VSM原理与应用介绍

KMV cost KJ cost
(5)
Ⅱ实验原理
有意义的结论：
• 检测线圈中的感应电压幅值正比于被测样品的总磁矩
J MV （或 J m ），且和检测线圈的结
构，振动频率和振幅有关。 • 如果将K保持不变，则感应信号仅和样品总磁矩成正
比。 • 预先标定感应信号与磁矩的对应关系后，就可以根据
Ⅱ实验原理
• 原理图见图1所示
• 将小球型样品（体积位V，磁化强度为M） 放在平行于X轴方向的均匀磁场H中，并使 它在Z方向做小幅度等幅振动，在其附近放 一个轴线和Z轴平行的多匝线圈L，在L内的 第n匝内取面积元，其与坐标原点的矢径为， 磁场延X方向施加
Ⅱ实验原理
将小球型样品（体积位
V，磁化强度为M）放在
rn3

3 M rn rn
rn5

(1)
由此
H
rn

的Z方向分量为：
HZ
rn


3m r5
XZ
(m为样品磁矩)
Ⅱ实验原理
• 注意到 rn 值有X分量，则可得到检测线圈L内第n匝
中 dSn 面积元的磁通量：
dn

0HZ dSn

30MX nZnV 4 rn5
dSn
(2)
振动样品磁强计可以测出
在不同的环境下材料多种 磁特性。由于它易于发挥 电子技术的作用及其采用 灵活的设计，使之有极高 的灵敏度并兼备易于安装 定位，更换样品的优点。 测量磁矩灵敏度在磁场中 零场到磁铁可达到的最大 场范围内，可小到 5109[ A m]以2 下。 由于 其具有很多优异特性而被 磁学研究者们广泛采用， 又经许多人改进，使VSM 成为检测物质内禀磁特性 的标准通用设备。
测定的感应信号的大小而推知被测磁矩值。
• 因此，在测出样品的质量和密度后，即可计
算出被测样品的磁化强度 M , 。M ，
为材料的密度。
Ⅲ实验仪器结构与工作原理
• 仪器结构
∗ 振动系统 * 探测线圈
• 仪器工作原理
Ⅲ实验仪器结构与工作原理
Ⅲ实验仪器结构与工作原理
*振动系统
为使样品能在磁场中做等幅强迫振动，需要有振 动系统推动。系统应保证频率与振幅稳定。显然适 当的提高频率和增大振幅对获取信号有利，但为防 止在样品中出现涡流效应和样品过分位移，频率和 幅值多数设计在200HZ和1mm以下。低频小幅振动一 般采用两种方式产生：一种是用马达带动机械结构 传动；另一种是采用扬声器结构用电信号推动。前 者带动负载能力强并且容易保证振幅和频率稳定， 后者结构轻便，改变频率和幅值容易，外控方便， 受控后也可以保证振幅和频率稳定。
• 近三十年以来以感应法为基础的抛移法 有很大发展，使样品和测量线圈做周期 性的相对运动获取信号出现了各种类型 的磁强计：振动样品磁强计，振动线圈 磁强计，旋转样品磁强计等
• 振动样品磁强计的研究受到广泛重视
从其样品振动幅度大小和对感应信号的处 理方式又可分为两种 :
• 一种使样品在均匀磁 • 另一种使样品在磁场
场中做小幅度等幅振
中做大幅度等幅振动，
动（微振动），振动
振动方向与磁场方向
方向一般垂直于磁场， 平行，感应信号需经
感应信号一般不需要
积分之后才与被测样
进行积分处理直接与
品磁矩成正比它多用
被测样品磁矩成正比， 于产生强磁场的超导
它多用于一般电磁铁
螺线管中进行物质磁
产生的磁场下进行物
性测量
质磁测量
应用最广，发展最快
屏蔽罩，防止产生感应信号。为了确保测量精度
避免振动杆的横向振动，在振动管外面加黄铜保
护管，其间位于中部和下部用聚四氟乙烯垫圈支
撑，既消除了横振动又不影响振动效果。
Ⅲ实验仪器结构与工作原理
∗ 探测系统
在测量过程中，希望探测线圈能有较大的信 噪比，同时要求样品在重复测量中取放位置的偏 差在一定空间内不影响输出信号大小。前者能够 提供测量必要的灵敏度，后者则是保证测量精度 和重复性的重要条件。因此探测线圈形状和尺寸 的选择是震动样品磁强计的重要关键之一。
Ⅲ实验仪器结构与工作原理
•
因为仪器应仅探测由样品磁性产生的单一固
定的频率信号，与这频率不同的信号可由选频放
大器和锁相放大器消除。一切因素产生的相同频
率的伪信号必须设法消除，这是提高仪器的灵敏
度重要关键。因为振动头是一个强信号源，且频
率与探测信号频率一致，故探头与探测线圈要保
持较远距离用振动杆传递振动，又在振动头上加
其中 0 为真空磁导率。
第n匝内的总磁通为：
n
dn
30MX nZnV 4 rn5
dSn
(3)
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Ⅱ实验原理
• 整个L的总磁通则为：
n
n
n
30MX nZnV 4 rn5
dSn
(4)
其中， 为 的X轴分量，不随时间而变； 为 X的n Z轴r分n 量，是时间的函数 。
Zn rn
Ⅱ实验原理
• 现在认为S不动而L以S原有的方式振动，
此时可有
Zn

Z
0 n

a sin t
，Z
0 n
为第
n匝的坐标，a为L的振幅。
• 由此可得到检测线圈内的感应电压为：

t



d


30
MVa
dt 4
n
Xn
rn2 5Zn2 rn7

dSn cost
平行于X轴方向的均匀磁
场H中，并使它在Z方向
做小幅度等幅振动，在
其附近放一个轴线和Z轴
平行的多匝线圈L，在L
内的第n匝内取面积
元
dS
，其与坐标原点的
n
矢径为 ，rn磁场延X方
向施加。
Ⅱ实验原理
• 由于S的尺度与 rn 相比非常小，故S在空间的场
可表示为偶极场形势：
H rn
V
4
M

内禀磁特性
主要是指物质的磁化强度而言，即体积磁化强 度——M 单位体积内的磁矩，和质量磁化强度σ——单 位质量的磁矩。
设被测样品的体积为V，由于样品很小，当被磁化 后，在远处可将其视为磁偶极子：如将样品按一定方 式振动，就等同于磁偶极场在振动。于是，放置在样 品附近的检测线圈内就有磁通量的变化，产生感生电 压。将此电压放大并记录，再通过电压-磁矩的已知关 系，即可求出被测样品的M或σ。
振动样品磁强计测量原理 及其数据处理方法
北京科技大学 王立锦 博士
目录
I. 引言 II. 实验原理 III. 实验仪器结构与工作原理 IV. 测量数据 V. 数据处理与分析 VI. 震动样品磁强计的发展 VII. VSM的应用
Ⅰ引言
• 1959 美国 S. Foner制成实用的振动样品 磁强计（VSM）