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磁力計的類型
來源:賽斯維傳感器網(wǎng) 發(fā)表于 2021/9/23


在之前文章中,我們介紹了磁力計的基礎(chǔ)知識及其一些主要應(yīng)用。今天我們將更進一步,看看最常見的磁力計類型。


標量磁力計

標量磁力計對磁場的數(shù)值進行精確測量。每種類型都基于不同的物理現(xiàn)象:

霍爾效應(yīng):感應(yīng)施加磁場時電導(dǎo)體上感應(yīng)的電壓可以完美地用于測量磁場

質(zhì)子進動 (PPM): 利用核磁共振測量磁場中質(zhì)子的共振,測量線圈中由于其重新定向而產(chǎn)生的電壓

Overhauser:類似于霍爾效應(yīng)和質(zhì)子進動磁力計,但使用射頻信號來極化電子自旋

用于地球物理應(yīng)用的 Overhauser 磁力計。圖片由Gem System 提供


矢量磁力計

電感:通過測量樣品在變化的磁場中在某些檢測線圈中感應(yīng)的電流來測量某些粒子的偶極矩

磁通門:由磁環(huán)芯和至少兩個線圈繞組組成:驅(qū)動繞組和感應(yīng)繞組

 

磁通門磁力計繞組。圖片由倫敦帝國理工學(xué)院提供

 

霍爾效應(yīng): 產(chǎn)生與磁場成正比的電壓,并提供有關(guān)其模塊和方向的信息;廣泛用于傳感應(yīng)用而不是表征磁性材料

微機電系統(tǒng) (MEMS):使用光學(xué)手段在微觀尺度上檢測共振結(jié)構(gòu)的運動

 

MEMS 磁力計價格便宜且易于使用。圖片由Sparkfun Electronics 提供


梯度磁力計

雖然每個梯度磁力計都略有不同,但每個都大致具有相同的元素。首先,它們需要一個設(shè)備來產(chǎn)生一個已知的磁場,該磁場可以是交替的或恒定的。其次,梯度磁力計需要交替梯度場的源。最后,它們還需要電子或光學(xué)裝置來檢測和測量合力。


它們也都具有諧振操作,因此當達到最大幅度時,磁性樣品圍繞其諧振頻率移動。


磁力計的另一個相關(guān)方面是磁場的方向。在一些磁力計中,例如 Zijlstra 的,交變場和直流場都是垂直對齊和定向的。相比之下,在 Foner 的磁力計中,樣品垂直于磁場振動,這降低了必要設(shè)置的復(fù)雜性。


振動簧片磁力計

Zijlstra于 1970 年推出了第一批交變梯度磁力計之一。旨在克服以前磁力計的局限性,測量磁性材料的完整磁滯曲線。


簧片磁力計由一根細線組成,在其末端附有一個非常小的樣品以進行表征。有兩個反向串聯(lián)或差分耦合的線圈,以產(chǎn)生場梯度。該場在樣品上產(chǎn)生力,從而使簧片振動。由于運動非常微妙,頻率被設(shè)置為等于簧片的機械共振,因此運動被放大并且更容易被檢測到。使用顯微鏡和頻閃燈觀察簧片的運動。當通過線圈的電流恒定時,磁場也恒定;我們測量的運動與樣品的磁矩成正比。 


Zijlstra 的磁力計與以前的磁力計之間最顯著的區(qū)別是靈敏度和完全表征磁性材料的能力。要進行完整的磁性表征,樣品需要非常小以避免出現(xiàn)缺陷,問題在于能夠表征微米級樣品的磁力計只能表征一些磁特性,例如剩磁或磁化率,而不能表征完整的磁滯循環(huán).


振動樣品磁強計 (VSM)

大多數(shù)測量磁矩的設(shè)備都有一個檢測線圈,該線圈與產(chǎn)生交變磁場的線圈水平對齊。


振動樣品磁強計 (VSM)由 Foner 于 1959 年發(fā)明,引入了樣品運動垂直于施加的磁場的新穎性。Foner 降低了設(shè)置的復(fù)雜性,避免了對磁鐵的硬修改。


VSM 存在于許多實驗室中,并且可以在市場上買到。

商用振動樣品磁力計 (VSM)。圖片由微感提供


組合交變磁場磁強計

還有第三類磁力計,它結(jié)合了先前磁力計的特點;它們是所謂的組合磁力計。他們?nèi)匀皇褂脙蓚磁場;然而,它們不是只施加一個交替場和另一個恒定場,而是施加兩個交替場。與僅限于直流場的 VSM 或其他磁力計相比,最大的優(yōu)勢是在交流和直流中表征樣品。


其他磁力計產(chǎn)生的磁場的頻率等于樣品的機械共振頻率。組合磁力計產(chǎn)生兩個磁場,其差值等于共振頻率。由于其中一個磁場可以設(shè)置為 0 Hz,因此它可以完美地用作傳統(tǒng)的梯度磁力計。當改變這兩個頻率時,該設(shè)備用作磁感受計,測量磁矩的高次諧波。這種磁力計是由馬德里技術(shù)大學(xué)的研究人員于 2015年發(fā)明的。


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