M Mx2My2 A常数
从上式可看出，Mz是 常数，磁矩M在z轴上 的投影是不变的；磁 矩M在x轴上的投影 是按余弦规律变化的； 磁矩M在y轴上的投 影是按正弦规律变化 的。由图看出：
z
Mz
α
Mx x
y My
M┴
磁矩 M 旋进规律变化示意图
磁矩M在xy平面上的投影的绝对值是一个常 数，并且在xy平面上旋进。
传感器技术应用磁敏传感器
综合起来看，质子磁矩M在外磁场T的作用下，绕 外磁场T旋进，它的轨迹描绘出一个圆锥体，旋进的 角频率为ω，称为拉莫尔频率（Larmor frequency）。
根据简谐运动方程，可得到： 2f PT
即： f P T 2
γp=（2.67513±0.00002）S-1T-1
将此值代入上式
第二章 磁敏传感器
磁敏传感器是对磁场参量(B,H,φ)敏感的元器件或 装置 ,具有把磁学物理量转换为电信号的功能。
第一节 质子旋进式磁敏传感器 第二节 光泵式磁敏传感器 第三节 SQUID磁敏传感器 第四节 磁通门式磁敏传感器 第五节 感应式磁敏传感器 第六节 半导体磁敏传感器 第七节 机械式磁敏传感器 传感器技术应用磁敏传感器
的导线,使线圈轴向与外磁场方向大致垂直,线圈中通以
1～3A的电流,而形成约0.01T的极化场,使水中质子磁矩
指向极化场H的方向。
若迅速撤去极化磁场,则M的数值与方向均来不及变化,弛豫过程
来不及影响M的行为,此时,质子磁矩在自旋和外磁场T的作用下以
角速度ω绕外磁场T旋进。在旋进的过程中，周期性切割测量线
磁敏传感器的种类
▪质子旋进式磁敏传感器 ▪光泵式磁敏传感器 ▪SQUID（超导量子干涉器）磁敏传感器 ▪磁通门式磁敏传感器 ▪感应式磁敏传感器 ▪半导体磁敏传感器
霍尔器件、磁敏二极管、磁敏三极管、磁敏电阻
▪机械式磁敏传感器 ▪光纤式磁敏传感器
传感器技术应用磁敏传感器
第一节 质子旋进式磁敏传感器
质子旋进式磁敏传感器是利用质子在外磁场 中的旋进现象，根据磁共振原理研制成功的。
在自由旋进的过程中，磁矩M的横向分量以t2（横向弛 豫时间）为时间常数并随时间逐渐趋近于零；在测量 线圈中所接收的感应信号，也是以t2为时间常数按指数 规律衰减的。
y
υ
感应信号衰减示意图
M衰减示意图t2M来自x传感器技术应用磁敏传感器
t ω=γ T
质子旋进式磁敏传感器的组成
核心：500cc左右有机玻璃容器,在容器外面绕以数百匝
MpP
i jk Mx My Mz Tx Ty Tz
P
传感器技术应用磁敏传感器
设Tz=T(外磁场)；Tx=0；Ty =0
磁
矩 三 个
dM dt
dM dt
x y
P M yTz M
P M zT x M
zT y
xT z
分
量
dM dt
z
P
M
xT y
M
yT x
dM dt
x
PM
yT
圈，产生感应信号。由于弛豫过程的作用，其信号幅度Vt的大小 随时间按指数规律衰减，其表示式为：
→T
蒸馏水
放大器
计数器
线圈
E 传感器技术应用磁敏传感质器 子旋进式磁敏传感器
Vt V0et/t2
t2—横向驰豫时间； V0—信号初始幅度。
如果接收线圈有W匝,所包围的面积为S,充填因子为α,则
质子旋进
当去掉极化场H，质子 磁矩则以拉莫尔旋进频 率绕外磁场旋进。
当质子磁矩在旋进过程 中切割线圈，使线圈环 绕面积中的磁通量发生 变化，于是在线圈中就 产生感应电动势。
T
M
M
M
θ
预极化法示意图
H* H
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若测出感应电压的频率，就可计算出外磁场的大小。 因为极化场H大于外磁场，故此法可使信噪比增大H/T 倍。设外磁场T的磁感强度为0.5×10-4T，极化场H的磁 感强度为100×10-4 T，则可使信噪比增大200倍。
一、质子旋进式磁敏传感器的测磁原理
物理学已证明物质是具有磁性 的 。 对 水 分 子 （ H2O ） 而 言 ， 从 其分子结构、原子排列和化学价 的性质分析得知：水分子磁矩 （即氢质子磁矩）在外磁场作用 下绕外磁场旋进。
质子的旋进频率 f=γp T /2π
γp 为质子旋磁比；T为传感外器技磁术应场用磁强敏传度感器
通常采用预极化方法或辅助磁场方法来建立质子宏观 磁矩，以增强信号幅度。
具体作法是:用圆柱形玻璃容器装满水样品或含氢质子液 体，作为灵敏元件，在容器周围绕上极化线圈和测量线 圈或共用一个线圈，使线圈轴向垂直于外磁场T方向。
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在垂直于外磁场方向加一极化场H（该场强约为外磁场 的200倍）。在极化场作用下，容器内水中质子磁矩沿 极化场方向排列，形成宏观磁矩，如下图所示。
二、磁场的测量与旋进信号
在核磁共振中，共振信号的幅度与被测磁场T3/2成正比。
当被测磁场很弱时，信号幅度大大衰减。对微弱的被测 磁场，用一般的核磁共振检测方法是接收不到旋进信号 的。为了测得质子磁矩M绕外磁场的旋进频率 f 信号， 必须采取特殊方法： 使沿外磁场方向排列的质子磁矩,在极化场的激励下,建立 质子宏观磁矩,并使其方向于外磁场方向垂直或接近垂直
T
M α
质子磁矩旋进
从经典力学和量子力学观点,此公式的来源均能得以论证。
为方便起见，在此采用经典力学的观点，分析直角 坐标系中质子磁矩的旋进情况。
设质子磁矩M在外磁场T作用下有一力矩M×T，于是，
它和陀螺一样，其动量矩的变化率等于外加力矩，即：
动量矩
变化率
dP
MT
dt
dd M tPd dP tPM T
dM dt
y
PM
xT
dM z 0 dt
对dd上2M t2式x 中的P2T第2M一x 式0微显分然d ，d 2为M 2t简x 谐运Pd 动d方M ytT 程 ， 其P 2 解T2 为M x
同理
Mx My
AAcosisn((PTPTt t) )
M 常数 传感器技术应用磁敏传感器 z
信号强度
T23.487f 4 f 425.8T7
nT Hz
可见，频率f与磁场T成正比，只要能测出频率f，即可 间接求出外磁场T的大小,从而达到测量外磁场的目的。
需要指出的是：这里没有考虑驰豫时间,是在假设α角不 变、信号不衰减的前提下分析测磁原理的。但是，在 实际工作中是有驰豫传时感器间技术的应用，磁敏信传感号器也是衰减的。