光泵磁力仪.PPT

第二章 磁敏传感器 光泵作用结果使原于磁矩取向于2s态某一磁子能级上。然后由RF娠荡器提供给的射频能量，打乱亚稳态中某一磁子能级上原子磁矩的取问，产生磁共振作用。当测出磁共振时射频场的频率f0，即可求出被测外磁场T的大小。 由前所述，磁共振频率f0是由光敏元件通过光线的弱或强的变化来检测，即由射频振荡器指示出的吸收室最暗时刻相对应的频率，就是所要测量的共振频率f0。 * 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： 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。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100×10-4 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