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类型的磁力计

3天前通过伊格纳西奥·德·蒙迪扎巴尔

本高级指南介绍了常见类型的磁强计,包括标量、向量、梯度等。

在上一篇文章中,我们介绍了磁力计的基本知识以及它们的一些主要应用。今天我们将更进一步,看看最常见的磁力计类型。

标量磁力计

标量磁强计可以精确地测量磁场的数值。每种类型都基于不同的物理现象:

  • 霍尔效应:感应施加磁场时在导体上感应的电压可以很好地用来测量磁场
  • 质子旋进(PPM):利用核磁共振来测量磁场中质子的共振,测量线圈中由于质子的重新定向而产生的电压
  • 奥佛好塞:类似于霍尔效应和质子旋进磁强计,但使用射频信号极化电子自旋

一种用于地球物理应用的超耗磁强计。图片由宝石系统

向量磁力计

  • 归纳:将样品置于变化的磁场中后,通过测量某些检测线圈中感应的电流来测量某些粒子的偶极矩
  • 磁通门:由具有至少两个线圈绕组的磁环铁芯组成:驱动绕组和感觉绕组

磁通门磁力仪绕组。图片由伦敦帝国理工学院

  • 霍尔效应:产生与磁场成比例的电压,并提供关于其模块和方向的信息;广泛用于传感应用,而不是磁性材料的表征
  • 微机电系统(MEMS):用光学手段在微观尺度上检测共振结构的运动

MEMS磁力计价格低廉,易于使用。图片由Sparkfun电子

梯度磁力计

虽然每个梯度磁强计有一点不同,但每个都有大致相同的元素。首先,它们需要一个设备来产生一个已知的磁场,这个磁场可以是交替的,也可以是恒定的。第二,梯度磁力计需要一个交变梯度场的源。最后,它们还需要电子或光学手段来探测和测量合力。

它们也都有共振操作,所以当达到最大振幅时,磁性样品会围绕其共振频率移动。

磁力计的另一个相关方面是磁场的方向。在一些磁力计中,如Zijlstra的,交变磁场和直流磁场都是垂直排列的。相比之下,在福纳的磁力计中,样品是垂直于磁场振动的,这减少了必要设置的复杂性。

振簧式磁强计

Zijlstra介绍1970年第一批交变梯度磁力计之一。其目的是克服以往磁强计的局限性,测量磁性材料的完整磁滞曲线。

簧片磁强计由一根细导线和一个相当小的待鉴定样品连接在其末端组成。有两个线圈连接在串联相反,或差分耦合,以创建一个场梯度。这个磁场在样品上产生一个力,因此簧片发生振动。由于运动是非常微妙的,频率被设置为等于机械共振簧片,所以运动被放大,更容易检测。用显微镜和频闪观察灯观察簧片的运动。当通过线圈的电流是恒定的,磁场也是恒定的;我们所测量的运动与样品的磁矩成正比。

Zijlstra的磁强计与以往的磁强计最显著的区别在于灵敏度和对磁性材料进行完全表征的能力。要想有完整的磁性表征,样品需要非常小才能避免缺陷,问题是磁强计能够表征微米大小的样品只能表征一些磁性性质,如剩磁或磁化率,而不能完全表征磁滞回线

振动样品磁力仪(VSM)

大多数测量磁矩的设备都有一个检测线圈水平地与产生交变磁场的线圈对齐。

振动样品磁力仪(VSM)丰纳于1959年发明,介绍了试样运动垂直于外加磁场的新知。方纳减少了设置的复杂性,避免了对磁铁的硬修改。

VSMs存在于许多实验室和商业上。

一种商用振动样品磁力仪(VSM)。图片由

组合式交变磁场磁力计

还有第三类磁力计,它结合了前一类磁力计的特点;它们就是所谓的组合式磁力仪。它们仍然使用两个磁场;然而,它们不是只应用一个交变场和另一个常数场,而是应用两个交变场。与限于直流磁场的VSMs或其他磁强计相比,最大的优点是可以在交流和直流中对样品进行表征。

其他磁强计产生的磁场频率等于样品的机械共振频率。组合式磁力计产生两个磁场,其差值等于谐振频率。由于其中一个磁场可以设置为0赫兹,它可以很好地工作作为传统的梯度磁强计。当改变两个频率时,该装置就像电纳计一样,测量磁矩的高次谐波。这种类型的磁力仪是2015年发明马德里技术大学的研究人员。