五磁探测技术

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1、5.1 概述 一、磁探测的发展 磁探测是研究与磁现象有关的物理过程的重要 手段，其内容涉及许多领域，如： 地球物理、天体物理、高能物理、生物科学 等方面。 两千多年前，指南针； 16世纪末期，用磁针研究磁现象和测定地磁场 ； 1831年，法拉第发现电磁感应理论，奠定理论 基础； 第五章 磁探测技术 20世纪30年代，研制出磁通门磁强计，并 应用地球物理、机械工业、军事等领域 ； 20世纪50年代，随着电子技术、半导体技 术发展，为磁探测的发展提供了条件； 近年来，激光和光导纤维技术发展，提高 了利用磁光效应测量磁场的水平； 发展趋势：广泛应用量子现象、电磁现象 、光电子现象、超导现象及相应的传

2、感 器，使磁场测量技术实现电子化、数字 化、自动化。 5.1 概述 二、磁探测的对象和参量 磁场强度H：是在研究磁介质、推导有磁 介质的安培环路定理时引入的辅助物理 量，无物理意义，是一个矢量，单位是 安培/米(A/m)。 磁感应强度B：又称磁通密度，单位体积 /面积里的磁通量，用于描述磁场的能 量的强度的物理量，是一个矢量，单位 是特斯拉(T)； 磁化强度M：磁介质在磁场H中极化的磁 感应强度。 5.1 概述 磁导率 ：为磁介质的磁导率，表征磁介 质磁性的物理量： =B/H， 是磁化曲线上任意一点上B和H的比值。 磁导率实际上代表了磁性材料被磁化的容 易程度。在磁化的不同阶段，材料的磁 导率

3、也不同，磁导率在最高点称为最大 磁导率。在磁化起始点的磁导率称为初 始磁导率，简称初导。磁导率是软磁材 料的另一个非常重要的指标。 5.1 概述 5.1 概述 在国际单位制中，把磁场强度H在真空中引起的 磁感应强度记为B0，并有 ： 0为为真空的磁导率。 在磁介质的中的总磁感应强度为： 磁感应强度可同时用来描述介质和真空中的磁场 。 5.1 概述 在磁介质中，由于B和B0 的关系很复杂，通常是 采用测量磁感应强度的积分，即磁通： 磁通的单位是Wb（韦伯）。 磁场参量：表征磁场性质的物理量，包括：磁感 应强度B、磁通、磁场非均匀性量（磁场梯度 ）等以及它们的分量和模量。 三、磁探测的种类 根据测

4、量所依据的不同物理现象，可分为： 1、磁力法； 2、电磁感应法； 3、电磁效应法； 4、磁共振法； 5、超导效应法； 6、磁通门法； 7、磁光效应法； 8、巨磁阻效应法。 5.1 概述 5.2 磁力法 磁力法:利用被测磁场中的磁化物体或通 电流的线圈与被测磁场之间相互作用的 机械力(或力矩)来测量磁场的一种经典 方法。 主要测量方法：精密地磁探测法（PCM ） 应用领域：地磁场测量、磁法勘探、古地 磁研究等。 原理：根据探头的磁针偏转时是否存在反 作用力矩。 5.2 磁力法 按其结构可分为两种类型： 类型1：采用磁力式探头，磁针处于自由 转动状态，在被测磁场作用下，磁针的 轴向将趋于磁感应强度

5、的方向。 磁针1由顶针2支撑，可在水平面内自由转 动，构成探测地磁场方位的磁罗盘。 5.2 磁力法 类型2：也采用磁力式探头，磁针在被测磁场作用下， 转矩将由磁针的重力、线的扭力或相对偏转磁针而 配备的其它阻尼装置等产生的反作用力矩所平衡。 两个小磁针互相平衡、极性相反（转矩相互平衡），用 一硬质杆牢固地结合在一定的距离上，把连接杆与 一个小反光镜固定在一起，并用一有反作用力矩的 吊丝悬挂起来，使整个系统可沿轴线扭动。 5.2 磁力法 5.3 电磁感应法 电磁感应法：是以电磁感应定律为基础测量磁 场的一种经典方法。可通过探测线圈的移动 、转动和振动来产生磁通变化。 主要测量方法： 冲击法：主要

6、用于测量恒定磁场; 伏特法：主要用于测量高频磁场; 电子磁通法：主要用于测量恒定磁场、交变磁 场或脉冲磁场（磁通）； 旋转线圈法和振动线圈法：主要用于测量恒定 磁场. 5.1 概述 5.3 电磁感应法 当把匝数为N、截面积为S的圆柱形探测线圈 放在磁感应强度为B0的被测磁场中时,如果 采用某种办法使线圈中所耦合的磁通 发 生变化,那么根据电磁感应定律,就会在线圈 中产生感应电动势： 由于NS为线圈常数，只要测出感应电动势对 时间的积分值，便可求出磁感应强度的改 变量： 5.3 电磁感应法 由该式可以看出： 电磁感应法测量的磁感应强度不是某一点的 值，而是探测线圈界定范围内磁感应强度 的平均值。

7、 如果被测磁场是非均匀的，探测线圈界定范 围内磁场有明显的变化，这时探测结果不 能准确反映某点的磁场。 改进办法：线圈尽可能小，近似于点； 不能太小，否则相应的电势就小 ，灵敏度受到影响。 5.4 电(流)磁效应法 电磁效应法是利用金属或半导体中流过的电流和在 外磁场同时作用下所产生的电磁效应来测量磁场 的一种方法. 主要测量方法： 霍尔效应法：主要用于测量 恒定磁场; 磁阻效应法：主要用于测量 较强磁场; 磁敏晶体管法：测量 恒定磁场和交变磁 场,但受元器件的限制目前很少用于工业测量 5.4 电磁效应法 一、 霍尔效应法 霍尔效应：置于磁场中的载流体，如果电流方向 与磁场垂直，则在垂直于电流

8、和磁场的方向会 产生一附加的横向电场，这称之为霍尔效应。 霍尔效应是一种磁电效应,是德国物理学家霍尔 1879年研究载流导体在磁场中受力的性质时发 现的。 根据霍尔效应,人们用半导体材料制成霍尔元件, 它具有对磁场敏感,结构简单,体积小,频率响应 宽,输出电压变化大和使用寿命长等优点,因此, 在测量,自动化,计算机和信息技术等领域得到广 泛的应用. 5.4 电磁效应法 （一）霍尔效应传感器工作原理 将通有电流I的一块导体（长l、宽b、厚d）放在 磁感应强度为B磁场中，B的方向垂直于I，则 在既垂直于I，又垂直于B的两侧方向上，由于 运动电荷受洛仑磁力的作用，产生一正比于电 流和磁感应强度的电势

9、UH， UH称为霍尔电动势 。 5.4 电磁效应法 运动电荷受洛仑磁力FL的作用同时，还收到与此 相反的电场力FE的作用，两力相等时达到平衡 。 5.4 电磁效应法 5.4 电磁效应法 （二）霍尔传感器的使用 1、元件的选择 元件的选择主要决定于被测对象的条件和要求： 测量弱磁场时，霍尔器件输出电压较小，应选 择灵敏度高、噪音低的元件，如锗、锑化铟、 砷化铟等； 测量强磁场时，对器件的灵敏度要求不高，应 选择磁场线性度较好的元件，如锗、锗等。 2、霍尔传感器的应用 5.4 电磁效应法 5.4 电磁效应法 （二）霍尔传感器的使用 磁场中有一个霍尔半导体片，恒定电流I从A到B通过该片 。在洛仑兹力

10、的作用下，I的电子流在通过霍尔半导体 时向一侧偏移，使该片在CD方向上产生电位差，这就 是所谓的霍尔电压。霍尔电压随磁场强度的变化而变 化，磁场越强，电压越高，磁场越弱，电压越低。霍 尔电压值很小，通常只有几个毫伏。 二、 磁阻效应法 磁阻效应:物质在磁场中电阻率发生变化的现象. 。 磁场的测量可利用电磁感应,霍尔效应,磁阻效应 等.其中磁阻效应法发展最快,测量灵敏度最高. 磁阻元件的发展经历了半导体磁阻(MR),各向异性 磁阻(AMR),巨磁阻(GMR),庞磁阻(CMR)等阶段. 5.4 电磁效应法 （一）半导体磁阻元件 1、物理磁阻效应 同霍尔效应一样， 磁阻效应也是由于载流子在磁场中受到

11、洛伦兹 力而产生的。在达到稳态时，某速度的载流 子所受到的电场力与洛伦兹力相等，载流子在 两端聚集产生霍尔电场a，比该速度慢的载流子 将向电场力方向偏转b，比该速度快的载流子 则向洛伦兹力方向偏转c。这种偏转导致载流子 的漂移路径增加。或者说，沿外加电场方向运 动的载流子数减少，从而使电阻增加。这种现 象称为磁阻效应。 5.4 电磁效应法 半导体磁阻元件：利用磁阻效应做成的半导体传 感器。 优点：测量方便，有较好的重复性； 缺点：受温度影响和非线性限制，需要采取恒温 和逐点校准措施； 适用场合：低温和强磁场。 2、几何磁阻效应 因电流控制极的短路作用，磁阻效应还与元件 的尺寸和形状有关，这种效

12、应称为几何磁阻效 应。 5.4 电磁效应法 （二）强磁性金属薄膜磁阻元件 强磁性金属磁阻效应：在磁场中强磁性金属磁阻 率发生变化的现象。强磁性金属薄膜磁阻元件 用玻莫合金制成；与半导体磁阻元件完全不同 ，它的温度系数小，使用温度高，频率特性好 ，而且材料的物理、化学性质都非常稳定。 在强磁中，强磁性金属的电阻率随磁场增强而减 小，具有负的磁阻效应； 在弱磁场中，当磁场大于某一值时，强磁性金属 的电阻率只与磁场方向和电流方向的佳角有关 ，而与磁场强度无关。当磁场方向与电流方向 垂直时，其电阻率最小，当磁场方向与电流方 向平行时，其电阻率最大。 5.4 电磁效应法 （三）磁阻传感器的应用 利用磁阻

13、效应制作的磁阻（MR-Magneto-resistive effects）传感器的优点： 单位面积的灵敏度高，体积小； 可靠性高，制作简单，成本低； 工作频带宽，可测直流磁场； 输出信号与成正比； 可测磁场范围：1uT1000uT. 5.4 电磁效应法 利用磁阻传感器的优点： 磁阻传感器可用于直接测量磁场或磁场变化,如 弱磁场测量,地磁场测量,各种导航系统中的罗盘 ,计算机中的磁盘驱动器,各种磁卡机等等. 也可通过磁场变化测量其它物理量,如利用磁阻效 应已制成各种位移,角度,转速传感器,各种接近 开关,隔离开关,广泛用于汽车,家电及各类需要 自动检测与控制的领域. 5.4 电磁效应法 5.5

14、磁共振法 一、磁共振法原理 磁共振：许多微观粒子，如原子、电子、质子等具 有磁矩，这些具有磁矩的微观粒子若处于某一磁 场中，便会选择性的吸收或辐射一定频率的电子 波，从而引起它们之间的能量交换的现象。 磁共振分为： 核磁共振；（应用最普遍） 电子顺磁共振； 光泵共振等。 5.5 磁共振法 核磁共振（医学） 核磁共振(MRI)又叫核磁共振成像技术。是继CT后 医学影像学的又一重大进步。自80年代应用以来 ，它以极快的速度得到发展。其基本原理：是将 人体置于特殊的磁场中，用无线电射频脉冲激发 人体内氢原子核，引起氢原子核共振，并吸收能 量。在停止射频脉冲后，氢原子核按特定频率发 出射电信号，并将吸

15、收的能量释放出来，被体外 的接受器收录，经电子计算机处理获得图像，这 就叫做核磁共振成像。 5.5 磁共振法 所有的原子核都具有本征磁矩和本征动量矩。如果 将抗磁性物质的原子核放在强度为B0恒定磁场中 ，则原子核磁矩就沿着外磁场方向作自由进动， 进动频率由拉莫公式确定 式中，W0自由进动角频率； r旋磁比，即旋矩和动量矩的比值。 若在垂直于恒定磁场B0方向的平面内加一个交变磁 场h，调节其频率，当交变磁场频率w与自由进 动频率w0一致时，原子核将从交变磁场中吸收能 量，出现核磁共振吸收现象。 5.5 磁共振法 5.5 磁共振法 为了利用核磁共振现象测量磁场强度，常常利用氢 核（质子）和锂核，它们的旋磁比分别是： 如果能够准确地确定共振状态并测量共振时的频率 ，便可计算磁场强度。 二、核磁共振磁强计 根据核磁共振原理，目前已制成各种形式的磁强计 ，而且正朝着自动搜索、快速跟踪的方向发展。 例： （一）固定介质核磁共振测量仪 （二）铯质子磁力仪 *固定介质核磁共振测量仪工作原理？ *自由进动磁强仪工作原理？ 5.5 磁共振法