1、 根据电磁感应定律,当w匝线圈在均恒磁场内运动时,设穿过线圈的磁通为,则线圈内的感应电势e与磁通变化率有如下关系:(5-1)根据这一原理,可以设计成变磁通式两种结构型式,构成测量线速度或角速度的磁电式传感器.图5-1所示为分别用于旋转角速度及振动速度测量的变磁通式结构.其中永久磁铁1(“熟称”)与线圈4均固定,动铁心3(衔铁)的运动使气隙5和磁路磁阻变化,引起磁通变化而在线圈中产生感应电势,因此又称变磁阻式结构.dtdBNSdtdNe 对图5-1(a)结构,设动铁心的恒定角速度为 ,线圈截面积为A,磁路中最大与最小磁通密度之差为B=B max-B min,则由式(5-1)可得两磁轭2上互相串联
2、的两个线圈中的感应电势 e为 e=-w AWBcos2 wt (V)(5-2)由此可见,采用测频或测幅的方法都可以测得铁心的平均转速.图(b)的结构及工作原理与变气隙式电感传感器相似.通过适当的设计可使感应电势e与振动速度成线性关系,从而成为振动速度的度量.当传感器的结构确定后,式(5-3)中B、la、W都为常数,感应电势e仅与相对速度v有关.传感器的灵敏度为 S=e/v=B l (5-4)为提高灵敏度,应选用具有磁能积较大的永久磁铁和尽量小的气隙长度,以提高气隙磁通密度B,增加la和W也提高灵敏度,但他们受到体积和质量、内电阻及工作频率等因数的限制.为了保证传感器输出的线性度,要保证线圈始终
3、在均匀磁场内运动.设计者的任务是选择合理的结构型式、材料和结构尺寸,以满足传感器基本性能要求.1 霍尔式磁敏传感器霍尔式磁敏传感器 I Fe Fm A B C D+-电子 d EH W B L 电荷堆积的结果就是在AB/CD两个面之间建立起一个横向的静电场E。该静电场E对其中的电子又会产生电荷力Fe，其大小为eE，其方向朝向AB面。这样，电子将受到fm和fe两个力的共同作用。刚开始fe2。1.2霍尔元件的主要技术参数 描述霍尔元件的技术参数很多，下面给出较常用的几种。（1）输入电阻（Rin）（室温、零磁场下测量时）霍尔元件两控制极之间的电阻，单位：欧姆（）。（2）输出电阻（Rout）（室温、零
4、磁场下测量时）霍尔元件两霍尔电极之间的电阻，单位：欧姆（）。（3）额定控制电流（Ic）（空气中，且满足一定散热条件下）霍尔元件温升不超过10oC时所通过的控制电流，单位：安培（A）。（4）最大允许控制电流（Icm）（空气中，且满足一定散热条件下）霍尔元件允许通过的最大控制电流，该电流与霍尔元件的几何尺寸、电阻率及散热条件有关，单位：安培（A）。（5）不等位电势（Vm）额定控制电流下，外磁场为零时，霍尔电极间的开路电压。单位：伏特。不等位电势是由两个霍尔电极不在同一个等位面上造成的，其正负随控制电流方向而变化,但数值不变。（6）不等位电阻（RM）不等位电势VM与额定控制电流Ic之比称为不等位电阻
5、，即RM=VM/IC。（7）磁灵敏度（SB）与乘积灵敏度（SH）额定控制电流下，B=1T的磁场垂直于霍尔元件电极面时，霍尔电极间的开路电压，称为磁灵敏度，即：SB=VH/B，单位：V/T。控制电流为1A,B=1T的磁场垂直于霍尔元件电极面时，霍尔电极间的开路电压，称为乘积灵敏度。即：SH=VH/（IcB），单位：V/（A.T）。（8）霍尔电势温度系数（）外磁场B一定，控制电流I=Ic，温度变化T=T2-T1=1oC时,霍尔电势VH变化的百分率称为霍尔电势温度系数.（9）输入/输出电阻温度系数in 当T=T2-T1=1oC,霍尔器件输入电阻Rin或输出电阻Rout变化的百分率，分别称为其输入或输
6、出电阻温度系数（用in或out表示），in的表达式如式(1.22所示)，out类似。（10）非线性误差NL 一定磁场下，霍尔元件开路电压的实测值VH(B)和理论值VH/(B)之间的相对误差，称为霍尔元件的非线性误差，1.3 霍尔元件的等效电路及不等位电势补偿原理 霍尔元件可以等效为电桥，如图1.5所示。其中，桥臂电阻R1、R2、R3、R4分 A B C D R1 R2 R3 R4 VC VH 图1.5 霍尔元件等效电路 别代表控制电极A、C与霍尔电极B、D之间的分布电阻，Vc为控制电极AC之间所加的电压，VH为霍尔输出电压。理想情况下,若无外加磁场，可以认为上述四个电阻相等，即R1=R2=R3
7、=R4，则霍尔电势VH=0。但实际上，霍尔元件都是存在不等位电势的,即使无外加磁场，上述电桥的输出也不为零。为了补偿该零位误差，可以在相应的桥臂上并联合适的电阻，从而保证电桥满足平衡条件，常用的补偿方法及其等效电路如图1.6所示。ABCDRpUcUH R1 R2 R3 R4 UC UH RP（a）补偿方案）补偿方案 （b）等效电路）等效电路图图1.6 霍尔元件不等位电势补偿方案及其电路霍尔元件不等位电势补偿方案及其电路1.4 霍尔磁传感器电路分析与设计（1）霍尔元件的驱动电路 前面谈到，霍尔元件有恒压和恒流两种驱动方式，图1.7（a）、(b)分别示出了这两种驱动方式的电路原理图。图图1.7（a
8、）霍尔元件恒压驱动电路）霍尔元件恒压驱动电路图1.7（b）霍尔元件恒流驱动电路 一般，GaAs霍尔器件宜选用恒流源驱动，InSb霍尔器件则用恒压源驱动。这是因为GaAs器件在恒流驱动方式下霍尔电压VH的温度系数比较小（仅有-0.06%/oC），且VH与磁感应强度B关系曲线有良好的线性度；而InSb器件在恒压驱动方式下VH的温度系数比较小。（2）霍尔元件的输出放大电路图1.8 三运放霍尔电压放大器 图1.8是三运放霍尔电压放大器。其中，A1，A2共同组成第一级，为结构对称的同相比例运放，有很高的输入电阻以及较低的漂移和失调。A3是差分放大级，用于将差分输入转换成为单端输出。图中还标出了各级输入及
9、输出之间的关系，由此可推知该放大器的输出电压UO与霍尔输入电压UH之间的关系如式（1.24）所示。1.6 霍尔式磁敏传感器的应用霍尔式磁敏传感器的应用 由霍尔效应的基本关系式可知，霍尔电压VH与输入控制电流Ic以及磁感应强度B都成线性关系。因此，可保持Ic不变通过测量VH来得到B；也可保持B不变通过测量VH来得到Ic；还可测量VH直接得到Ic和B的乘积。由此可以得到各种类型的基于霍尔效应的传感器。霍尔元件可用于交直流电压、电流、功率以及功率因数的测量，还可用于磁场、线圈匝数、磁性材料矫顽力的测量。除此之外，还可利用霍尔效应来测量速度、里程、圈数、流速、位移、镀层及工件厚度等，下面给出几个相应的
10、例子。上述功率测量方法中，可参考图1.7电路将负荷电压接入霍尔元件的控制端，而负荷电流则通过一种称之为霍尔变流器（或称霍尔CT，Current Transformer）的器件变换为相应的磁场，其原理如图1.9所示，它把电流I1变为通过霍尔元件的磁场。图1.9 霍尔变流器原理图(2)霍尔元件用于磁场的测量以及铁霍尔元件用于磁场的测量以及铁磁物体的探测磁物体的探测 图1.10所示为霍尔元件用于磁场测量的电路原理框图。它是保持控制电流IC不变，通过测量霍尔电压VH来得到被测磁场的。图1.10 霍尔磁场测量系统原理框图 图1.10中恒流驱动电路、三运放数据放大器的设计可分别参考图1.7和图1.8。图1
11、.11所示为磁性物体探测电路原理框图。它也是保持控制电流Ic不变，通过测量霍尔电压VH来感测磁性物体的。当磁性物体靠近霍尔元件时，会引起霍尔元件感磁面的磁场发生变化，从而引起其输出的霍尔电压发生变化。再经电平比较，产生物体接近脉冲信号输出，该电路适宜用作诸如检测马达转速之类的霍尔元件接口电路。图1.11 磁性物体探测电路原理框图图1.13 霍尔转速传感器用于测量车轮的转速 图1.13示出了霍尔转速传感器用于测量车轮转速的工作原理。图中所示是在转动体（车轮）上安装单个永久磁铁的形式，转速n就是VH的频率乘以60；若安装有多个磁铁，那么转速n就是VH的频率除以永磁铁的个数再乘以60。2 结型磁敏器
12、件结型磁敏器件 结型磁敏器件是指由PN结构成的磁敏器件，主要包括磁敏二极管和磁敏三极管两大类。2.1 磁敏二极管磁敏二极管 磁敏二极管是指电特性随外部磁场改变而有显著变化的一种二极管，它是一种电阻随磁场的大小和方向均改变的结型二端器件。2.1.1磁敏二极管的结构磁敏二极管的结构 磁敏二极管是一种P+-I-N+型结构，如图2.1所示。其中I由高阻本征半导体硅或锗组成,长度为L，因其远大于载流子扩散长度，故又称之为长基区二极管；p+、n+分别为重掺杂区域。磁敏二极管加工过程中，需对I区的两个侧面进行不同的处理：一侧磨光,另一侧通过扩散杂质或喷砂制成（电子-空穴对）高复合区，称之为r(recombi
13、natiop)区。（a）磁敏二极管的结构 （b）磁敏二极管的符号图2.1 磁敏二极管的结构和符号 2.1.2磁敏二极管的工作原理磁敏二极管的工作原理 普通P+-I-N+二极管的I区不存在粗糙的复合面，若在其两端施加电压V，则其内部的分压关系为V=VP+-I+VI+VI-N+。此时，大量的空穴和电子分别由p+区和n+区向i区注入（又称双注入），其数目基本相等。因I区无复合面,故只有少数载流子能够在体内复合掉,大多数分别到达n+和p+区,形成的电流为I=Ip+In。与普通P+-I-N+二极管不同，磁敏二极管I区的一个侧面是用杂质扩散或者喷砂法制成的高复合区。若在其两极施加恒定电压,同时在垂直于电场
14、方向施以磁场，那么由于洛伦兹力的作用将使载流子偏向或远离复合区。假设在某个方向磁场作用下，电子和空穴因受洛伦兹力作用，都向r面偏转。因r面的高复合特性，使得进入I区的电子和空穴很快就被复合掉，从而使I区载流子密度减小，电阻增大，电压降VI也增大,导致N+-I结和P+-I结上的电压降VP+-I和VI-N+减小,注入载流子也相应减少 如此反复，直到电流无法再减小且达到某一稳态值为止。若改变磁场方向，电子和空穴将向与r区相对的光滑面流动，因光滑面载流子复合能力较弱，使得I区载流子浓度增加，电阻减小,电压降VI也减小，相应地VN+-I和VP+-I增加,载流子的注入量也增加,电流进一步增大。如此正反馈，
15、直到电流饱和为止。上述第一种情况中，若磁场强度H增加,则洛仑兹力也增加，载流子运动行程也将增加，从而加深了r区对载流子表面复合的程度，磁敏二极管表现出更强的磁阻效应。同样地，当反向磁场增加时，电子、空穴的复合率进一步变小,载流子浓度增加，表现出的电流就会变大。综上所述，磁敏二极管两端加恒定电压时，其I区两端的正、负输出电压VI会随着外加磁场的大小和方向而变化，而且高复合面与光滑面之间的复合率差别愈大,磁敏二极管的灵敏度也就愈高。当在磁敏二极管两端外加反向偏压时，由于PN结的整流作用，仅流过很小电流，该电流与磁场几乎无关。实用中，磁敏二极管I区两端的电压无法直接测量。一般是利用磁场造成磁敏二极管
16、电流的变化来测量的，如图2.2所示。图中，U=E-I(B)R,其中，I(B)是流过磁敏二极管的电流，它随外部磁场B而变化。测出U，即可得到相应的I(B)，进一步可以得到相应的磁场B，这就是磁敏二极管测量磁场的基本原理。图2.2 磁敏二极管的基本测量电路2.1.3 磁敏二极管的主要技术参数与磁敏二极管的主要技术参数与特性特性(1)磁灵敏度磁灵敏度 描述磁敏二极管磁灵敏度的主要参数包括电流相对灵敏度、电压相对灵敏度以及电压绝对灵敏度等，其含义分别如表2.1所示，磁灵敏度的测试电路可参考图2.2。(2)温度特性温度特性 随着温度的变化，磁敏二极管的伏-安特性、磁灵敏度、以及输出电压等都会发生相应的变
17、化。对于图2.2所示的电路，在E=6V、B=1KG以及R确定的条件下，当温度为-20oC、0oC、20oC、40oC、60oC、80oC时，对应的电流I(B)分别为0、0.2、0.6、1.3、2.3、5mA。可以看出，I(B)随温度的升高而增加。同样条件下，当温度为-20oC、0oC、20oC、40oC、60oC、80oC时，对应的输出电压变化量分别为0.75、0.8、0.79、0.7、0.56、0.4V。可以看出，随着温度的增加，磁敏二极管输出电压的变化量有短暂的增加，然后又会下降。一般，Ge磁敏二极管B=0时的输出电压U(0)的温度系数为-60mV/oC，U(U的变化量)温度系数为1.5%
18、/oC，适用的工作温度为-40 oC到65 oC。而Si管U(0)的温度系数为+20mV/oC，U的温度系数为0.6%/oC，适用的工作温度为-40 oC到85 oC。基于上述原因，磁敏二极管实际使用时，需要进行温度补偿。图2.3示出了几种温度补偿电路。（a）互补式温度补偿电路 （b）差分式温度补偿电（c）全桥温度补偿电路 图2.3 磁敏二极管的温度补偿电路 图2.3(a)中，两只磁敏二极管性能相近，但感磁面方向相反（即若D1感受到的是正向磁场，D2感受到的就是反向磁场）。首先温度的变化对两个磁敏二极管阻值的影响基本相同，故其分压比将保持不变，输出电压U也不随温度而变化，这样就达到了温度补偿的
19、目的。除此之外，该互补电路还能提高测磁灵敏度，这是因为当外磁场为B时，若D2的等效阻抗增加，则D1的等效阻抗必然减小，这样相对于在D1位置上放置一个固定电阻来说，显然D2上的分压会更多，也就是说，同样的磁场会造成更大的电压输出。图2.3(b)中，两只磁敏二极管性能接近，感磁面方向也相反，因此温度的影响对a、b两点是一样的，故Uab消除了温度的影响，同时，由于D1、D2感磁面方向相反，故其输出将会是非差分电路的两倍。图2.3(c)则是综合了图2.3(a)、(b)两种补偿方法，具有最好的温度补偿性和最高的灵敏度。图2.4示出了锗磁敏二极管与硅磁敏二极管的伏安特性曲线。注意Si磁敏二极管的电流-电压
20、特性曲线中产生“负阻”现象。其原因是高阻I区热平衡载流子少,注入I区的载流子在未填满复合中心前不会产生较大电流。只有当填满复合中心后电流才开始增加,同时I区压降减少,表现为负阻特性。（a）单个使用 （b）互补使用图2.5 磁敏二极管的磁电特性曲线 2.1.4磁敏二极管测磁的特点磁敏二极管测磁的特点 磁敏二极管测磁具有如下特点：（1）既可以测量磁场的强度又可以测量磁场的方向；（2）可用来检测交、直流磁场,特别适合于测量弱磁场；（3）可以正反向测量，利用这一特性可制作成无触点开关；（4）灵敏度高，即使在小电流下,也可获得很高的灵敏度；（5）线性性能不如霍尔元件。磁敏三极管是基于双注入、长基区二极管
21、设计制造的一种结 型磁敏晶体管，它也可以分为NPN和PNP两种类型，制作的材料既可以是Ge也可以是Si。2.2.1磁敏三极管的结构 图2.6(a)、(b)分别是Ge、Si两种磁敏三极管的结构示意图。可以看出,Ge磁敏三极管是立体式结构，有发射极e、基极b和集电极c（均通过合金法或扩散法在弱本征p型半导体上形成）。其中集电极和发射极上下正对，基极则位于侧面。在发射极一侧的基区制造一个高复合的r区；硅磁敏三极管则是一种平面式的结构，它是在n型基底上分别形成发射区和集电区，再扩散磷形成基区，最后形成PNP型磁敏三极管。需要注意：硅磁敏三极管没有高复合区。（a）磁敏三极管基本应用电路 （b）磁敏三极管
22、电路差分式温度补偿电路图2.9 磁敏三极管应用电路 图2.9（b）所示电路中，两只磁敏三极管的磁、电以及温度特性等都一致，但感磁面相反，这样其输出的差分信号中由于温度造成的误差就会相互抵消掉。同时，电路的灵敏度也会得到提高。3 磁阻式磁敏传感器磁阻式磁敏传感器 磁阻式磁敏传感器又称为磁敏电阻，它包括使用InSb材料制作的半导体磁敏电阻器与使用CoNi（镍钴合金）强磁材料制作的强磁性材料磁敏电阻器，以及韦根德器件等，它们统称为MR（Magnetic Resistor）。此外，巨磁阻效应器件（GMR）以及Z元件等新型磁阻元件也逐渐得到广泛应用。3.1 半导体磁阻传感器半导体磁阻传感器 3.1.1
23、磁阻效应磁阻效应 位于磁场中的通电半导体，因洛仑兹力的作用,其载流子的漂移方向将发生偏转，致使与外加电场同方向的电流分量减小，电阻增大，这种现象称为磁阻效应。它包括物理磁阻效应与几何磁阻效应。3.1.1.1 物理磁阻效应物理磁阻效应 物理磁阻效应是指长方形半导体片受到与电流方向垂直的磁场作用时所产生的电流密度下降、电阻率增大的现象。半导体中，载流子的漂移速度是服从统计规律分布的。在霍尔电场EH的作用下,只有速度的电子其运动方向才不发生偏转，而速度大于或小于vx的电子其运动方向都发生偏转，电子运动方向发生变化的直接结果是沿着Ex方向的电流密度减小,电阻率增大。这是物理磁阻效应的内部机理。物理磁阻
24、效应又可分为横向磁阻效应与纵向磁阻效应。当电流和磁场的方向垂直时,称为横向磁阻效应；否则成为纵向磁阻效应。横向磁阻效应比纵向磁阻效应大。设没有磁场时的电阻率为0，施加磁场时的电阻率为H，则横向磁阻效应的大小可用横向磁阻系数Mt来表示：分析还表明：弱磁场时/0与B2成正比；随着磁场的增大,/0与B成正比;当磁场增大到无限大时,电阻率趋向于饱和。20200BBMHt 3.1.1.2 几何磁阻效应几何磁阻效应（1）几何磁阻效应）几何磁阻效应 几何磁阻效应是指在相同磁场作用下,由于半导体片几何形状的不同而出现电阻值不同变化的现象，几何磁阻效应又称为形状效应。假设g，G为样品的形状系数，为霍尔角，,g、
25、Rg为有磁场作用时一定形状半导体样品的电阻率和电阻，0、R0为无磁场作用时同一半导体样品的的电阻率和电阻。经过一定理论分析，可得到各种磁场情况下的磁阻比如式(3.3)所示。可以看出，g与G越大，磁阻效应越强。强磁场中等磁场弱磁场GtglWntggtggRRgggg0n020021,11(3.3)（2）几何磁阻效应的试验结果）几何磁阻效应的试验结果 表3.1示出了几何磁阻效应的实验结果。可以看出，当外加磁场为0时，不同L/W半导体样品材料的磁阻比是相同的。而外加磁场不为零时，L/W越大，磁阻比越小，说明几何磁阻效应越弱。对同一种形状，磁场越强，磁阻比越大，几何磁阻效应越强。常用的圆盘形磁敏电阻器
26、又称为科尔宾元件，它是通过在盘形元件的外圆周边和中心处,装上电流电极形成的。其两个电极间形成一个电阻器,电流在其中流动时,载流子的运动路径会因磁场作用而发生弯曲使电阻增大。在电流的横向,电阻是无“头”无“尾”的,因此霍尔电压无法建立,有效消除了霍尔电场的短路影响。由于不存在霍尔电场,电阻会随磁场有很大的变化。当内电极半径和外电极半径分别为r1和r2时,科尔宾元件的电阻为：式中Rs是薄层电阻，r1为工艺条件决定的常数，因此，R随r2的变化而变化。科尔宾元件的霍尔电压被全部短路而不在外部出现，电场呈放射形，电流和半径方向形成霍尔角，表现为涡旋形流动。这种情形下可以获得最大磁阻效应，它相当于L/W0
27、的情况，如表3.1所示。12lnrrRRs（3）几何磁阻效应的机理）几何磁阻效应的机理 图3.1示出了几何磁阻效应的机理。图中以E标识的虚线表示两个电流电极之间电场的方向；以I标识的虚线表示电流的方向。电流的流动由磁阻元件的形状以及边界条件来决定。由于电极的电导率比半导体的电导率大得多，因此，电场必须垂直于电极面（如图3.1中E所示）。而磁场中的电流方向因霍尔角而不同，同时电流必须平行流动，可知磁场中的电流应按图3.1所示的I分布流动。从图中可以看出，两个电极间的电流路径因磁场作用而加长，因此电极间的电阻值也增加。反过来，当元件的长宽比L/W发生变化时，其电流路径也会跟着变化，极间电阻变化率就
28、会受到影响。图图3.1 几何磁阻效应原理图几何磁阻效应原理图（4）磁敏电阻的温度特性）磁敏电阻的温度特性 磁阻元件材料InSb的电阻随温度升高而下降，经过适当的掺杂，能改善InSb磁敏电阻的温度特性。即便如此，一般也需要在电路中对InSb磁敏电阻的温度特性进行补偿。3.1.2 磁敏电阻的形状磁敏电阻的形状 磁敏电阻有各种各样的形状，如图3.2所示。（a）长方形磁阻元件（b）栅格型磁敏电阻（c）曲折型磁阻元件（d）圆盘形元件 图3.2 磁敏电阻的形状 图3.2（a）的长方形磁阻元件L/W小于1，之所以做成这种形状，是因为L/W越小，磁阻效应越强（参见表1）；图3.2（b）是若干（一般为几十）个长
29、方形磁阻元件经金属条串接在一起形成的，很显然它的灵敏度要远高于单个的长方形磁阻元件；图3.2（c）所示的曲折形磁阻元件实际上是图3.2（b）的一种变形；图3.2（d）所示的圆盘形磁敏电阻是最常用的一种形状，即前已述及的科尔宾元件。3.1.3 半导体磁敏电阻的主要技术参数半导体磁敏电阻的主要技术参数描述半导体磁敏电阻的主要技术参数如下：描述半导体磁敏电阻的主要技术参数如下：（1）B=0时的电阻值 R0（2）B0时的磁阻比RB/R0（3）最大允许功耗（mW）（4）电阻温度系数（%/oC）（5）额定工作电流（6）最大工作电流（7）平均失效率（/h）（8）最大输入电压（9）形状效应系数（10）半导体磁
30、敏电阻的材料（11）半导体磁敏电阻的的短路条尺寸3.1.4 半导体磁敏电阻的应用半导体磁敏电阻的应用 磁敏电阻可以用来探测磁场，还可以用来测量位移、角度、功率、电流以及制作交流放大器、振荡器等。下面主要介绍三端型InSb磁敏电阻构成的直线位移传感器的工作原理以及输出特性。如图3.3所示，永磁铁与被测移动物体固定在一起。当位移为0时，永磁铁的位置使磁敏电阻R2-1=R2-3，分压比U1/E=50%；当物体沿x正向移动时，U1/E50%。在一定运动的范围内，分压比与位移成正比。（a）工作原理 （b）输出特性曲线图3.3 InSb磁敏电阻位移传感器图图3.4 使用磁敏电阻的磁性识别传感器外形使用磁敏
31、电阻的磁性识别传感器外形 3.2 韦根德器件韦根德器件 韦根德器件是利用韦根德效应制成的一种无源磁敏器件，它由美国科学家韦根德在1965年发明。该传感器无需外加工作电源便能将磁信号转变成电信号，因此它又被称为零功耗磁敏传感器。3.2.1韦根德器件的工作原理韦根德器件的工作原理 韦根德器件由一根磁敏感功能合金丝和缠绕其外的感应线圈组成。其核心是使用直径0.3mm的坡莫合金（50Fe50Ni）和维卡合金（VICALOY）（10V52Co38Fe）经过热处理和机械处理制成的细导线合金丝。韦根德器件主要用来检测外界磁场的变化。(1)韦根德金属丝中的磁场韦根德金属丝中的磁场 韦根德金属丝经过适当的热处理
32、和机械处理之后，导线内芯会变软，并存有5Oe的小矫顽力磁场（为了去掉铁磁材料的剩磁，必须要加的一个反向磁场强度，称为矫顽力磁场，可记为HCORE）；导线外层会变硬，其矫顽力磁场可高达20-40 Oe（记为HOUT）。(2)韦根德金属丝中的两种磁化状态韦根德金属丝中的两种磁化状态及其转化及其转化 状态1:用外界强磁场HH（HOUTHCORE）对韦根德金属丝进行磁化，此时导线内芯和外层的磁化方向相同，如图3.5中的状态1所示。图3.5 韦根德金属丝的磁化状态及其转化条件 状态2：去掉上述外加磁场HH后，HOUT会使韦根德金属丝内芯的磁化方向发生，由状态1转化为状态2（见图3.5）。要使韦根德金属丝
33、由状态2反转到状态1，则必须再对其施加外磁场HL（HCOREHL700），R为GMR在有磁场作用时的电阻变化值，指磁场强度的空间方向,其值为0360。GMR器件的有效检测距离为25mm，在弱磁场下灵敏度非常高（515kA/m范围内的灵敏度:4%），工作温度范围宽(-40+120),其标称阻值R0和R具有优良的线性温度特性(R0温度系数0.090.12%/;R温度系数-0.12-0.09%，磁阻效应温度系数RR0：-0.270.23%)。除此之外，还有体积小、功耗低（工作电源电流:7mA）等特点，巨磁阻效应器件(GMR)由德国西门子公司研制生产，因其对磁场的方向非常敏感，故特别适合于制作角度编码
34、器、无接触电位器,也可用于GPS导航系统等。GMR还用在汽车防抱死系统(ABS)传感器及电喷发动机测速传感器中。磁共振法是利用磁共振现象来精密测量磁场的一种方法。它可用于确定地下埋藏物（如油罐、井口、管道、武器、洞穴、古迹等）的位置，进行地质结构调查，寻找矿源，确定矿区岩区位置等。磁共振法包括核磁共振法、顺磁共振法、光泵磁共振法等三种主要方法。从精确度上来说，光泵法最高，核磁共振次之。本章主要介绍属于光泵法的光泵式磁敏传感器和属于核磁共振法的质子旋进式磁敏传感器的原理与应用。5.1光泵式磁敏传感器光泵式磁敏传感器5.1.1光泵式磁敏传感器的组成光泵式磁敏传感器的组成5.1.2 光泵式磁敏传感器
35、的原理光泵式磁敏传感器的原理1.相关概念及结论相关概念及结论（1）磁矩：依安培假说，物质的一切磁性均来源于与原子相联系的环形电流。磁矩就是该电流强度的大小i与电流环截面积S之乘积，磁矩与环形电流方向之间的关系遵循右手定则。这说明磁矩是一个矢量。电子既存在轨道磁矩，又存在自旋磁矩。原子核只有自旋磁矩。一般用字母来表示磁矩，则有。（2）角动量：环形运动物体的半径r与其动量mv之叉积，称为角动量，它也是矢量。一般用L来表示角动量，则有。（3）质子磁矩与角动量关系：由磁矩与角动量的定义，经过一定的推导和分析，可以得到二者之间的关系为：P 式中，称为旋磁比，为一常数。（4）质子在恒定磁场中的进动）质子在
36、恒定磁场中的进动 质子是自旋的，因此具有自旋磁矩和自旋角动量P。当将其放入磁感应强度为B0的恒定外磁场中时，磁矩将和磁场B0发生相互作用，产生力矩T，可表示为：0BT (5.2)在T的作用下，质子会像陀螺一样，在自旋的同时，绕B0轴“公转”，这称之为“进动”。质子进动所描绘的磁矩（动量矩P）的轨迹是一个圆锥形。分析表明，质子进动时磁矩和时间t的关系为：常数zyxAtBAtBA|sincos00由上式可知，质子磁矩绕恒定外磁场B0进动的角频率L为：0BL （5）塞曼效应与磁共振）塞曼效应与磁共振所谓塞曼效应是指在外磁场作用下原子能级产生分裂的现象。根据塞曼效应，当原子的能级间发生跃迁时，将会辐射
37、或者吸收电磁波。在上述质子绕外磁场B0进动的系统中，若在垂直于B0的方向同时施加一个振幅远小于B0的线偏振交变磁场B1=（2B1cost）i（i表示B1的方向为x轴，此处还假定B0的方向为z轴）。可以把B1按下式分解为两个反向运动的圆偏振磁场B+和B-：将此式与上述质子进动时磁矩和时间t的关系式对比可知，正向圆偏振磁场B+的旋转方向与质子进动方向是一致的，能够与质子磁矩发生相互作用，当=L时，就会发生共振吸收现象，导致原子核的能级跃迁；而反向圆偏振磁场B-的旋转方向与质子进动方向则相反，故对质子磁矩的影响比较小，可忽略。tBtBtBtBBBsincossincos11111jiBjiBB(5.
38、5)上述=L时，质子从线偏振磁场B1=2B1cost中吸收能量，导致原子核能级跃迁的现象就称为磁共振。（6）光泵磁共振）光泵磁共振光泵（或光抽运）是指利用红外线或可见光照射物质，使物质的原子产生往复的能级跃迁，最后使原子由低能级升到高能级的过程。光泵式磁敏传感器中通常都使用碱金属的同位素作为探头的敏感元素。图5.2示出了铷原子的光泵磁共振过程。可以看出，87Rb的基态为52S1/2，第一激发态为52P1/2。这两个能级每个又分裂为F=2及F=1的两个次能级（即精细结构）。外磁场作用下，由于塞曼效应，每个次能级又各自分裂成2F+1个超细能级（即超精细结构）。注意基态中的次能级以及超细能级间距都大
39、于激发态。位于弱磁场的87Rb能级系统，存在三种可能的辐射跃迁：一是两个状态52S1/2与52P1/2之间的跃迁；二是同一次能级下超细能级之间的跃迁，其跃迁频率与外磁场的磁感应强度B0成正比；三是同能级状态下两个不同次能级之间的跃迁。光泵磁共振的光抽运过程基于第一种跃迁，当右旋圆偏光的行进方向与外磁场方向相同时，52S1/2态的mF能级上的原子吸收光的能量后只能跃迁到52P1/2的mF+1能级上，即磁量子数差mF=1。由图5.2可知，对于基态mF=2上的原子，无法满足该跃迁条件。达到激发态的原子，满足条件mF=0，1时，会以几乎相同的机率跃迁到基态所有能级，这会导致基态52S1/2的mF=2能
40、级上的原子不断增加，其它超细能级的原子不断减少，从而实现了低超细能级的原子向高超细能级的抽运，使整个原子系统处于52S1/2的mF=2高能态上。此时，系统对于光的能量吸收变小，通过样品的光达到最强状态，同时，质子磁矩绕磁感应强度B的方向进动，这就是光抽运的过程。当原子系统处于52S1/2的mF=2的高能态上后，若在垂直于磁感应强度B0和光的传播方向上施加频率与两超细能级之间跃迁的辐射频率相同的高频电磁场，则使绕磁场进动的原子核与高频电磁场之间发生磁共振，从而基态中m=2超细能级上的原子产生受激辐射，原子磁矩取向被打乱，超细能级上的原子数重又相等，使得上述光抽运过程可继续进行。此时，通过样品的光
41、被原子吸收，透射光达到最弱状态。综上所述，若调节高频磁场的频率，使通过光量为最小，此时发生磁共振，其磁量子的能量（hf）就相当于两个超细能级的间隔，由下述式（5.6）即可求得被测磁感应强度B0。此即光泵式磁敏传感器的测磁公式。LfB20 2.光泵式磁敏传感器的工作过程光泵式磁敏传感器的工作过程 根据图5.1，首先，将测磁传感器置于被测外磁场中，并使传感器的轴向与外磁场方向平行。其后，将高频振荡器打开，激发氦灯使发出辐射线，并经过透镜变成平行光，再经偏振片和/4波片变成圆偏振光，直射至吸收室。铷原子在外磁场作用下产生塞曼分裂，塞曼能级5S1/2原子吸收辐射线，跃迁到5P1/2态而产生光泵作用。其
42、结果使原子磁矩取向于5S1/2态mF=2的磁子能级上。当吸收室内原子磁矩排列好后，不再吸收光线，透过吸收室的光达到较强状态。若在和外磁场(即光轴)垂直的方向加一交变磁场，则产生磁共振，原子磁矩的定向排列被打乱，吸收辐射线产生光泵作用而重新取向，此时光吸收作用最强，出射光线最暗。测出最暗时（即磁共振时）射频场的频率f0，即可由式（5.6）求出被测外磁场B0的大小。5.1.3光泵式磁敏传感器的特点与应用光泵式磁敏传感器的特点与应用 1.光泵式磁敏传感器的特点（1）灵敏度高，一般可达0.01nT量级，理论灵敏度高达10-210-4nT。（2）无论缓慢变化还是高速瞬变的磁场均可测量；（3）既可测量磁场
43、分量又可测量磁场梯度；2.光泵式磁敏传感器的应用光泵式磁敏传感器的应用 光泵式磁敏传感器已广泛应用于地球物理观测、航天、寻找地下资源、机载探潜、考古等方面。图5.3给出的是相关网站展出的G858 型便携式铯光泵磁力仪的现场使用照片。它包括探头（直径6cm，重340g）、装在腰带上的控制盒（宽15cm，高8cm，长28cm，重1.6kg）、操纵杆和背带、以及附在尼龙腰带上的电池等。主要用于矿藏、石油、环境勘探等方面。G858型便携式铯光泵磁力仪是基于自振荡离散波束铯蒸气（无放射性CS-133）的，其灵敏度与测量速度有关。若测量速度为 0.1s，灵敏度为 0.05nT；测量速度为 0.2s，灵敏度
44、达0.03nT；测量速度 0.5s，灵敏度为0.02nT；测量速度 1.0s时灵敏度高达 0.01nT。它既能输出地磁波动的音频信号，又能将数据通过RS-232标准串口连续输出，同时自身带微控制器驱动的320 x 200日光型液晶显示屏，可进行数据（剖面、总磁场（分辨率0.1nT）、梯度（0.1nT）、调查/绘图参数和诊断）显示、系统功能设置、调查设置、调查监测等。该仪器配12VDC可充电电池，磁力仪用时寿命6小时，梯度仪用时寿命3小时。5.2 质子旋进式磁敏传感器质子旋进式磁敏传感器5.2.1 质子旋进式磁敏传感器的结构质子旋进式磁敏传感器的结构图5.4 质子旋进式磁敏传感系统的结构组成示意
45、图 图5.4示出了质子旋进式磁敏传感系统的结构组成。其传感部分为一500cc左右有机玻璃容器，并灌以蒸馏水。容器外面绕以数百匝的导线，并使线圈轴向与被测外场B0的方向垂直。除探头外，图中还示出了传感器其它的主要组成模块。5.2.2 质子旋进式磁敏传感器的原理质子旋进式磁敏传感器的原理 质子旋进式磁敏传感器是基于核磁共振感应法原理来进行磁场测量的。我们知道，当测量弱磁场时，因样品中的原子取向接近于自由状态，故核磁共振信号很弱。为了增强共振信号，必须设法使样品的核磁矩增加，并使其方向尽量偏离被测磁场B0，这可通过给样品施加一辅助磁场（称预极化场）Bp（BpB0）来实现。BP会使核磁矩在摆脱电子壳层
46、磁矩影响的同时，使其偏离被测磁场B0接近90o，同时还会使核磁矩在Bp与B0的合成矢量方向上按指数规律增加。这时，若突然断开预极化场Bp，被大大增加的核磁矩的大小和方向还没来得及变化，就以拉莫尔角频率L围绕被测磁场B0进动，从而产生增强了的共振信号，原子核中的质子在旋进的过程中，会周期性地切割检测线圈，从而产生感应信号，这就是核磁共振感应法。由于初始核磁矩很大，故感应的信号也较强。但因为弛豫过程的作用，其信号幅度e的大小随时间按指数规律衰减，可表示如下：其中：为旋磁比，为磁化率，t2为横向驰豫时间，Bp为预极化场强，B0为被测场强，（NS）为检测线圈常数（匝数面积乘积），V为样品体积。上式表明
47、，感应信号的角频率为L，可由信号处理装置测量出L的大小，并根据式：tVeNSBxBeLttpsin2/0 得到被测磁感应强度B0的量值如下：0BL fBL20 (5.8)(5.9)上述方法属于静态极化法，由感应信号e的表达式知，信号的幅值为：VNSBxBepm0 (5.10)可以看出，该幅值与被测磁场大小B0有关。对于弱磁场，其测量灵敏度有限。若采用所谓的动态极化法，则可使样品的磁化强度比静态极化时大500倍，灵敏度大大提高，同时探头转向差小，工作温度范围加宽。动态极化法主要基于电子自旋和核自旋之间的相互作用。当把频率等于电子自旋共振频率的高频磁场作用于样品时，通过样品中核子和电子的偶极矩的作
48、用，把能量转移给原子核，从而实现了原子核的预取向。如上所述，这种方法，会使原子核预取向的强度远大于静态极化法，这正是动态极化法能获得高灵敏度的原因所在。5.2.3 质子旋进式磁敏传感器的应用质子旋进式磁敏传感器的应用 质子旋进磁力仪主要用于弱磁场的测量，它可应用于矿产资源勘探、工程勘探、磁场观测测量、管线探测、地质填图等领域。图5.5示出的是加拿大产的一种SM-19T型质子旋进磁力仪的外形。其技术指标（来自于相关网站资料）为：灵敏度：7,000nT/m；采样率：每3秒至60秒，一个读数工作温度：-40C到+60C 图5.5 SM-19T型质子旋进式磁力仪 GSM-19T型质子磁力仪主要包括主机
49、、探头及电缆、RS232电缆、4M存储器、探头支杆、运输箱、充电器、数据传输软件等部分。其工作模式包括流动测量、基站、遥控等。GSM-19T的优点包括：集成了GPS用于定位测量（分辨率可达5米、3米或1米）；高灵敏度的质子旋进系统（0.1纳特一次采样/秒），能用于测量近地表和地下目标体；高梯度容差（7000纳特/米），甚至在接近无地质信号地区也可提供高质量数据。此外，它还采用了先进的信号处理及存储、显示技术，方便用户操作。5.3.3超导磁敏传感器的应用超导磁敏传感器的应用 SQUID在弱磁场测量中具有极高的灵敏度，其频带从直流到MHz，可应用于生物磁测量、无损探伤、大地测量等领域。1.生物磁场
50、的测量生物磁场的测量 生物磁场的测量包括心磁图、脑磁图等的测量，可用于心脑疾病的诊断。目前低温SQUID生物磁图仪较为成熟，高温超导SQUID的灵敏度能轻松实现心磁测量，但对于脑磁测量还有一些难度。2.无损探伤无损探伤 作为最灵敏的磁场探测器，SQUID可以通过测量缺陷的磁性反常来进行无损探伤。它可以工作到lOHz以下直到直流,这在金属材料的深层检测中具有很大的优势。此外高温SQUID的探测线圈与室温样品的距离可以更近，因此无论信噪比还是价格都有优势。国外利用SQUID已经能够实现对飞机机翼的内部缺陷、金属材料的腐蚀性、桥梁建筑、集成电路中的短路等进行定位与检测等。3.大地测量大地测量 SQU
