磁场: Magnet Reset、Quench Magnet电磁感应原理:总结利用电磁感应原理的磁强计的功能磁矩或者磁化强度的丈量磁矩的磁场依赖关系: 初始磁化曲线、磁滞迴线磁矩的温度依赖关系: 热磁曲线磁矩的时间、频率依赖关系: 磁粘滞、损耗电磁感应原理本卷须知SBdS一、样品挪动线圈固定的仪器设备振动样品磁强计;超导量子磁强计提拉样品磁强计ACMS/PPMS样品松动;样品杆或者样品室内残留磁性杂质的影响:数 据 点 无 规 跳 动。BB样品B杂质TMTM前提!电磁感应原理本卷须知SBdS二、样品杆与样品的安装基于电磁铁的振动样品磁强计运用 磁性信号 较弱 的样品
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