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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 磁性信号的处理内 容信号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 任何处于磁场
2、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中子散射装置、磁力显微镜磁磁作用回旋共振、自旋共振 (铁磁共振仪、亚铁磁共振仪、反铁磁共振仪、 电子自旋共振仪
3、、核磁共振仪、Mssbauer 谱仪)共振效应磁光效应磁力效应冲击法 振动样品磁强计VSM 提拉样品磁强计ESM 超导量子(SQUID)磁强计电磁感应 Faraday效应Kerr效应、Faraday效应 磁圆（线）振二向色谱仪磁转矩仪、磁天平 交变梯度磁强计AGFM 电 磁 感 应 原 理Faraday Law of Electromagnetic Induction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1. 自由空间的稳态磁通可以直接测量磁通计2. 样品内部的稳态磁通无法直接测量 ？3. 变化的磁通可以直接测量1. 如何产生
4、变化的磁通2. 如何测量变化的磁通电 磁 感 应 原 理电磁感应3t0t1(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 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1. 脉冲电流完毕之后，电流计线圈开始转动： 2. 电流计线圈的转动惯量越大，越满足此条件 。2. 检流计处于临界阻
5、尼状态； 3. 检流计比较慢地达到最大读数，很快降为零 。3. 被测磁通应尽量为瞬时变化：非瞬时变化引入很大的误差。4. 线圈的自由振荡周期要远大于磁通变化的时间 5. 一般在10倍以上。5. 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NS冲击法的缺点1、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
6、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VSM1XYZ 检测线圈样品磁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VSM2VSM几个关键的问题1. 样品必须处于均匀磁场中：均匀区2. 我们只能检测感应电动势：检测线圈3. 怎样得到磁偶极子：样品、驱动方式4. 样品线圈振幅频率振 动 样 品
7、 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Zaf()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：（永远适用）1. 检测线圈位置固定；2. 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：感应电动势电压有效值振 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）1. 检测线圈尺
8、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串联反接检测线圈基频（）的贡献：12+ + ZXCoil 1Coil 2D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
9、 计VSM9串联反接检测线圈二次谐波（2）的贡献：+ZX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。49613054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ZX为什么要使用四线圈？基于电磁铁的VSM：1. 高磁场使得极头间距变 小，导致鞍区缩小2. 减小线圈之间的距离可 以提高灵敏度，但鞍区 缩小3. 四线圈可以使得鞍区扩 大，但降低了灵敏度振 动 样
10、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1. 样品的安装2. 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）1. 磁矩定标时；2. 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：mSt
11、andard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 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,
12、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 饱和磁化强度处于完全退磁状态： M0内禀矫顽力、磁性相变温度HMiHcMS4. 必须考虑退磁修正的情况： 与磁化强度M（或者磁场H）有关：剩磁Mr、磁能积 (BH)Mr与磁化强度 M 没有关系磁化率？
