第5章磁敏传感器1–2〔较难〕.pptVIP

第五章 磁敏传感器 应用范围 1) 矿产勘察，根据矿石中有用矿物质具有磁性或有磁性矿物与之共生的特点，进行直接找矿，或根据矿体在成因 或空间上与某些磁性地质体构造有关的特点，进行间接找矿。这些矿包括铁矿、铅锌矿、铜矿等 。 2) 配合矿区勘探，研究矿体的埋深、产状和连续性，研究矿体的形状、大小，估计矿床规模 ? 石油、天然气勘察，研究与油气有关的地质构造及大地构造等问题 3) 地震前兆监测，火山观测以及其它环境及灾害地质工作 4) 配合基础地质调查，进行地质填图 5) 对铁桶、铁罐等铁制品埋藏物定位 6) 探测与磁性相关的地质构造 7) 铁制军火侦测 8) 断层定位 9) 工程勘察 10) 管线探测 11) 环境勘探 12) 考古 2 3 4 5 8 9 10 6 1 放大 图2.2-6 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—偏振片； 5— /4 ； 6—吸收室； 7—RF振荡器； 8—射频线圈； 9—透镜2； 10—光敏元件 7 He4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 首先将测磁传感器置于被测外磁场中，并使传感器的轴向与外磁场方向平行，其后将高频激发振荡器打开，激发氦灯使发出D线；激发He4吸收室使其处于亚稳状态。 这时灯发出的D线经过透镜将D线变成平行光，再经偏振片和λ/4变成圆周极化光，直射至吸收室中的亚稳态正氦上，正氦在外磁场作用下产生塞曼分裂，塞曼能级2s态原子吸收D线，跃迁到2P态而产生光泵作用。 He4光泵式磁敏传感器的工作原理 * 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=（2.67513±0.00002）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：