幾種常用的磁性測量儀器ppt課件

1、常用磁性丈量儀器I共 55 頁 磁性信號的產(chǎn)生與檢測 磁性信號的丈量儀器I 電磁感應原理磁性信號的產(chǎn)生與檢測 磁性信號及其產(chǎn)生方式 磁場的產(chǎn)生方法 磁性信號的采集方法 磁性信號的處置內(nèi)容信號1磁性信號的定義 磁學 一切的物質都具有某種磁性 磁性信號 僅限于物質的磁性 有時需求人為產(chǎn)生磁性信號信號2磁性信號確實認 帶有磁性信號的物體穿過由導線構成的回路時，將有感生電動勢產(chǎn)生。在閉合回路中產(chǎn)生感生電流。 帶有磁性信號的物體在非均勻磁場中將遭到力的作用。信號3SL SBLEBddtdddtdzyxHVMFS,0磁性信號的產(chǎn)生方法信號4含有剩磁的物體 單疇磁性顆粒單個 已充磁的永磁資料 經(jīng)特殊加工工藝

2、處置的物體在磁場中的物體 任何處于磁場中的物體磁場的產(chǎn)生磁場 磁場強度分布10-1610-1310-1010-410-310-210-11001011021038x10-148x10-118x10-88x10-28x10-18x1008x1018x1028x1038x1048x105(Tesla)(kA/m) 生物磁場天體磁場地磁場永磁體電磁鐵亥姆霍茲線圈超導磁體脈沖磁場磁性信號的檢測目的信號5根本粒子的磁矩單原子、單分子的磁矩原子團、聚合物的磁性大塊資料： (比)(飽和)磁矩(磁化強度、磁感應強度)、 (內(nèi)稟)矯頑力、居里溫度、(最大)磁能積、 磁化率、磁導率、磁疇、磁各向異性、 磁致伸縮，

3、等等。磁性信號的檢測內(nèi)容 磁性分類 詳細的物質具有何種磁性 磁性的變化規(guī)律 環(huán)境溫度、壓力、氣氛 外加電、磁場 時間信號7磁性信號的丈量儀器信號8中子散射安裝、磁力顯微鏡磁磁作用盤旋共振、自旋共振(鐵磁共振儀、亞鐵磁共振儀、反鐵磁共振儀、電子自旋共振儀、核磁共振儀、Mssbauer 譜儀)共振效應磁光效應磁力效應沖擊法振動樣品磁強計VSM提拉樣品磁強計ESM超導量子(SQUID)磁強計電磁感應Faraday效應Kerr效應、Faraday效應磁圓線振二向色譜儀磁轉矩儀、磁天平交變梯度磁強計AGFM電 磁 感 應 原 理Faraday Law ofElectromagnetic Inductio

4、n電 磁 感 應 原 理面積A磁通量0 DtBE0 Bt DjH0SLSBLEBddtddtddSBdS電磁感應1電 磁 感 應 原 理磁通量SBdS電磁感應2必需明確的幾個問題自在空間的穩(wěn)態(tài)磁通可以直接丈量磁通計樣品內(nèi)部的穩(wěn)態(tài)磁通無法直接丈量 ？變化的磁通可以直接丈量如何產(chǎn)生變化的磁通如何丈量變化的磁通電 磁 感 應 原 理電磁感應3t0t1(t)t沖 擊 法磁 強 計 法電 動 法感應丈量發(fā)電機法電 子 積 分 器、數(shù) 字 積 分 器各種自動直流磁性丈量儀器沖 擊 法Ballistic Galvanometer沖擊檢流計沖 擊 法沖擊法1最具原理性的磁性丈量方法ANiBwdtddtdJ02

5、2J為轉動慣量，為偏轉角， 為阻尼系數(shù)w為改動系數(shù)，B0為磁感應強度，A和N為面積和匝數(shù)，i為瞬時電流H線圈B線圈樣品沖擊檢流計沖 擊 法沖擊法2應盡量滿足的條件靈敏度脈沖電流終了之后，電流計線圈開場轉動： 電流計線圈的轉動慣量越大，越滿足此條件。檢流計處于臨界阻尼形狀； 檢流計比較慢地到達最大讀數(shù)，很快降為零。被測磁通應盡量為瞬時變化： 非瞬時變化引入很大的誤差。線圈的自在振蕩周期要遠大于磁通變化的時間 普通在10倍以上。需求測定沖擊檢流計的沖擊常數(shù)C 運用互感系數(shù)M知的互感線圈。沖 擊 法沖擊法3沖擊法的優(yōu)點 1、可以開路、閉路丈量； 2、儀器設備簡單。閉路：磁路閉合開路：磁路不閉合NS沖

6、擊法的缺陷 1、積分式數(shù)據(jù)采集：零漂移； 2、要求使器具有特定外形的樣品； 3、靈敏度較低。等截面積常數(shù)沖擊法的運用 教學演示實驗：電磁感應定律 工業(yè)：發(fā)電機 工業(yè)：磁體的磁性能丈量迴線儀：永磁資料的永磁性能檢測美國KJS公司中國計量科學研討院德國MagnetPhysik公司NIM2000系列Permagraph系列HG500振動樣品磁強計Vibrating Sample Magnetometer(VSM)VSM的設計理念 為什么要振動樣品？ 為什么要運用雙線圈？四線圈？ 為什么要調(diào)理鞍區(qū)？ 為什么要定標磁矩？VSM的作業(yè)標題振 動 樣 品 磁 強 計VSM1XYZr檢測線圈rrrMrMrHm

7、m53)(341)(SSSdrHSdB)( 0樣品磁偶極子磁偶極子的方向：？為什么要振動樣品？振 動 樣 品 磁 強 計VSM2VSM幾個關鍵的問題 樣品必需處于均勻磁場中：均勻區(qū) 我們只能檢測感應電動勢：檢測線圈 怎樣得到磁偶極子：樣品、驅動方式 樣品線圈振幅頻率振 動 樣 品 磁 強 計VSM3磁場均勻區(qū)螺線管d圓柱極頭電磁鐵圓臺極頭電磁鐵無限長螺線管亥姆霍茲線圈超導磁體均勻區(qū)較大磁場強度能夠較低均勻區(qū)較小磁場強度能夠很高振 動 樣 品 磁 強 計VSM4檢測線圈感應電動勢Zaf()tjae()( )j tj tr traekxykzeij設線圈面積為S，匝數(shù)為N01( , )( )NSi

8、H r ttdStt 感應電動勢( , )( , )( )H r tH r trrH rtrtt 只需z方向分量振 動 樣 品 磁 強 計VSM5檢測線圈感應電動勢磁矩兩個關于線圈的假設：永遠適用檢測線圈位置固定；樣品沿固定方向X或者Y磁化。式中,)(5rxzrfZ為檢測線圈位置函數(shù)感應電動勢磁矩驅動方式線圈位置的關系如下：NiStjZtjZmeaZrfaerfSdMt1220.)()(43)(感應電動勢電壓有效值振 動 樣 品 磁 強 計VSM6檢測磁矩的最終表達式必需滿足的條件：確保永遠適用檢測線圈尺寸、位置固定；樣品沿固定方向X或者Y磁化；樣品尺寸與線圈位置：滿足磁偶極子條件有足夠大的“

9、鞍點區(qū)tEtmcos)(mxkMV 振 動 樣 品 磁 強 計VSM7串聯(lián)反接檢測線圈5)(rxzrfZ檢測線圈位置函數(shù)定義：空間位置函數(shù)fZ(r)中各頻率成份中與位置有關的函數(shù)， 為該頻率成份的線圈幾何因子KF?；l的線圈幾何因子KF1：427225cos)cos51 (sin)5()(),(1rrzrxrxzrfrKZF為什么要運用雙線圈？振 動 樣 品 磁 強 計VSM8串聯(lián)反接檢測線圈42cos)cos51 (sin)(rrfZ基頻的奉獻：r12+ZXCoil 1Coil 2D線圈直徑：D樣品_線圈：rx當r2 5D2時，在 x 處，KF1為正即6326 11634在 x 處，KF1為

10、負即24326 29634為什么要運用雙線圈？振 動 樣 品 磁 強 計VSM9串聯(lián)反接檢測線圈5cos) 3cos7(cossin5)(rrfzZ二次諧波2的奉獻：r+ZX對于滿足基頻線圈幾何因子所確定的串聯(lián)反接雙線圈，二次諧波在該線圈對中的感應電動勢等于零。49613054為什么要運用雙線圈？不用線圈如何？ 運用磁場自在空間磁通傳感器？ 完全可以！ 必需處理的問題： 可以扣除磁化磁場等雜散磁場的影響 必需可以即時呼應磁通的變化 必需可以對磁矩進展定標 必需有滿足丈量要求的靈敏度為什么運用四線圈？鞍區(qū)磁場靈敏度ZX為什么要運用四線圈？基于電磁鐵的VSM：高磁場使得極頭間距變小，導致鞍區(qū)減少減

11、小線圈之間的間隔可以提高靈敏度，但鞍區(qū)減少四線圈可以使得鞍區(qū)擴展，但降低了靈敏度振 動 樣 品 磁 強 計VSM10“鞍點區(qū)定義：對串聯(lián)反接線圈，在樣品所處磁場區(qū)的中心位置附近， 線圈中的感應電動勢對樣檔次置不敏感的區(qū)域。磁化方向振動方向橫向方向0間隔“鞍點區(qū)的意義樣品的安裝位置調(diào)理為什么要調(diào)理鞍區(qū)？什么時候需求調(diào)理鞍區(qū)？！任何時候！除了丈量進展之中 磁矩定標時； 開場丈量樣品前定義：對串聯(lián)反接線圈，在樣品所處磁場區(qū)的中心位置附近， 線圈中的感應電動勢對樣檔次置不敏感的區(qū)域。為什么要調(diào)理鞍區(qū)？什么時候可以不用調(diào)理鞍區(qū)：樣品處于位置不敏感區(qū)！振 動 樣 品 磁 強 計VSM11磁矩的定標mxkM

12、V 電壓有效值與磁矩的關系：規(guī)范樣品比磁化強度：Standard；質量：mStandard待測樣品比磁化強度：Sample；質量：mSampledardStandardtanSdardtanSSampleSampleSamplemVkmV為什么要定標磁矩？振 動 樣 品 磁 強 計VSM12振動樣品磁強計的開展歷史前提：滿足磁偶極子的條件NiStjZtjZmeaZrfaerfSdMt1220.)()(43)(驅動：頻率、振幅穩(wěn)定 遠離市電頻率及其諧波丈量：檢測交流電壓非積分式振 動 樣 品 磁 強 計VSM13振動樣品磁強計的開展歷史1956， G. W. van Oosterhout, Ap

13、pl. 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(國際電工委員會)引薦為丈量鐵氧體資料 飽和磁化強度的規(guī)范方法之一1960s，鎖相放大技術(1930s)的運用1980s，自動控制技術的廣泛運用振 動 樣 品 磁 強 計VSM14振動樣品磁強計的開展歷史相敏檢波器鎖相放大器 磁 強 計 振 動 源 鎖相放大器 電磁鐵電源數(shù)據(jù)獲得單元 計 算 機振動頭樣品

14、桿 樣品探測線圈電磁鐵霍爾探頭XY記錄儀電子計算機振 動 樣 品 磁 強 計VSM15振動樣品磁強計的制造商僅供參考美國ADE Technologies, Inc. (DMS)美國Lake Shore Cryotronics, (EG&G)美國LDJ Electronics, Inc.美國Quantum Design Co. (Oxford)中國科學院物理研討所吉林大學物理系南京大學物理系振 動 樣 品 磁 強 計VSM16振動樣品磁強計的分類：一具 體 類 型樣 品 尺 寸大小振 動 方 向通常與磁場平行通常與磁場垂直樣 品 振 幅大?。ㄎ⒄駝樱└袘妱觿?磁通變化d/dt 磁矩mP

15、PMS的VSM常規(guī)基于電磁鐵的VSM振 動 樣 品 磁 強 計VSM17振動樣品磁強計的分類：二具 體 類 型磁場來源亥姆霍茲線圈電磁鐵超導磁體永磁體溫度范圍室 溫/低 溫/高 溫振動方式機械驅動/電磁驅動靜電驅動平行磁場檢測線圈雙線圈/四線圈信號采集相敏檢波/鎖相放大控制方式電子計算機單片機人工存儲處理電子計算機記錄儀振 動 樣 品 磁 強 計VSM18VSM的優(yōu)點 1、非積分式同步采集，無零漂移； 2、原理簡單，運用方便，適用面廣； 3、單點丈量所需時間短； 4、靈敏度較高。VSM的缺陷 1、只能開路丈量退磁修正； 2、樣品大小、位置影響丈量結果。振 動 樣 品 磁 強 計VSM19相關參

16、考文獻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, 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)

17、S. Foner, J. Appl. Phys., 38, 1510 (1967)S. Foner, J. Appl. Phys., 79, 4740 (2019)基于電磁鐵的VSM的問題VSM20鏡像效應Image Effect當磁場高于某一值純鐵極頭為2.0 T時，磁化曲線忽然下降。HM來源：1、極頭磁化飽和所致。2、線圈與極頭的幾何位置有關Hall磁強計線圈信號樣品信號電磁鐵的鏡像信號處理方法：1、不用極頭；2、線圈遠離極頭；3、修正磁矩定標能否受影響？VSM的靈敏度VSM21靈敏度：取決于最小量程普通來說，廠家給出的靈敏度無法在實踐中到達。？影響信號檢測的要素：1、儀器本身的計量性能；

18、2、樣品架的本底信號mxkMV 盡量減小樣品桿的信號xdVdt盡量使樣品桿質量均勻超導量子磁強計Superconducting Quantum Interference Device Magnetometer(SQUID Magnetometer)超 導 量 子 磁 強 計詳見本系列的 靈敏度高：優(yōu)于VSM和ESM； 單點丈量時間較長：已得到改善； 運用液氦：SQUID放大器； 超導磁體中有剩余磁場： Magnet Reset、Quench Magnet電磁感應原理：總結利用電磁感應原理的磁強計的功能磁矩或者磁化強度的丈量磁矩的磁場依賴關系： 初始磁化曲線、磁滯迴線磁矩的溫度依賴關系： 熱磁曲線磁矩的時間、頻率依賴關系： 磁粘滯、損耗電磁感應原理本卷須知SBdS一、樣品挪動線圈固定的儀器設備振動樣品磁強計；超導量子磁強計提拉樣品磁強計ACMS/PPMS樣品松動；樣品桿或者樣品室內(nèi)殘留磁性雜質的影響：數(shù) 據(jù) 點 無 規(guī) 跳 動。BB樣品B雜質TMTM前提！電磁感應原理本卷須知SBdS二、樣品桿與樣品的安裝基于電磁鐵的振動樣品磁強計運用 磁性信號 較弱 的樣品