第四章磁传感器优秀PPT.ppt

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1、第四章磁传感器1第一页，本课件共有44页 一、感应式磁敏传感器的物理基础一、感应式磁敏传感器的物理基础 法拉第电磁感应定律法拉第电磁感应定律对对于于带带有有磁磁芯芯导导磁磁率率为为的的螺螺线线管管线线圈圈，其其感感应应电电动动势势e e(t)(t)为：为：被测磁场的变化率可由线圈的感应电动势所反映。2第二页，本课件共有44页屏蔽铜箔屏蔽铜箔铝管铝管铝盖输出输出线圈线圈长螺旋管式传感器构成示意图长螺旋管式传感器构成示意图磁芯磁芯感应式磁传感器通常由线圈和放大器两部分组成。线圈中包感应式磁传感器通常由线圈和放大器两部分组成。线圈中包括绕组和磁芯两部分。磁芯通常采用高导磁率的磁性材料做括绕组和磁芯两

2、部分。磁芯通常采用高导磁率的磁性材料做成。成。3第三页，本课件共有44页 二、感应式磁敏传感器的设计二、感应式磁敏传感器的设计考虑因素：考虑因素：要有一定的灵敏度，体积不宜过大。要有一定的灵敏度，体积不宜过大。噪音要尽量低，这里包括热噪音、温差电势、潮湿噪音要尽量低，这里包括热噪音、温差电势、潮湿和接触污染等引起的噪音；线圈内阻要小；线圈避免和接触污染等引起的噪音；线圈内阻要小；线圈避免用普通焊锡接头；信号线要双层屏蔽，且不能镀锡；用普通焊锡接头；信号线要双层屏蔽，且不能镀锡；要求严格密封。要求严格密封。要有完善的电屏蔽。要有完善的电屏蔽。要尽量降低磁芯的损耗，尤其是要降低涡流损耗。要尽量降低

3、磁芯的损耗，尤其是要降低涡流损耗。因此各片磁芯间要求严格绝缘。因此各片磁芯间要求严格绝缘。磁芯的抗震性和温度稳定性要好。磁芯的抗震性和温度稳定性要好。4第四页，本课件共有44页 1 1、灵敏度、灵敏度为了获得最大灵敏度，就必须使乘积NS为最大。初始灵敏度初始灵敏度为了获得最大信号，必须使接入放大器输入电路之前为了获得最大信号，必须使接入放大器输入电路之前的线圈本身具有较高的灵敏度，即能感应出较高的电的线圈本身具有较高的灵敏度，即能感应出较高的电动势。这种灵敏度也称为初始灵敏度动势。这种灵敏度也称为初始灵敏度。根据法拉第电磁感应定律，感应电动势根据法拉第电磁感应定律，感应电动势5第五页，本课件共

4、有44页2 2、信噪比、信噪比主要考虑线圈电阻和匝数等参数的选择。假设磁场的频谱密度为假设磁场的频谱密度为H、频带宽度为、频带宽度为F，则线圈的，则线圈的感应信号，而根据热力学定律，噪声为感应信号，而根据热力学定律，噪声为式中，式中，K为波兹曼常数；为波兹曼常数；T为绝对温度为绝对温度则信噪比则信噪比6第六页，本课件共有44页3 3、磁芯材料、磁芯材料7第七页，本课件共有44页 三、测试与标定三、测试与标定8第八页，本课件共有44页感应式磁敏传感器的应用感应式磁敏传感器的应用9第九页，本课件共有44页磁通门式磁敏传感器又称为磁饱和式磁敏传感器。磁通门式磁敏传感器又称为磁饱和式磁敏传感器。利用某

5、利用某些高导磁率的软磁性材料（如坡莫合金）作磁芯，以其在交些高导磁率的软磁性材料（如坡莫合金）作磁芯，以其在交变磁场作用下的磁饱和特性及法拉第电磁感应原理研制成的变磁场作用下的磁饱和特性及法拉第电磁感应原理研制成的测磁装置。测磁装置。第五节第五节 磁通门式磁敏传感器磁通门式磁敏传感器最大特点最大特点：适合在零磁场附近工作的：适合在零磁场附近工作的弱磁场弱磁场进行测量。传感进行测量。传感器可作成器可作成体积小，重量轻、功耗低体积小，重量轻、功耗低，既可测纵向向量，既可测纵向向量T、垂垂直向量直向量Z，也可测，也可测T、Z，不受磁场梯度影响，测量的，不受磁场梯度影响，测量的灵敏灵敏度可达度可达0.

6、01nT，且可和磁秤混合使用组成磁测仪器。，且可和磁秤混合使用组成磁测仪器。应用应用：航空、地面、测井等方面的磁法勘探，在军事上，也：航空、地面、测井等方面的磁法勘探，在军事上，也可用于寻找地下武器（炮弹、地雷等）和反潜。还可用于可用于寻找地下武器（炮弹、地雷等）和反潜。还可用于预报天然地震及空间磁测等。预报天然地震及空间磁测等。10第十页，本课件共有44页一、磁通门式磁敏传感器的物理基础一、磁通门式磁敏传感器的物理基础磁饱和现象磁饱和现象饱和磁感应强度饱和磁感应强度Bs饱和磁场强度饱和磁场强度Hs（一）磁滞回线和磁饱和现象（一）磁滞回线和磁饱和现象BAHsHcFBr-HcE-BrDC静态磁滞

7、回线示意图BsHOB磁滞现象：磁感应强度的磁滞现象：磁感应强度的变化滞后于磁场变化滞后于磁场H H的变化的变化最大剩磁最大剩磁B Br rB Br r,B Bs s，H Hs s及矫顽力及矫顽力H Hc c是磁性材料是磁性材料的四个重要参数。的四个重要参数。磁通门传感器使用软磁性材料。磁通门传感器使用软磁性材料。动态导磁率动态导磁率11第十一页，本课件共有44页定定义义：物物体体在在磁磁场场中中被被磁磁化化后后，在在磁磁化化方方向向上上会会产生伸长或缩短现象。产生伸长或缩短现象。几种磁性材料的伸缩系数3020100-10-20-30l/lFeCoNi010203040H/10-4T45坡莫合金

8、（二）磁致伸缩现象（二）磁致伸缩现象饱和磁致伸缩系数饱和磁致伸缩系数12第十二页，本课件共有44页内内容容：不不论论何何种种原原因因使使通通过过一一回回路路所所包包围围面面积积内内的的磁磁通通量量发发生生变变化化时时，回回路路上上产产生生的的感感应应电电动动势势E与与磁磁通通随随时时间间t的的变变化化率率的的负负值值成成正比。正比。（三）法拉第电磁感应定律（三）法拉第电磁感应定律式中式中 k k比例系数。比例系数。13第十三页，本课件共有44页从这几种磁芯的性能来说，以圆形较好，跑道形次之。在磁场的分量测量中，用跑道形磁芯较多。磁通门传感器的磁芯几何形状二、磁通门式磁敏传感器的二次谐波法测磁原

9、理二、磁通门式磁敏传感器的二次谐波法测磁原理14第十四页，本课件共有44页1.长轴状跑道形磁芯长轴状跑道形磁芯跑道型磁芯机构示意图1灵敏元件架；2初级线圈3输出线圈；4坡莫合金环如如图图所所示示，一一般般沿沿长长轴轴方方向向的的尺尺寸寸远远大大于于短短轴轴方方向向的的尺尺寸寸，故故当当沿沿长长轴轴方方向向磁磁化化时时，要要比比沿沿短短轴轴方方向向磁磁化化时时的的退退磁磁作作用用及及退退磁磁系系数数小小得得多多。这这样样，就就可可以以认认为为跑跑道道形形磁磁芯芯仅仅被被沿沿长长轴轴方方向向的的磁磁场场所所磁磁化化。在在实实践践中中，也仅测量沿长轴方向的磁场分量也仅测量沿长轴方向的磁场分量。H1=

10、2HmsintH2=-2Hmsint41LS2ff2L1L2315第十五页，本课件共有44页由由分分段段函函数数组组式式可可知知，Es是是一一奇奇函函数数。富富氏氏分分解解中中的的余余弦弦项项的的系系数数an=0，a2=0。可可计计算算出出富富氏氏分分解解中中正正弦弦项项的的系系数数b2，进进而而得得出出总总感感应应电电压压表表达式：达式：2.2.富氏分解法富氏分解法这就是测量线圈中感应电压信号二次谐波的这就是测量线圈中感应电压信号二次谐波的完整表达式。由此可得出如下结论：完整表达式。由此可得出如下结论：16第十六页，本课件共有44页质子旋进式磁敏传感器是利用质子在外磁场中质子旋进式磁敏传感器

11、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。的旋进现象，根据磁共振原理研制成功的。物物理理学学已已证证明明物物质质是是具具有有磁磁性性的的。对对水水分分子子（H2O）而而言言，从从其其分分子子结结构构、原原子子排排列列和和化化学学价价的的性性质质分分析析得得知知：水水分分子子磁磁矩矩（即即氢氢质质子子磁磁矩矩）在外磁场作用下绕外磁场旋进在外磁场作用下绕外磁场旋进。一、质子旋进式磁敏传感器的测磁原理一、质子旋进式磁敏传感器的测磁原理质子磁矩旋进质子磁矩旋进TM质子的旋进频率质子的旋进频率p为质子旋磁比；为质子旋磁比；T为外磁场强度为外磁场强度f=p T/2第六节第六节 质子旋进式磁

12、敏传感器质子旋进式磁敏传感器17第十七页，本课件共有44页当当被被测测磁磁场场很很弱弱时时，信信号号幅幅度度大大大大衰衰减减。对对微微弱弱的的被被测测磁磁场场，用用一一般般的的核核磁磁共共振振检检测测方方法法是是接接收收不不到到旋旋进进信信号号的的。为为了了测测得得质质子子磁磁矩矩M绕绕外外磁磁场场的的旋旋进进频频率率f 信信号号，必必须须采采取特殊方法：取特殊方法：二、磁场的测量与旋进信号二、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在核磁共振中，共振信号的幅度与被测磁场T3/2成正比。成正比。使沿外磁场方向排列的质子磁矩使沿外磁场方向排列的质子磁矩,在极化场的激励下在极化场

13、的激励下,建立质子建立质子宏观磁矩宏观磁矩,并使其方向于外磁场方向垂直或接近垂直并使其方向于外磁场方向垂直或接近垂直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，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。以增强信号幅度。具体作法是具体作法是:用圆柱形玻璃容器装满水样品或含氢质子液体，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个线圈，使线圈轴向垂直于外磁场T方向。方向。18第十八页，本课件共有44页在垂直于外磁场方向加一极化场在

14、垂直于外磁场方向加一极化场H（该场强约为外磁场（该场强约为外磁场的的200倍）。在极化场作用下，容器内水中质子磁矩沿极化倍）。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。场方向排列，形成宏观磁矩，如下图所示。预极化法示意图H*MMMHT当质子磁矩在旋进过程中当质子磁矩在旋进过程中切割线圈，使线圈环绕面切割线圈，使线圈环绕面积中的磁通量发生变化，积中的磁通量发生变化，于是在线圈中就产生感应于是在线圈中就产生感应电动势。电动势。当去掉极化场当去掉极化场H，质子磁，质子磁矩则以拉莫尔旋进频率绕矩则以拉莫尔旋进频率绕外磁场旋进。外磁场旋进。19第十九页，本课件共有44

15、页M若若测测出出感感应应电电压压的的频频率率，就就可可计计算算出出外外磁磁场场的的大大小小。因因为为极极化化场场H大大于于外外磁磁场场，因因此此,可可使使信信噪噪比比增增大大H/T倍倍。设设外外磁磁场场T的的磁磁感感强强度度为为0.510-4T，极极化化场场H的的磁磁感感强强度度为为10010-4T，则可使信噪比增大，则可使信噪比增大200倍。倍。=Tt2t在自由旋进的过程中，磁矩在自由旋进的过程中，磁矩M的横向分量以的横向分量以t2（横向弛（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，也是以圈中所接收的感应信号，

16、也是以t2为时间常数按指数规律为时间常数按指数规律衰减的。衰减的。M衰减示意图感应信号衰减示意图xy20第二十页，本课件共有44页核心：核心：500cc左右有机玻璃容器左右有机玻璃容器,在容器外面绕以在容器外面绕以数百匝数百匝的导的导线线,使使线圈线圈轴向与外磁场方向大致轴向与外磁场方向大致垂直垂直,线圈中通以线圈中通以13A的的电流电流,而形成约而形成约0.01T的极化场的极化场,使水中质子磁矩指向极化场使水中质子磁矩指向极化场H的方向。的方向。质子旋进式磁敏传感器蒸馏水T计数器放大器线圈质子旋进式磁敏传感器的组成E若迅速撤去极化磁场若迅速撤去极化磁场,则则M的数值与方向均来不及变化的数值与

17、方向均来不及变化,弛豫过程来不弛豫过程来不及影响及影响M的行为的行为,此时此时,质子磁矩在自旋和外磁场质子磁矩在自旋和外磁场T的作用下以角速度的作用下以角速度绕外磁场绕外磁场T旋进。在旋进的过程中，周期性切割测量线圈，产生感应信旋进。在旋进的过程中，周期性切割测量线圈，产生感应信号。由于弛豫过程的作用，其信号幅度号。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的大小随时间按指数规律衰减，其表示式为：减，其表示式为：21第二十一页，本课件共有44页主要优点：主要优点：精度高精度高，一般在（0.110）nT范围内；稳定性好稳定性好（因p是一常数，其值只与质子本身有关，它的值与外界温度

18、、压力、湿度等因素均无关）；工作速度快工作速度快，可直读外磁场nT值；绝对值测量绝对值测量缺点是：极化功率大极化功率大,只能进行快速点测；受磁场梯度影响较只能进行快速点测；受磁场梯度影响较大大22第二十二页，本课件共有44页光光泵泵式式磁磁敏敏传传感感器器是是高高灵灵敏敏度度光光泵泵磁磁力力仪仪的的核核心心部部件件。它它是是以以某某些些元元素素的的原原子子在在外外磁磁场场中中产产生生的的塞塞曼曼分分裂裂为为基基础础，并并采采用光泵和磁共振技术研制成的。用光泵和磁共振技术研制成的。第七节第七节 光泵式磁敏传感器光泵式磁敏传感器磁力仪种类：磁力仪种类：氦氦(He)光泵磁力仪光泵磁力仪,其中又分其中

19、又分He3、He4光泵磁力光泵磁力仪仪;碱金属光泵磁力仪碱金属光泵磁力仪,其共振元素有铷其共振元素有铷(Rb85、Rb87)、铯、铯(Cs133)、钾钾(K39)、汞、汞(Hg)等。等。灵敏度高灵敏度高,一般为一般为0.01nT量级量级,理论灵敏度高达理论灵敏度高达10-210-4nT响响应频率高应频率高，可在快速变化中进行测量，可在快速变化中进行测量可测量磁场的总向量可测量磁场的总向量T及其分量，并能进行及其分量，并能进行连续测量连续测量利用光泵传感器做成的测磁仪器，是目前实际生产和科学利用光泵传感器做成的测磁仪器，是目前实际生产和科学技术应用中灵敏度较高的一种磁测仪器。它同质子旋进式技术应

20、用中灵敏度较高的一种磁测仪器。它同质子旋进式磁力仪相比有以下特点：磁力仪相比有以下特点：23第二十三页，本课件共有44页塞曼效应是指在外磁场中原子能级产生分裂的现象。塞曼效应是指在外磁场中原子能级产生分裂的现象。一、氦（一、氦（HeHe4 4）光泵式磁敏传感器的物理基础）光泵式磁敏传感器的物理基础xSSNv2v0v1Ov2v0v1zy塞曼效应：正常和反常塞曼效应塞曼效应：正常和反常塞曼效应正常塞曼效应：在弱磁场正常塞曼效应：在弱磁场中中,电子自旋量子数为零时电子自旋量子数为零时(S=0)产生的塞曼效应。产生的塞曼效应。反常塞曼效应：在弱磁场中反常塞曼效应：在弱磁场中,电子自旋量子数不为零电子自

21、旋量子数不为零(S0)时产生的塞曼效应时产生的塞曼效应光泵式磁敏传感器，不管是碱金属光泵式磁敏传感器，不管是碱金属Cs、Rb还是还是He4、He3光泵传感光泵传感器，电子自旋量子数均不为零（器，电子自旋量子数均不为零（S0），并且均是在弱磁场中工作，），并且均是在弱磁场中工作，故属反常塞曼效应。故属反常塞曼效应。成分成分24第二十四页，本课件共有44页He4原原子子在在稳稳态态下下既既不不具具有有核核磁磁矩矩,也也不不具具有有壳壳层层磁磁矩矩,整整个个原子不显示磁性原子不显示磁性,在外磁场中不产生塞曼能级分裂。在外磁场中不产生塞曼能级分裂。当把当把He4原子中一电子激发到亚稳态时原子中一电子激

22、发到亚稳态时,对正氦对正氦s=l的情的情况，则具有电子自旋磁矩。这时是单个电子的自旋磁矩况，则具有电子自旋磁矩。这时是单个电子的自旋磁矩，即原子的总磁矩，即原子的总磁矩J等于电子的总自旋磁矩等于电子的总自旋磁矩S，即，即J=S。由于电子自旋磁矩由于电子自旋磁矩J是在外磁场作用下是在外磁场作用下,故故二、氦（二、氦（He4He4）光泵式磁敏传感器的测磁原理）光泵式磁敏传感器的测磁原理s电子的总磁矩比电子的总磁矩比频率频率f与外磁场与外磁场T成正比关系，只要测出频率成正比关系，只要测出频率f即可求得外即可求得外磁场磁场T的大小。的大小。He4光泵式磁敏传感器测磁原理公式25第二十五页，本课件共有4

23、4页j=11111j=1D123S122P1D1线作用下线作用下He4亚稳态原子的光泵作用示意图亚稳态原子的光泵作用示意图00mj利用光使原子磁矩达到定向排列的过程利用光使原子磁矩达到定向排列的过程,也称光学取向。也称光学取向。（一）光泵作用（一）光泵作用实质实质26第二十六页，本课件共有44页过过程程：在在垂垂直直于于外外磁磁场场方方向向(即即垂垂直直于于光光轴轴)加加一一交交变变的的磁磁场场射射频频场场，使使射射频频场场的的频频率率f0等等于于相相邻邻磁磁子子能能级级间间的的跃跃迁迁频频率率。根根据据受受激激跃跃迁迁原原则则，射射频频场场将将使使富富集集在在mj=+1磁磁子子能能级级上上的

24、的原原子子，产产生生受受激激跃跃迁迁。首首先先向向mj=0磁磁子子能能级级上上跃跃迁迁，再再逐逐渐渐向向mj=-1的的磁磁子子能能级级跃跃迁迁，使使原原子子的的分分布布规规律律服服从从玻玻尔尔兹兹曼曼分分布布规规律律。于于是是原原子子磁磁矩的定向排列被打乱，完成了磁共振的整个过程。矩的定向排列被打乱，完成了磁共振的整个过程。（二）磁共振作用（二）磁共振作用用射频场打乱原子磁矩定向排列的过程。用射频场打乱原子磁矩定向排列的过程。27第二十七页，本课件共有44页2345891061放大He4光泵式磁敏传感器的组成框图1高频激发振荡器；2氦灯；3透镜1；4偏振偏；5/4；6吸收室；7RF振荡器；8射

25、频线圈；9透镜2；10光敏元件7He4光光泵泵式式磁磁敏敏传传感感器器系系由由吸吸收收室室、氦氦灯灯、两两个个透透镜镜、偏偏振振片、片、/4、光敏元件、光敏元件等元器件组成。等元器件组成。三、光泵式磁敏传感器的组成及工作原理三、光泵式磁敏传感器的组成及工作原理28第二十八页，本课件共有44页灵敏度极高灵敏度极高：可达：可达10-15T，比灵敏度较高的光泵式磁敏，比灵敏度较高的光泵式磁敏传感器要高出几个数量级；传感器要高出几个数量级；第八节第八节 SQUIDSQUID磁敏传感器磁敏传感器SQUIDSQUID磁敏传感器是一种新型的灵敏度极高的磁敏传感磁敏传感器是一种新型的灵敏度极高的磁敏传感器，是

26、以约瑟夫逊（器，是以约瑟夫逊（Jose PhsonJose Phson）效应为理论基础，用）效应为理论基础，用超导材料制成的，在超导状态下检测外磁场变化的一种超导材料制成的，在超导状态下检测外磁场变化的一种新型磁测装置。新型磁测装置。特点特点频带宽频带宽：响应频率可从零响应到几响应频率可从零响应到几kHz kHz。测量范围宽测量范围宽：可从零场测量到几：可从零场测量到几kTkT；29第二十九页，本课件共有44页n深深部部地地球球物物理理：用用带带有有SQUID磁磁敏敏传传感感器器的的大大地地电电磁磁测测深仪进行大地电磁测深，效果甚好。深仪进行大地电磁测深，效果甚好。n古地磁考古古地磁考古、测井

27、测井、重力勘探重力勘探及及预报天然地震预报天然地震。n生生物物医医学学：应应用用SQUID磁磁测测仪仪器器可可测测量量心心磁磁图图、脑脑磁磁图图等等，从从而而出出现现了了神神经经磁磁学学、脑脑磁磁学学等等新新兴兴学学科科，为为医医学学研研究究开开辟了新的领域。辟了新的领域。n固体物理固体物理、生物物理生物物理、宇宙空间宇宙空间：SQUID可用来测量极可用来测量极微弱的磁场，如美国国家航空宇航局用微弱的磁场，如美国国家航空宇航局用SQUID磁测仪器测磁测仪器测量了阿波罗飞行器带回的月球样品的磁矩。量了阿波罗飞行器带回的月球样品的磁矩。nSQUID技术还可用作电流计，电压标准，计算机中存储器，技术

28、还可用作电流计，电压标准，计算机中存储器，通讯电缆等；在超导电机、超导输电、超导磁流体发电、超导通讯电缆等；在超导电机、超导输电、超导磁流体发电、超导磁悬浮列车等方面，均得到广泛应用。磁悬浮列车等方面，均得到广泛应用。应用领域应用领域30第三十页，本课件共有44页超导电性超导电性：在某一温度：在某一温度T TC C以下电阻值突然消失的现象以下电阻值突然消失的现象。（a）T/K0T/K 00K0TC（b）电阻随温度变化曲线a、正常导体；b、超导体一、一、SQUIDSQUID磁敏传感器的基本原理磁敏传感器的基本原理超导体超导体：具有超导电性的物体。具有超导电性的物体。临界温度临界温度(T TC C

29、)：超导体从具有一定电阻值的正常态转变为：超导体从具有一定电阻值的正常态转变为电阻值突然为零时所对应的温度电阻值突然为零时所对应的温度,其值一般从其值一般从3.4K3.4K至至18K18K超导体特性：理想导电性；完全逆磁性；磁通量子化。超导体特性：理想导电性；完全逆磁性；磁通量子化。31第三十一页，本课件共有44页SSNNHH（c）（b）（a）（a）TTcH0（b）TTCH0（c）TTCH=0理想导电性实验1 1、理想导电性、理想导电性零电阻特性零电阻特性 若将一超导环置于外磁场中，然后使其降温至临界若将一超导环置于外磁场中，然后使其降温至临界温度以下，再撤掉外加磁场，此时发现超导环内有一感温

30、度以下，再撤掉外加磁场，此时发现超导环内有一感生电流生电流I，超导环内无电阻消耗能量，此电流将永远维持下，超导环内无电阻消耗能量，此电流将永远维持下去去，因无电阻。，因无电阻。32第三十二页，本课件共有44页（a）（b）迈斯纳效应示意图（a）正常态时，超导体内部磁场分布（b）在超导态时，超导体内部磁场分布2 2、完全逆磁性，迈斯纳、完全逆磁性，迈斯纳(Meissner)效应，效应，或排磁效应或排磁效应 超导体不管在有无外磁场存在情况下，一旦进入超导状超导体不管在有无外磁场存在情况下，一旦进入超导状态，其内部磁场均为零，即磁场不能进入超导体内部而态，其内部磁场均为零，即磁场不能进入超导体内部而具

31、有排磁性，亦称之为迈斯纳效应。具有排磁性，亦称之为迈斯纳效应。33第三十三页，本课件共有44页根据迈斯纳效应，把磁体放在超导盘上方，或在超导环上根据迈斯纳效应，把磁体放在超导盘上方，或在超导环上方放一超导球时，方放一超导球时，图图(a)中超导盘和磁铁之间有排斥力，能中超导盘和磁铁之间有排斥力，能把磁铁浮在超导盘的上面；图把磁铁浮在超导盘的上面；图(b)中由于超导球有磁屏蔽作中由于超导球有磁屏蔽作用，其结果可使超导球悬浮起来。这种现象称为磁悬浮现象。用，其结果可使超导球悬浮起来。这种现象称为磁悬浮现象。NS超导球超导球磁导盘磁导盘（a）（b）磁悬浮现象示意图磁悬浮现象示意图超导环超导环34第三十

32、四页，本课件共有44页假定有一假定有一中空圆筒形超导体中空圆筒形超导体(如图如图)并并按按下列步骤进行：下列步骤进行：(1)常态让磁场常态让磁场H穿过圆筒的中空部分。穿过圆筒的中空部分。(2)超导态筒的中空部分有磁场。超导态筒的中空部分有磁场。3 3、磁通量子化磁通量子化感生电流H0 TTC冻结磁通示意图(3)超导态撤掉磁场超导态撤掉磁场H，圆筒的中空部，圆筒的中空部分仍有磁场，并使磁场保持不变。称分仍有磁场，并使磁场保持不变。称为为冻结磁通现象冻结磁通现象。超导圆筒在超导态时，中空部分的磁通量是量子化的，并且超导圆筒在超导态时，中空部分的磁通量是量子化的，并且只能取只能取0 0的整数倍，而不

33、能取任何别的值。的整数倍，而不能取任何别的值。h h普郎克常数，普郎克常数，e e 电子电量，电子电量，0 0磁通量量子，磁通量自然单位磁通量量子，磁通量自然单位中空部分通过的总磁通量中空部分通过的总磁通量35第三十五页，本课件共有44页 该该图图是是两两块块超超导导体体中中间间隔隔着着一一厚厚度度仅仅1030的的绝绝缘缘介介质质层层而而形形成成的的“超超导导体体绝绝缘缘层层超超导导体体”的的结结构构，通通常常称称这这种种结结构构为为超超导隧道结，也称约瑟夫逊导隧道结，也称约瑟夫逊结。中间的薄层区域称为结区。这种超导隧道结具有特殊而有结。中间的薄层区域称为结区。这种超导隧道结具有特殊而有用的性

34、质。用的性质。超导电子能通过绝缘介质层，表现为电流能够无阻挡地超导电子能通过绝缘介质层，表现为电流能够无阻挡地流过，表明夹在两超导体之间的绝缘层很薄且具有超导性。流过，表明夹在两超导体之间的绝缘层很薄且具有超导性。约瑟夫逊结能够通过很小超导电流的现象，称为超导隧道约瑟夫逊结能够通过很小超导电流的现象，称为超导隧道结的约瑟夫逊效应，也称直流约瑟夫逊效应。超导结在直结的约瑟夫逊效应，也称直流约瑟夫逊效应。超导结在直流电压作用下可产生交变电流，从而辐射和吸收电磁波。流电压作用下可产生交变电流，从而辐射和吸收电磁波。这种特性称为交流约瑟夫逊效应。这种特性称为交流约瑟夫逊效应。绝缘层绝缘层超导体超导体超

35、导体超导体超导结示意图超导结示意图4 4、约瑟夫逊效应、约瑟夫逊效应36第三十六页，本课件共有44页直流约瑟夫逊效应表明，超导隧道结的介质层具有直流约瑟夫逊效应表明，超导隧道结的介质层具有超导体的一些性质，但不能认为它是临界电流很小的超超导体的一些性质，但不能认为它是临界电流很小的超导体，它还有一般超导体所没有的性质。导体，它还有一般超导体所没有的性质。实验证明，当结区两端加上直流电压时，结区会出实验证明，当结区两端加上直流电压时，结区会出现高频的正弦电流，其频率正比于所加的直流电压，即现高频的正弦电流，其频率正比于所加的直流电压，即f=KV式中式中K=2e/h=483.61012Hz/V。根

36、据电动力学理论高频电流会从结区向外辐射电磁波。根据电动力学理论高频电流会从结区向外辐射电磁波。可见，超导隧道结在直流电压作用下，产生交变电流，可见，超导隧道结在直流电压作用下，产生交变电流，辐射和吸收电磁波，这种特性即交流约瑟夫逊效应。辐射和吸收电磁波，这种特性即交流约瑟夫逊效应。37第三十七页，本课件共有44页约瑟夫逊的直流效应受约瑟夫逊的直流效应受着磁场的影响。而临界电流着磁场的影响。而临界电流IC对磁场亦很敏感，即随着磁对磁场亦很敏感，即随着磁场的加大临界电流场的加大临界电流IC逐渐变小，逐渐变小，如图。如图。超导结的超导结的Ic-H曲线曲线01234562010H=0Ic5、ICH特性

37、特性根据量子力学理论，超导根据量子力学理论，超导结允许通过的最大超导电结允许通过的最大超导电流流I Imaxmax与与的关系式的关系式沿介质层及其两侧超导体边缘透入超导结的磁通量；沿介质层及其两侧超导体边缘透入超导结的磁通量；0 0磁通量子；磁通量子；I IC C(0)(0)没有外磁场作用时，超导结的临界电流。没有外磁场作用时，超导结的临界电流。IC是是的的周期函数周期函数38第三十八页，本课件共有44页超超导导结结临临界界电电流流随随外外加加磁磁场场而而周周期期起起伏伏变变化化的的原原理理,用用于于磁磁场场测测量量。如如,若若在在超超导导结结的的两两端端接接上上电电源源,电电压压表表无无显显

38、示示时时,电电流流表表所所显显示示的的电电流流是是为为超超导导电电流流;电电压压表表开开始始有有电电压压显显示示时时,则则电电流流表表所所显显示示的的电电流流为为临临界界电电流流IC,此此时时,加加入入外外磁磁场场后后,临临界界电电流流将将有有周周期期性性的的起起伏伏,且且其其极极大大值值逐逐渐渐衰衰减减,振振荡荡的的次次数数n乘乘以以磁磁通通量量子子0,可可得得到到透透入入超超导导结结的的磁磁通通量量=n0。而而磁磁通通量量和和磁磁场场H成成正正比比关关系系,如如果果能能求求出出,磁磁场场H即即可可求求出出。同同理理,若若外外磁磁场场H有有变变化化,则则磁磁通通量量亦亦随随变变化化,在在此此

39、变变化化过过程程中中,临临界界电电流流的的振振荡荡次次数数n乘乘以以0即即得得到到磁磁通通量量的的大大小小,亦亦反反映映了了外外磁磁场场变变化化的的大大小小。因因而而,可可利利用用超超导导技技术术测测定定外外磁磁场场的的大大小小及其变化。及其变化。临界电流临界电流随外磁场周期起伏变化，这是由于在一定磁场作用下，随外磁场周期起伏变化，这是由于在一定磁场作用下，超导结各点的超导电流具有确定的超导结各点的超导电流具有确定的相位相位。相位相反的电流互。相位相反的电流互相抵消；相位相同的电流互相迭加。相抵消；相位相同的电流互相迭加。测磁原理测磁原理:39第三十九页，本课件共有44页测量外磁场的灵敏度与测

40、定振荡的次数测量外磁场的灵敏度与测定振荡的次数n n的精度及的精度及的大的大小有关。设小有关。设n n可测准至一个周期的可测准至一个周期的1/1001/100，则测得最小的变化，则测得最小的变化量应为量应为0 0/100=210/100=210-17-17T Tm m2 2。若假设磁场在超导结上的透。若假设磁场在超导结上的透入面积为入面积为L Ld d(L L是超导结的宽度，一般为是超导结的宽度，一般为0.lmm0.lmm左右；左右；d d是磁是磁场在介质层及其两侧超导体中透入的深度场在介质层及其两侧超导体中透入的深度)，则对，则对SnSnSnOSnOSnSn结来说，锡的穿透深度结来说，锡的穿

41、透深度=500=500，亦即，亦即d d=2=1000=2=1000。则，则，L Ld d 110110-11-11m m2 2，这里临界电流的起伏周期是磁通量子，这里临界电流的起伏周期是磁通量子0 0,0 0=210=210-15-15T Tm m2 2,对于透入面积对于透入面积L Ld d为为110110-11-11m m2 2的锡结的锡结而言，临界电流的起伏周期是：而言，临界电流的起伏周期是：40第四十页，本课件共有44页二、二、SQUIDSQUID磁敏传感器的构成类型磁敏传感器的构成类型 超超导导量量子子干干涉涉器器（SQUID）是是指指由由超超导导隧隧道道结结和和超超导导体体组组成成

42、的的闭闭合合环环路路。其其临临界界电电流流是是环环路路中中外外磁磁通通量量的的周周期期函函数数；其其周周期期则则为为磁磁通通量量子子0，它它具具有有宏宏观观干干涉涉现现象象。通通常常，人人们们称称这这样样的的超超导导环环路为超导量子干涉器件。路为超导量子干涉器件。射频超导量子干涉器（射频超导量子干涉器（RFSQUID）直流超导量子干涉器（直流超导量子干涉器（DCSQUID）超导量子干涉器件类型：超导量子干涉器件类型：41第四十一页，本课件共有44页CTRTRF振荡器（一）（一）RFSQUID射射频频超超导导量量子子干干涉涉器器含含有有一一个个超超导导隧隧道道结结的的超超导导环环，在在超超导导环

43、环中中存存在在超超导导量量子子干干涉涉效效应应。测测量量时时，采采用用射射频频电电流流进进行行偏偏置置，其其构构成成形形式式如如图所示。图所示。超导环超导环偏置的目的是使超导结周期地达到临界状态偏置的目的是使超导结周期地达到临界状态,使环外磁通使环外磁通以量子化的形式进入环内，从而在超导环内的超导电流产以量子化的形式进入环内，从而在超导环内的超导电流产生周期变化，这样在结上产生周期电动势，实现磁测。生周期变化，这样在结上产生周期电动势，实现磁测。采用交流偏置采用交流偏置,将一射频磁场耦合到超导环上，在外磁通作用将一射频磁场耦合到超导环上，在外磁通作用下下,测量超导结产生电动势。测量超导结产生电

44、动势。42第四十二页，本课件共有44页IAIBC1C212ABI（二）（二）DCSQUID直直流流超超导导量量子子干干涉涉器器（DCSQUID）是是在在一一块块超超导导体体上上由由两两个个超超导导隧隧道道结结而而构构成成的的超超导导环环。超超导导环环中中存存在在超超导导量量子子干干涉涉效效应应，测测量量时时用用直直流流电电流流进进行行偏偏置置，其结构如图所示。其结构如图所示。E43第四十三页，本课件共有44页应应用用超超导导量量子子干干涉涉器器检检测测磁磁通通量量变变化化时时，除经常使用的除经常使用的锁相放大技术锁相放大技术外，还采用外，还采用超导磁通变换器方法超导磁通变换器方法零磁通法零磁通法零电流方法零电流方法 三、三、SQUID SQUID 磁敏传感器的检测方法磁敏传感器的检测方法44第四十四页，本课件共有44页