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1、常用磁性测量仪器（I）（共 55 页）,磁性信号的产生与检测 磁性信号的测量仪器（I）电磁感应原理,磁性信号的产生与检测,磁性信号及其产生方式磁场的产生方法磁性信号的采集方法磁性信号的处理,信号1,磁性信号的定义,磁学 所有的物质都具有某种磁性磁性信号 仅限于物质的磁性 有时需要人为产生磁性信号,信号2,磁性信号的确认,带有磁性信号的物体穿过由导线构成的回路时，将有感生电动势产生。在闭合回路中产生感生电流。带有磁性信号的物体在非均匀磁场中将受到力的作用。,信号3,磁性信号的产生方法,信号4,含有剩磁的物体 单畴磁性颗粒（单个） 已充磁的永磁材料 经特殊加工工艺处理的物体在磁场中的物体 任何处于
2、磁场中的物体,磁场的产生,磁场,磁场强度分布,生物磁场,天体磁场,地磁场,永磁体电磁铁,亥姆霍兹线圈,超导磁体,脉冲磁场,磁性信号的检测目的,信号5,（基本）粒子的磁矩单原子、单分子的磁矩原子团、聚合物的磁性大块材料： (比)(饱和)磁矩(磁化强度、磁感应强度)、 (内禀)矫顽力、居里温度、(最大)磁能积、 磁化率、磁导率、磁畴、磁各向异性、 磁致伸缩，等等。,磁性信号的检测内容,磁性分类 具体的物质具有何种磁性磁性的变化规律 环境温度、压力、气氛 外加电、磁场 时间,信号7,磁性信号的测量仪器,信号8,电 磁 感 应 原 理,Faraday Law ofElectromagnetic Ind
3、uction,电 磁 感 应 原 理,面积A,磁通量,电磁感应1,电 磁 感 应 原 理,磁通量,电磁感应2,必须明确的几个问题,自由空间的稳态磁通可以直接测量磁通计样品内部的稳态磁通无法直接测量 ？变化的磁通可以直接测量,如何产生变化的磁通如何测量变化的磁通,电 磁 感 应 原 理,电磁感应3,t0,t1,(t),t,冲 击 法磁 强 计 法电 动 法感应（测量发电机）法,电 子 积 分 器、数 字 积 分 器,各种自动直流磁性测量仪器,冲 击 法,Ballistic Galvanometer（冲击检流计）,冲 击 法,冲击法1,最具原理性的磁性测量方法,J为转动惯量，为偏转角， 为阻尼系数
4、w为扭转系数，B0为磁感应强度，A和N为面积和匝数，i为瞬时电流,H线圈,B线圈,样品,冲击检流计,冲 击 法,冲击法2,应尽量满足的条件灵敏度,脉冲电流完毕之后，电流计线圈开始转动： 电流计线圈的转动惯量越大，越满足此条件。检流计处于临界阻尼状态； 检流计比较慢地达到最大读数，很快降为零。被测磁通应尽量为瞬时变化： 非瞬时变化引入很大的误差。线圈的自由振荡周期要远大于磁通变化的时间 一般在10倍以上。需要测定冲击检流计的冲击常数C 使用互感系数M已知的互感线圈。,冲 击 法,冲击法3,冲击法的优点 1、可以开路、闭路测量； 2、仪器设备简单。,闭路：磁路闭合开路：磁路不闭合,冲击法的缺点 1
5、、积分式数据采集：零漂移； 2、要求使用具有特定形状的样品； 3、灵敏度较低。,等截面积（常数）,冲击法的使用,教学演示实验：电磁感应定律,工业：发电机,工业：磁体的磁性能测量,迴线仪：永磁材料的永磁性能检测,美国KJS公司,中国计量科学研究院,德国MagnetPhysik公司,NIM2000系列,Permagraph系列,HG500,振动样品磁强计,Vibrating Sample Magnetometer(VSM),VSM的设计理念,为什么要振动样品？为什么要使用双线圈？四线圈？为什么要调节鞍区？为什么要定标磁矩？,VSM的作业题目,振 动 样 品 磁 强 计,VSM1,检测线圈,样品,磁
6、偶极子,磁偶极子的方向：？,为什么要振动样品？,振 动 样 品 磁 强 计,VSM2,VSM几个关键的问题,样品必须处于均匀磁场中：均匀区我们只能检测感应电动势：检测线圈怎样得到磁偶极子：样品、驱动方式样品线圈振幅频率,振 动 样 品 磁 强 计,VSM3,磁场均匀区,螺线管,d,圆柱极头电磁铁,圆台极头电磁铁,无限长螺线管亥姆霍兹线圈超导磁体,均匀区较大磁场强度可能较低,均匀区较小磁场强度可能很高,振 动 样 品 磁 强 计,VSM4,检测线圈感应电动势,Z,设线圈面积为S，匝数为N,感应电动势,只有z方向分量,振 动 样 品 磁 强 计,VSM5,检测线圈感应电动势磁矩,两个关于线圈的假设
7、：（永远适用）检测线圈位置固定；样品沿固定方向（X或者Y）磁化。,式中,为检测线圈位置函数,感应电动势磁矩驱动方式线圈位置的关系如下：,振 动 样 品 磁 强 计,VSM6,检测磁矩的最终表达式,必须满足的条件：（确保永远适用）检测线圈尺寸、位置固定；样品沿固定方向（X或者Y）磁化；样品尺寸与线圈位置：满足磁偶极子条件有足够大的“鞍点区”,振 动 样 品 磁 强 计,VSM7,串联反接检测线圈,检测线圈位置函数,定义：空间位置函数fZ(r)中各频率成份中与位置有关的函数， 为该频率成份的线圈几何因子KF。,基频的线圈几何因子KF1：,为什么要使用双线圈？,振 动 样 品 磁 强 计,VSM8,
8、串联反接检测线圈,基频（）的贡献：,1,2,+,+,+,+,Z,X,Coil 1,Coil 2,D,线圈直径：D样品_线圈：r（x）当r2 5D2时，在 x 处，KF1为正即6326 11634在 x 处，KF1为负即24326 29634,为什么要使用双线圈？,振 动 样 品 磁 强 计,VSM9,串联反接检测线圈,二次谐波（2）的贡献：,+,+,+,+,Z,X,对于满足基频线圈几何因子所确定的串联反接双线圈，二次谐波在该线圈对中的感应电动势等于零。,496,13054,为什么要使用双线圈？,不用线圈如何？,使用磁场（自由空间磁通）传感器？ 完全可以！必须解决的问题：能够扣除磁化磁场等杂散磁
9、场的影响必须可以即时响应磁通的变化必须能够对磁矩进行定标必须有满足测量要求的灵敏度,为什么使用四线圈？,鞍区磁场灵敏度,Z,X,为什么要使用四线圈？,基于电磁铁的VSM：,高磁场使得极头间距变小，导致鞍区缩小减小线圈之间的距离可以提高灵敏度，但鞍区缩小四线圈可以使得鞍区扩大，但降低了灵敏度,振 动 样 品 磁 强 计,VSM10,“鞍点区”,定义：对串联反接线圈，在样品所处磁场区的中心位置附近， 线圈中的感应电动势对样品位置不敏感的区域。,磁化方向,振动方向,横向方向,0,距离,“鞍点区”的意义样品的安装位置调节,为什么要调节鞍区？,什么时候需要调节鞍区？,任何时候！（除了测量进行之中）,磁矩
10、定标时；开始测量样品前,定义：对串联反接线圈，在样品所处磁场区的中心位置附近， 线圈中的感应电动势对样品位置不敏感的区域。,为什么要调节鞍区？,什么时候可以不用调节鞍区：样品处于位置不敏感区！,振 动 样 品 磁 强 计,VSM11,磁矩的定标,电压有效值与磁矩的关系：,标准样品比磁化强度：Standard；质量：mStandard,待测样品比磁化强度：Sample；质量：mSample,为什么要定标磁矩？,振 动 样 品 磁 强 计,VSM12,振动样品磁强计的发展历史,前提：满足磁偶极子的条件,驱动：频率、振幅稳定 远离市电频率及其谐波,测量：检测交流电压非积分式,振 动 样 品 磁 强
11、计,VSM13,振动样品磁强计的发展历史,1956， G. W. van Oosterhout, Appl. Sci. Res., B6, 101-104 (1956)1956， S. Foner, Rev. Sci. Instrum., 27, 548 (1956)1959， S. Foner, Rev. Sci. Instrum., 30, 548-557 (1959)1975， 被IEC(国际电工委员会)推荐为测量铁氧体材料 饱和磁化强度的标准方法之一1960s，锁相放大技术(1930s)的使用1980s，自动控制技术的广泛使用,振 动 样 品 磁 强 计,VSM14,振动样品磁强计的发
12、展历史,相敏检波器锁相放大器,XY记录仪电子计算机,振 动 样 品 磁 强 计,VSM15,振动样品磁强计的制造商（仅供参考）,美国ADE Technologies, Inc. (DMS)美国Lake Shore Cryotronics, (EG&G)美国LDJ Electronics, Inc.美国Quantum Design Co. (Oxford),中国科学院物理研究所吉林大学物理系南京大学物理系,振 动 样 品 磁 强 计,VSM16,振动样品磁强计的分类：（一）,PPMS的VSM,常规基于电磁铁的VSM,振 动 样 品 磁 强 计,VSM17,振动样品磁强计的分类：（二）,振 动 样
13、 品 磁 强 计,VSM18,VSM的优点 1、非积分式同步采集，无零漂移； 2、原理简单，使用方便，适用面广； 3、单点测量所需时间短； 4、灵敏度较高。VSM的缺点 1、只能开路测量退磁修正； 2、样品大小、位置影响测量结果。,振 动 样 品 磁 强 计,VSM19,相关参考文献,G. W. van Oosterhout, Appl. Sci. Res., B6, 101-104 (1956)S. Foner, Rev. Sci. Instrum., 27, 548 (1956)S. Foner, Rev. Sci. Instrum., 30, 548-557 (1959)S. Foner
14、, Rev. Sci. Instrum., 45, 1181 (1974)S. Foner, Rev. Sci. Instrum., 46, 1425 (1975)A. Zieba and S. Foner, Rev. Sci. Instrum., 53, 1344 (1982)S. Foner, J. Appl. Phys., 38, 1510 (1967)S. Foner, J. Appl. Phys., 79, 4740 (1996),基于电磁铁的VSM的问题,VSM20,镜像效应（Image Effect）,当磁场高于某一值（纯铁极头为2.0 T）时，磁化曲线突然下降。,H,M,来源：1、极头磁化饱和所致。2、线圈与极头的几何位置有关,Hall磁强计,线圈信号样品信号电磁铁的镜像信号,解决办法：1、不用极头；2、线圈远离极头；3、修正,磁矩定标是否受影响？,VSM的灵敏度,VSM21,灵敏度：取决于最小量程,一般来说，厂家给出的灵敏度无法在实际中达到。？,影响信号检测的因素：,1、仪器本身的计量性能；2、样品架的本底信号,尽量减小样品杆的信号,尽量使样品杆质量均匀,提拉样品磁强计,Extracting Sample Magnetometer(ESM),提 拉 样 品 磁 强 计,
