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1、仪器使用说明 TEACHERS GUIDEBOOKFD-VSMG-A材料磁性综合测量仪中国.上海复旦天欣科教仪器有限公司Shanghai Fudan Tianxin Scientific & Educational Instruments Co.,Ltd.- 1 -FD-VSMG-A 型 材料磁性综合测量仪一、概述振动样品磁强计、表面磁光克尔效应、磁致伸缩系数测量和磁天平都是测量物质磁学性能的重要手段。振动样品磁强计是一种高灵敏度的磁矩测量仪器，它采用电磁感应原理，测量在一组探测线圈中心以固定频率和振幅作振动的样品的磁矩。表面磁光克尔效应是利用光的偏振态的转变来测量铁磁物质表面的磁学性质，灵敏
2、度可以达到一个原子层厚度。磁致伸缩效应是指铁磁体在被外磁场磁化时，其体积和长度将发生变化的现象，其长度的变化是人们研究应用的主要对象。磁天平主要在研究分子结构中用古埃法测量顺磁和逆磁磁化率，进而求得永久磁矩和未成对电子数。以上测量手段的最大的共同点在于都必须使用电磁铁来产生磁场，为了生成较大的且可变的磁场，电磁铁必须做得笨重，而且造价昂贵。若要以这四种测试手段为目的制造或购买四种分立的测试仪器，即相当于需要制造或购置四台电磁铁，而且控制与信号处理系统也分别需要四套设备，其花费相当之高。为了克服分立的测试仪器所带来的高成本和高花费，上海复旦天欣科教仪器有限公司研制出了 FD-VSMG-A 型材料
3、磁性综合测量仪，该系统将振动样品磁强、表面磁光克尔效应计、磁致伸缩系数测量和磁天平四种测试手段融合在一个测试系统当中，共用同一台电磁铁，整合了信号处理系统，从而大大降低了分别购置多种仪器的费用与测试的成本。并且在磁致伸缩效应的测量上使用了独特的方式使得操作更为方便，灵敏度更高。利用 FD-VSMG-A 型材料磁性综合测量仪，各高校及研究机构在有限的资金条件下，能够进行更多的测试与研究。该仪器可以用于大专院校物理专业近代物理实验，也可用于相关磁学测量研究实验。二、仪器简介FD-VSMG-A 型材料磁性综合测量仪主要由电磁铁系统、振动源、光路系统、微位移测量系统、主机控制系统、实验平台、电子天平（
4、选配）以及电脑（选配）组成。- 2 -图 1 FD-VSMG-A 型材料磁性综合测量仪实验装置三、技术指标1实验平台 台面材料：铝合金氧化芯板结构：矩形构架，底部防震台面尺寸：1.6m1.2m2电磁铁 磁隙中心宽度：0-50mm 连续可调精密恒流电源：0-7.5A 连续可调3半导体激光器 输出功率：2mW 左右中心波长：650nm最小光斑直径：1mm 左右4偏振棱镜 格兰-汤普逊棱镜通光孔径：8mm外盘分辨率：1 o外盘转动量程：0-360 o测微头量程：10mm测微分辨率：0.01mm游标角度测量分辨率：1.9 分左右5振动源 频率：15-20Hz 左右连续可调振幅：3mm 左右6控制指示
5、S.E.V 信号显示：量程-19.9919.99V，分辨率 0.01V- 3 -磁场信号显示：量程-19.9919.99V，分辨率 0.01V扫描电源显示：量程-19.9919.99A，分辨率 0.01A特斯拉计显示：量程-19991999mT，分辨率 1mT光功率计显示：四档分别为 2 、20 、200 、2WmW最大量程 0-1.999 ，最小分辨率 0.001m7信号检测 振动样品磁强计测量磁化强度的精度 6210A克尔信号检测的灵敏度达亚毫度级测量磁致伸缩系数时，位移传感器的分辨率优于 .四、实验项目1用振动样品磁强计测量磁性材料样品的饱和磁化强度；2测量表面磁光克尔效应的偏转角曲线；
6、3测量磁性材料样品的磁致伸缩系数；4用古埃磁天平测量物质的磁化率。五、注意事项1切勿直视激光器，以免对眼睛造成伤害；2光学元件须在防尘、干燥处保存；3电磁铁工作时，请将磁卡、手表等易受磁性影响的私人物品远离；4超磁致伸缩样品在固定时不可施加太大压力，否则可能导致样品崩坏。- 4 -振动样品磁强计测量磁化曲线实验【实验目的】1了解振动样品磁强计测量铁磁材料磁化曲线的原理；2用已知磁化曲线的镍球对振动样品磁强计进行定标；3用振动样品磁强计测量锰锌铁氧体小球的磁化曲线，计算饱和磁化强度。【实验原理】如果将一个球状磁体置于磁场中，则此样品外一定距离的探测线圈感应到的磁通可被视作外磁化场及由该样品带来的
7、附加磁场之和。多数情况下测量者更关心的是这个附加磁场量值。在磁测领域，区分这种扰动与环境磁场的方法有很多种。例如，可以让被测样品以一定方式振动，探测线圈感应到的样品磁通信号因此不断快速的交变，保持环境磁场等其他量不作任何变化，即可实现这一目的。这是一种用交流信号完成对磁性材料直流磁特性测量的方法。因为在测试过程中，恒定的环境磁场可以直接扣除，而有用信号则可以通过控制线圈位置，振动频率、振幅等得以优化。振动样品磁强计（以下简称VSM）正是基于上述理论。 VSM是一种高灵敏度的磁矩测量仪器。它采用电磁感应原理，测量在一组探测线圈中心以固定频率和振幅作微振动的样品的磁矩。对于足够小的样品，它在探测线
8、圈中振动所产生的感应电压与样品磁矩、振幅、振动频率成正比。在保证振幅、振动频率不变的基础上。用锁相放大器测量这一电压，即可计算出待测样品的磁矩。VSM可以实现很高灵敏度的测量，商业产品的磁矩灵敏度往往优于10 -9 , 精确地调整样品与线圈的耦合2Am程度可以使这一灵敏度提高至10 -12 。另一方面，用VSM 进行磁矩测量的范围上限能够达到0.12Am或更高。2Am假设一个小样品具有磁矩 并可被等同为一个点，并将此样品放在一个半径为 的测试线圈平R面上，若将此样品看作一个偶极子处理，即一个小环形电流，其电流强度为 ，面积为 ，因此mia。以探测线圈为原点，设偶极子所在位置为 ，再假设在测试线
9、圈中同时存在一个电mai ),(0yx流 ，此时这两个环形电流可认为互相耦合。类似于互感器，它们之间具有互感系数 ，两者之间s M的磁通为： 或 ，前者为从线圈链向磁偶极子的磁通，后者相反。smsimi探测线圈在磁偶极子处产生平行于 轴的磁感应强度 。这里定义一个重要的特征参数z),(0yxBz探测线圈常数 。从线圈链向磁偶极子的磁通还可以写为sziyxByxk/),(),(00，则互感系数为：aBzms),(0- 5 -ayxkiyxBMsz ),(/),(00于是偶极子链向探测线圈的磁通最终可以写为： msm),(0推而广之，如果偶极子处于更一般的位置 ，则有：,zyx zzyy mxkx
10、kkzyxk ),(),()(),( 其中 ，如果这个偶极子以 的速度移动，那么探测线圈中产生的即时siBzyxk/,),(dtr感应电压则为： trBgraidtus)()/1()(举一个简单的例子，图1a所示的一对串联线圈能够产生 轴向的磁场 ，两线圈完全相同，x)(x半径为 ，间距为 （若 即是所谓的亥姆霍兹线圈）。将一个磁矩为 可等同为磁偶极子的ada m样品放入线圈中心，并以速度 移动，则有txdtxgtdxmku)()(),(其中 ，而sxxiBk/)(dxkgx)()(称为灵敏函数。图1b， 表示相对灵敏函数。)(xg/)(oxx- 6 -图1 a.半径为 ，间距为 的一对完全相
11、同的串联线圈adb.距离分别是 ， ， 时相对灵敏函数与偏离位移曲线384.1c. 偏离范围内的灵敏函数曲线图1b中为两线圈半径为 ，距离分别是 ， ， 时，相对于磁偶极子偏离中心所移动aaa8.距离而得到的相对灵敏函数关系曲线。从图中可以看出，当 时，灵敏函数在中心位置处变化最平缓，即具有最好的均匀性。d3从图中我们还可以看出这三种设计的中心点处 都为0，这是由线圈的对称结构所决定。在xg/)(线圈的设计和其位置的选择过程中，往往需要这样的鞍点（即图1b中中心处平坦的顶点），这是因为在鞍点附近，线圈能够最大限度地对样品所处的位置不敏感。对于一个在中心点以小振幅振动的样品来说，可以放心地认为
12、，下式更能说明这一点，若一个样品在中心处作简谐振动，)0(xxg，则线圈中的感应电压即为：tXtxsin)(0（1）mtxXCtXxmdtxgu ),(cos)()()( 00如果处于鞍区，即 ，则 仅与样品的磁矩，振动频率和振幅有关，而排除了灵敏函0xxtu数的影响，这为测量提供了极大的便利条件。比例系数C通常利用定标法测定，因此只要测量出感应电压，即可得到样品的磁矩。本公司研制的振动样品磁强计采用的是四线圈结构，又称为Mallinson结构，是VSM设备中最为常见的线圈设计。两组串联反接的线圈可以增大感应信号，使外界噪音减小到最小程度，还能减小样品在非测量方向上的微小震动所产生的干扰信号。
13、【实验装置】实验装置主要由四部分组成：1） 电磁铁及控制电源；2） 探测线圈组和锁相放大器：探测样品信号，并由锁相放大器放大后输入电脑记录处理；3） 振动源、振动杆及样品盒：使样品产生振动；4） 计算机及数据处理系统。- 7 -图 2 振动样品磁强计实验装置图【实验内容】1 磁场中心磁感应强度 B 与磁场信号 关系定标BU将两磁极调整至一适当的间隙，调节“磁场信号”的倍率、增益及电平至一适当值，使电压信号始终在 0.203.00V 的范围内。 将特斯拉计信号线接至主机“外侧磁场输入”端，磁铁电源调至“手BU动”档，特斯拉计调至“外测”档并调零，而后将特斯拉计探头置于磁场中心，手动调节磁铁电源对
14、磁场信号与磁感应强度关系进行测量，并作出磁场中心磁感应强度 B 与磁场信号 的关系曲线。把用最小BU二乘法拟合所得的斜率 k 及截距 b 代入公式（2）BkUb根据公式（2）即可将计算机采集所得的磁场信号 换算成磁感应强度 B。2 用已知饱和磁矩的镍球标定探测线圈的输出电压与磁化强度的关系（1）将探测线圈组固定在底座上，使探测线圈的轴线与磁场方向平行，将探测线圈的信号线接至主机“磁强计输入”端，而内测磁场用的霍尔传感器的信号线接至主机“磁路输入”端，并将 S.E.V 信号调至“振动”档。（2）已知镍的饱和比磁化强度 ，密度 ，测量定标用镍球kgmAs/56.42 3/1096.8mkgNi的直
15、径，计算样品镍球的饱和磁化强度（3）MsNis将镍球固定在振动杆顶端的样品盒内，放入探测线圈组中间的通孔内，使样品盒位于探测线圈组鞍区内，振动杆另一端与振动源相连接。- 8 -（3）启动振动源，调节“振动频率”至 15-20Hz 左右，调整“前置放大”及 S.E.V 信号的倍率 N 及增益，使信号增益至一适当量值且 S.E.V 信号为 0.8-1.2V 左右，并且在磁铁电源电流从 0 调至最大的过程中，S.E.V 信号始终保持在 0.2-2V 之间，而后将磁铁电源电流也调至一适当值，拨到 “自动”档。（4）打开计算机软件执行程序， “功能选择”中选择“振动” ， “周期选择”选择双周， “扫描时间”建议选择“20 秒” ， “显示方式”建议选择“合成” ，使显示的坐标轴横轴为磁场信号 ，纵轴为磁强计BUS.E.V 信号的采样值， “操作”中选择“启动”使系统开始自动控制磁场电流并采集数据。待“实验数据”表格中的数据不再增加，说明采集完毕，在“操作”中选择“停止” ，然后选择“数据存盘” ，数据表格中的数据便会自动导出为 xls 文件，文件名包含保存的日期和时间。（5）使用计算机软件对数据进行自动采集，保存并导出数据，从数据中找到在正、反向磁场情况下样品镍球磁化饱和时感应电压 的值 和 。计算出 ，那么VUmaxNi inNVUmaxinVNiiVNU
