第四章磁传感器

第四章磁传感器1第1页，共44页，2023年，2月20日，星期三一、感应式磁敏传感器的物理基础法拉第电磁感应定律对于带有磁芯导磁率为μ的螺线管线圈，其感应电动势e(t)为：被测磁场的变化率可由线圈的感应电动势所反映。2第2页，共44页，2023年，2月20日，星期三××××××××××××××××屏蔽铜箔铝管铝盖输出线圈长螺旋管式传感器构成示意图磁芯感应式磁传感器通常由线圈和放大器两部分组成。线圈中包括绕组和磁芯两部分。磁芯通常采用高导磁率的磁性材料做成。3第3页，共44页，2023年，2月20日，星期三二、感应式磁敏传感器的设计考虑因素：★要有一定的灵敏度，体积不宜过大。★噪音要尽量低，这里包括热噪音、温差电势、潮湿和接触污染等引起的噪音；线圈内阻要小；线圈避免用普通焊锡接头；信号线要双层屏蔽，且不能镀锡；要求严格密封。★要有完善的电屏蔽。★要尽量降低磁芯的损耗，尤其是要降低涡流损耗。因此各片磁芯间要求严格绝缘。★磁芯的抗震性和温度稳定性要好。4第4页，共44页，2023年，2月20日，星期三

1、灵敏度为了获得最大灵敏度，就必须使乘积NSμ为最大。初始灵敏度为了获得最大信号，必须使接入放大器输入电路之前的线圈本身具有较高的灵敏度，即能感应出较高的电动势。这种灵敏度也称为初始灵敏度σ。根据法拉第电磁感应定律，感应电动势

5第5页，共44页，2023年，2月20日，星期三2、信噪比主要考虑线圈电阻和匝数等参数的选择。假设磁场的频谱密度为δH、频带宽度为△F，则线圈的感应信号，而根据热力学定律，噪声为

式中，K—为波兹曼常数；T—为绝对温度则信噪比6第6页，共44页，2023年，2月20日，星期三3、磁芯材料7第7页，共44页，2023年，2月20日，星期三三、测试与标定8第8页，共44页，2023年，2月20日，星期三感应式磁敏传感器的应用

9第9页，共44页，2023年，2月20日，星期三

磁通门式磁敏传感器又称为磁饱和式磁敏传感器。

利用某些高导磁率的软磁性材料（如坡莫合金）作磁芯，以其在交变磁场作用下的磁饱和特性及法拉第电磁感应原理研制成的测磁装置。第五节磁通门式磁敏传感器最大特点：适合在零磁场附近工作的弱磁场进行测量。传感器可作成体积小，重量轻、功耗低，既可测纵向向量T、垂直向量Z，也可测ΔT、ΔZ，不受磁场梯度影响，测量的灵敏度可达0.01nT，且可和磁秤混合使用组成磁测仪器。应用：航空、地面、测井等方面的磁法勘探，在军事上，也可用于寻找地下武器（炮弹、地雷等）和反潜。还可用于预报天然地震及空间磁测等。10第10页，共44页，2023年，2月20日，星期三一、磁通门式磁敏传感器的物理基础磁饱和现象饱和磁感应强度Bs饱和磁场强度Hs

（一）磁滞回线和磁饱和现象BAHsHcFBr-HcE-BrDC静态磁滞回线示意图BsHOB磁滞现象：磁感应强度的变化滞后于磁场H的变化最大剩磁BrBr,Bs，Hs及矫顽力Hc是磁性材料的四个重要参数。磁通门传感器使用软磁性材料。动态导磁率11第11页，共44页，2023年，2月20日，星期三定义：物体在磁场中被磁化后，在磁化方向上会产生伸长或缩短现象。几种磁性材料的伸缩系数3020100-10-20-30Δl/lFeCoNi010203040

H/10-4T45坡莫合金（二）磁致伸缩现象饱和磁致伸缩系数12第12页，共44页，2023年，2月20日，星期三内容：不论何种原因使通过一回路所包围面积内的磁通量φ发生变化时，回路上产生的感应电动势E与磁通随时间t的变化率的负值成正比。（三）法拉第电磁感应定律式中k——比例系数。13第13页，共44页，2023年，2月20日，星期三从这几种磁芯的性能来说，以圆形较好，跑道形次之。在磁场的分量测量中，用跑道形磁芯较多。磁通门传感器的磁芯几何形状二、磁通门式磁敏传感器的二次谐波法测磁原理14第14页，共44页，2023年，2月20日，星期三1.长轴状跑道形磁芯跑道型磁芯机构示意图1—灵敏元件架；2—初级线圈3—输出线圈；4—坡莫合金环

如图所示，一般沿长轴方向的尺寸远大于短轴方向的尺寸，故当沿长轴方向磁化时，要比沿短轴方向磁化时的退磁作用及退磁系数小得多。这样，就可以认为跑道形磁芯仅被沿长轴方向的磁场所磁化。在实践中，也仅测量沿长轴方向的磁场分量。

H1=2HmsinωtH2=-2Hmsinωt41LS2ff2L1L2315第15页，共44页，2023年，2月20日，星期三由分段函数组式可知，Es是一奇函数。富氏分解中的余弦项的系数an=0，a2=0。可计算出富氏分解中正弦项的系数b2，进而得出总感应电压表达式：2.富氏分解法这就是测量线圈中感应电压信号二次谐波的完整表达式。由此可得出如下结论：16第16页，共44页，2023年，2月20日，星期三

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

αM

质子的旋进频率γp

为质子旋磁比；T为外磁场强度f=γpT

/2π第六节

质子旋进式磁敏传感器17第17页，共44页，2023年，2月20日，星期三当被测磁场很弱时，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。18第18页，共44页，2023年，2月20日，星期三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。19第19页，共44页，2023年，2月20日，星期三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，因此,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xy20第20页，共44页，2023年，2月20日，星期三核心：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：21第21页，共44页，2023年，2月20日，星期三主要优点：◆精度高，一般在（0.1~10）nT范围内；◆稳定性好（因γp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22第22页，共44页，2023年，2月20日，星期三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。第七节

光泵式磁敏传感器磁力仪种类：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：23第23页，共44页，2023年，2月20日，星期三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xSSNv2v0v1Ov2v0v1zy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。π成分σ成分24第24页，共44页，2023年，2月20日，星期三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μJ等于电子的总自旋磁矩μS，即μJ=μS。由于电子自旋磁矩μJ是在外磁场作用下,故二、氦（He4）光泵式磁敏传感器的测磁原理γs——电子的总磁矩比频率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。He4光泵式磁敏传感器测磁原理公式25第25页，共44页，2023年，2月20日，星期三j=1－11－11j=1D123S122P1D1线作用下He4亚稳态原子的光泵作用示意图00mj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26第26页，共44页，2023年，2月20日，星期三过程：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。27第27页，共44页，2023年，2月20日，星期三2345891061放大He4光泵式磁敏传感器的组成框图1—高频激发振荡器；2—氦灯；3—透镜1；4—偏振偏；5—λ/4；6—吸收室；7—RF振荡器；8—射频线圈；9—透镜2；10—光敏元件7He4光泵式磁敏传感器系由吸收室、氦灯、两个透镜、偏振片、λ/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28第28页，共44页，2023年，2月20日，星期三灵敏度极高：可达10-15T，比灵敏度较高的光泵式磁敏传感器要高出几个数量级；第八节SQUID磁敏传感器SQUID磁敏传感器是一种新型的灵敏度极高的磁敏传感器，是以约瑟夫逊（JosePhson）效应为理论基础，用超导材料制成的，在超导状态下检测外磁场变化的一种新型磁测装置。特点频带宽：响应频率可从零响应到几kHz。测量范围宽：可从零场测量到几kT；29第29页，共44页，2023年，2月20日，星期三深部地球物理：用带有SQUID磁敏传感器的大地电磁测深仪进行大地电磁测深，效果甚好。古地磁考古、测井、重力勘探及预报天然地震。生物医学：应用SQUID磁测仪器可测量心磁图、脑磁图等，从而出现了神经磁学、脑磁学等新兴学科，为医学研究开辟了新的领域。固体物理、生物物理、宇宙空间：SQUID可用来测量极微弱的磁场，如美国国家航空宇航局用SQUID磁测仪器测量了阿波罗飞行器带回的月球样品的磁矩。SQUID技术还可用作电流计，电压标准，计算机中存储器，通讯电缆等；在超导电机、超导输电、超导磁流体发电、超导磁悬浮列车等方面，均得到广泛应用。

应用领域30第30页，共44页，2023年，2月20日，星期三超导电性：在某一温度TC以下电阻值突然消失的现象。（a）ρT/K0T/K

ρ0ρ0Kρ0TC（b）电阻随温度变化曲线a、正常导体；b、超导体一、SQUID磁敏传感器的基本原理超导体：具有超导电性的物体。临界温度(TC)：超导体从具有一定电阻值的正常态转变为电阻值突然为零时所对应的温度,其值一般从3.4K至18K超导体特性：理想导电性；完全逆磁性；磁通量子化。31第31页，共44页，2023年，2月20日，星期三SSNNHH（c）（b）（a）（a）T＞TcH≠0（b）T＜TCH≠0（c）T＜TCH=0理想导电性实验1、理想导电性——零电阻特性

若将一超导环置于外磁场中，然后使其降温至临界温度以下，再撤掉外加磁场，此时发现超导环内有一感生电流I，超导环内无电阻消耗能量，此电流将永远维持下去，因无电阻。32第32页，共44页，2023年，2月20日，星期三（a）（b）迈斯纳效应示意图（a）正常态时，超导体内部磁场分布（b）在超导态时，超导体内部磁场分布2、完全逆磁性，迈斯纳(Meissner)效应，或排磁效应

超导体不管在有无外磁场存在情况下，一旦进入超导状态，其内部磁场均为零，即磁场不能进入超导体内部而具有排磁性，亦称之为迈斯纳效应。33第33页，共44页，2023年，2月20日，星期三根据迈斯纳效应，把磁体放在超导盘上方，或在超导环上方放一超导球时，图(a)中超导盘和磁铁之间有排斥力，能把磁铁浮在超导盘的上面；图(b)中由于超导球有磁屏蔽作用，其结果可使超导球悬浮起来。这种现象称为磁悬浮现象。

NS

超导球磁导盘（a）（b）磁悬浮现象示意图超导环34第34页，共44页，2023年，2月20日，星期三

假定有一中空圆筒形超导体(如图)并按下列步骤进行：(1)常态让磁场H穿过圆筒的中空部分。(2)超导态筒的中空部分有磁场。3、磁通量子化感生电流H≠0T<TC冻结磁通示意图(3)超导态撤掉磁场H，圆筒的中空部分仍有磁场，并使磁场保持不变。称为冻结磁通现象。超导圆筒在超导态时，中空部分的磁通量是量子化的，并且只能取φ0的整数倍，而不能取任何别的值。h—普郎克常数，e—电子电量，φ0—磁通量量子，磁通量自然单位中空部分通过的总磁通量35第35页，共44页，2023年，2月20日，星期三该图是两块超导体中间隔着一厚度仅10～30Å的绝缘介质层而形成的“超导体—绝缘层—超导体”的结构，通常称这种结构为超导隧道结，也称约瑟夫逊结。中间的薄层区域称为结区。这种超导隧道结具有特殊而有用的性质。

超导电子能通过绝缘介质层，表现为电流能够无阻挡地流过，表明夹在两超导体之间的绝缘层很薄且具有超导性。约瑟夫逊结能够通过很小超导电流的现象，称为超导隧道结的约瑟夫逊效应，也称直流约瑟夫逊效应。超导结在直流电压作用下可产生交变电流，从而辐射和吸收电磁波。这种特性称为交流约瑟夫逊效应。绝缘层超导体超导体超导结示意图4、约瑟夫逊效应36第36页，共44页，2023年，2月20日，星期三直流约瑟夫逊效应表明，超导隧道结的介质层具有超导体的一些性质，但不能认为它是临界电流很小的超导体，它还有一般超导体所没有的性质。实验证明，当结区两端加上直流电压时，结区会出现高频的正弦电流，其频率正比于所加的直流电压，即

f=KV式中K=2e/h=483.61012Hz/V。根据电动力学理论高频电流会从结区向外辐射电磁波。可见，超导隧道结在直流电压作用下，产生交变电流，辐射和吸收电磁波，这种特性即交流约瑟夫逊效应。37第37页，共44页，2023年，2月20日，星期三约瑟夫逊的直流效应受着磁场的影响。而临界电流IC对磁场亦很敏感，即随着磁场的加大临界电流IC逐渐变小，如图。超导结的Ic-H曲线01234562010HФ=0Ic5、IC—H

特性根据量子力学理论，超导结允许通过的最大超导电流Imax与φ的关系式φ——沿介质层及其两侧超导体边缘透入超导结的磁通量；φ0——磁通量子；IC(0)——没有外磁场作用时，超导结的临界电流。IC是的φ周期函数38第38页，共44页，2023年，2月20日，星期三超导结临界电流随外加磁场而周期起伏变化的原理,用于磁场测量。如,若在超导结的两端接上电源,电压表无显示时,电流表所显示的电流是为超导电流;电压表开始有电压显示时,则电流表所显示的电流为临界电流IC,此时,加入外磁场后,临界电流将有周期性的起伏,且其极大值逐渐衰减,振荡的次数n乘以磁通量子φ0,可得到透入超导结的磁通量φ=nφ0。而磁通量和磁场H成正比关系,如果能求出φ,磁场H即可求出。同理,若外磁场H有变化,则磁通量亦随变化,在此变化过程中,临界电流的振荡次数n乘以φ0即得到磁通量的大小,亦反映了外磁场变化的大小。因而,可利用超导技术测定外磁场的大小及其变化。临界电流随外磁场周期起伏变化，这是由于在一定磁场作用下，超导结各点的超导电流具有确定的相位。相位相反的电流互相抵消；相位相同的电流互相迭加。测磁原理:39第39页，共44页，2023年，2月20日，星期三测量外磁场的灵敏度与测定振荡的次数n的精度及φ的大小有关。设n可测准至一个周期的1/100，则测得最小的变化量应为φ0/100=2×10-17T·m2。若假设磁场在超导结上的透入面积为L·d(L是超导结的宽度，一般为