振動(dòng)樣品磁強(qiáng)計(jì)(vsm)的原理

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1、注：本文為中國計(jì)量科學(xué)研究院磁性測量室所撰寫！聯(lián)系振動(dòng)樣品磁強(qiáng)計(jì)的使用及樣品測量請：www.mmmtl.cn，振動(dòng)樣品磁強(qiáng)計(jì)的原理如果將一個(gè)開路磁體置于磁場中，則此樣品外一定距離的探測線圈感應(yīng)到的磁通可被視作外磁化場及由該樣品帶來的擾動(dòng)之和。多數(shù)情況下測量者更關(guān)心的是這個(gè)擾動(dòng)量。在磁測領(lǐng)域，區(qū)分這種擾動(dòng)與環(huán)境磁場的方法有很多種。例如，可以讓被測樣品以一定方式振動(dòng)，探測線圈感應(yīng)到的樣品磁通信號(hào)因此不斷快速的交變，保持環(huán)境磁場等其他量不做任何變化，即可實(shí)現(xiàn)這一目的。這是一種用交流信號(hào)完成對磁性材料直流磁特性測量的方法。因?yàn)樵跍y試過程中，恒定的環(huán)境磁場可以直接扣除，而有用信號(hào)則可以通

2、過控制線圈位置，振動(dòng)頻率、振幅等得以優(yōu)化。振動(dòng)樣品磁強(qiáng)計(jì)（VSM）正是基于上述理論。VSM是一種高靈敏度的磁矩測量儀器。它采用電磁感應(yīng)原理，測量在一組探測線圈中心以固定頻率和振幅作微振動(dòng)的樣品的磁矩。對于足夠小的樣品，它在探測線圈中振動(dòng)所產(chǎn)生的感應(yīng)電壓與樣品磁矩、振幅、振動(dòng)頻率成正比。在保證振幅、振動(dòng)頻率不變的基礎(chǔ)上。用鎖相放大器測量這一電壓，即可計(jì)算出待測樣品的磁矩。VSM可以實(shí)現(xiàn)很高靈敏度的測量，商業(yè)產(chǎn)品的磁矩靈敏度往往好于10-9Am2,精確地調(diào)整樣品與線圈的耦合程度可以使這一參數(shù)低至10-12Am2。另一方面，用VSM進(jìn)行磁矩測量的范圍上限能夠達(dá)到0.1Am2或更高。3

3、.1.1振動(dòng)樣品磁強(qiáng)計(jì)原理假設(shè)一個(gè)小樣品具有磁矩m并可被等同為一個(gè)點(diǎn)，并將此樣品放在一個(gè)半徑為R的測試線圈平面上，我們將此樣品看作一個(gè)偶極子處理，即一個(gè)小環(huán)形電流，其電流強(qiáng)度為im，面積為a，因此。以探測線圈為原點(diǎn)，設(shè)偶極子所在位置為（x0,y0）,我們再假設(shè)在測試線圈中同時(shí)存在一個(gè)電流is，此時(shí)這兩個(gè)環(huán)形電流可認(rèn)為互相耦合。類似于互感器，它們之間具有互感系數(shù)M，兩者之間的磁通為：或，前者為從線圈鏈向磁偶極子的磁通，后者相反。探測線圈在磁偶極子處產(chǎn)生平行于z軸的磁感應(yīng)強(qiáng)度Bz(x0,y0)。這里我們定義一個(gè)重要的特征參數(shù)——探測線圈常數(shù)k(x0,y0)=Bz(x0,y0)/is

4、。從線圈鏈向磁偶極子的磁通還可以寫為，則互感系數(shù)為：注：本文為中國計(jì)量科學(xué)研究院磁性測量室所撰寫！聯(lián)系振動(dòng)樣品磁強(qiáng)計(jì)的使用及樣品測量請：www.mmmtl.cn，(2.6-57)于是偶極子鏈向探測線圈的磁通最終可以寫為：(2.6-58)推而廣之，如果偶極子處于更一般的位置（x,y,z），則有：(2.6-59)其中，如果這個(gè)偶極子以的速度移動(dòng)，那么探測線圈中產(chǎn)生的即時(shí)感應(yīng)電壓則為：(2.6-60)我們舉一個(gè)簡單的例子，圖2.6-15a所示的一對串聯(lián)線圈能夠產(chǎn)生x軸向的磁場，兩線圈完全相同，半徑為a，間距為d（若即是所謂的亥姆霍茲線圈）。將一個(gè)磁矩為m可等同為磁偶極子的樣品放入線圈

5、中心，并以速度移動(dòng)，則有(2.6-61)其中，而(2.6-62)注：本文為中國計(jì)量科學(xué)研究院磁性測量室所撰寫！聯(lián)系振動(dòng)樣品磁強(qiáng)計(jì)的使用及樣品測量請：www.mmmtl.cn，稱為靈敏函數(shù)。圖2.6-15b，表示相對靈敏函數(shù)。圖2.6-15a)半徑為a，間距為d的一對完全相同的串聯(lián)線圈；b)距離分別是a，a，1.848a時(shí)相對靈敏函數(shù)與偏離位移曲線；c)偏離范圍內(nèi)的靈敏函數(shù)曲線圖2.6-15b中為兩線圈半徑為a，距離分別是a，a，1.848a時(shí)，相對于磁偶極子偏離中心所移動(dòng)距離而得到的相對靈敏函數(shù)關(guān)系曲線。從圖中可以看出，當(dāng)d=a時(shí)，靈敏函數(shù)在中心位置處變化最平緩，即具有最好的均

6、勻性。從圖中我們還可以看出這三種設(shè)計(jì)的中心點(diǎn)處都為0，這是由線圈的對稱結(jié)構(gòu)所決定。在線圈的設(shè)計(jì)和其位置的選擇過程中，往往需要這樣的鞍點(diǎn)（即圖2.6-15b中中心處平坦的頂點(diǎn)），這是因?yàn)樵诎包c(diǎn)附近，線圈能夠最大限度地對樣品所處的位置不敏感。對于一個(gè)在中心點(diǎn)以小振幅振動(dòng)的樣品來說，可以放心地認(rèn)為，下式更能說明這一點(diǎn)，若一個(gè)樣品在中心處作簡諧振動(dòng)，，則線圈中的感應(yīng)電壓即為：注：本文為中國計(jì)量科學(xué)研究院磁性測量室所撰寫！聯(lián)系振動(dòng)樣品磁強(qiáng)計(jì)的使用及樣品測量請：www.mmmtl.cn，(2.6-63)如果處于鞍區(qū)，即，則u(t)僅與樣品的磁矩，振動(dòng)頻率和振幅有關(guān)，而排除了靈敏函數(shù)的影響，

7、這為測量提供了極大的便利條件。線圈位置的設(shè)置，應(yīng)首先滿足鞍點(diǎn)條件。隨著VSM技術(shù)的不斷發(fā)展，線圈設(shè)計(jì)方法也不斷推陳出新。在采用超導(dǎo)線圈獲得磁場的系統(tǒng)中，通常使樣品沿x軸方向振動(dòng)，前面提到的串聯(lián)反接雙線圈結(jié)構(gòu)被這類系統(tǒng)所廣泛使用。當(dāng)VSM磁場由傳統(tǒng)的電磁鐵或永磁體提供時(shí)，樣品振動(dòng)的方向通常設(shè)置為z軸，這種情況下式(2.6-61)改寫為：(2.6-64)其中，靈敏函數(shù)變?yōu)?2.6-65)圖2.6-16列舉了一些常見的VSM線圈結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。其中包括雙線圈、四線圈以及八線圈，線圈均為對稱結(jié)構(gòu)，均首先滿