第二章 磁敏传感器a（2.1—2.2）.ppt

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。
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
α
M
质子的旋进频率
γp 为质子旋磁比;T为外磁场强度
f=γp T /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);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
α
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ω,称为拉莫尔频率(Larmor frequency)。
根据简谐运动方程,可得到:
即:
将此值代入上式
γp=(±)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
*
M
M
M
H
T
θ
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。×10-4T,极化场H的磁感强度为100×10-4 T,则可使信噪比增大200倍。
υ
ω=γ T
t2
t
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