吉林大学：《传感器原理及检测技术》课程PPT教学课件（讲稿）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

第二章磁敏传感器 磁敏传感器是对磁场参量BHq)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 第一节质子施进式磁敏传感器 第二节光泵式磁敏传感器 第三节SQUD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 第七节机棫式磁敏传感器

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

磁敏传感器的种类 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

▪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

第一节质子缝式躐敏传薇器 、质子旋选式磁敏传感器的测磁原理 物理学已证明物质是具有磁性 T 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 质子的旋进频率f=7nT2 为质子旋磁比;T为外磁场强度 质子磁矩旋进

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: dP M×T 动量矩 M=nP 变化率 k dM dP yp=rp T dt dt

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： M p P   M T =  dt dP    =  M T  dt dP dt dM P P     =  =   P x y z x y z T T T M M M i j k     = 动量矩 变化率

设T=T(外磁场);T=0;T=0 磁矩三 dM =YPM,T-MT =ypM T dt dM pmR -MrI d ypA、T dt 分 dM YPMT-MNT O dt 对上式中的第一式微分d2M y dMyT=-2M、 dt d-M +y2T2M2=0显然,为简谐运动方程,其解为 Mx=AcoS(YPTt +p 同理M A sin(ptT + M=常数

磁 矩 三 个 分 量               = − = − = − P x y y x z P z x x z y P y z z y x M T M T dt dM M T M T dt dM M T M T dt dM             = = − = 0 dt dM M T dt dM M T dt dM z P x y P y x   设Tz=T(外磁场)；Tx=0；Ty =0 对上式中的第一式微分 P x y P x T T M dt dM dt d M 2 2 2 2 =  = − 0 2 2 2 2 + P x = x T M dt d M  显然，为简谐运动方程，其解为      = = − + = + z 常数 y P x P M M A Tt M A Tt sin( ) cos( )     同理

M=M+M=4常数 从上式可看出,M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yM M 的。由图看出: 磁矩M旋进规律变化示意图 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

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。 M⊥ = M x + M y = A = 2 2 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,称为拉莫尔频率( Larmor frequency)。 根据简谐运动方程,可得到:=2=yn7 f T 2兀 y=(267513±0.00002)S1T1 将此值代入上式 T=23.4874f nt f=4257.87 z 可见,频率/磁场7成正比,只要能测出频率,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a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

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    = = f T Hz T f nT 4257.8 23.4874 f T P   2 = 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。  = 2f  = P T

礅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成正比 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: 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

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。 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 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。 预极化法示意图

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 当质子磁矩在旋进过程 θ 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

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HT 倍。设外磁场T的磁感强度为0.5×10-4,极化场H的 磁感强度为100×10-4T,则可使信噪比增大200倍。 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t为时间常数按指数 规律衰减的。 感应信号衰减示意图 M衰减示意图 M T

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t 2（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t 2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