第二章 磁敏传感器
第一节 质子旋进式磁敏传感器
第二节 光泵式磁敏传感器
第三节 SQUID磁敏传感器
第四节 磁通门式磁敏传感器
第五节 感应式磁敏传感器
第六节 半导体磁敏传感器
第七节 机械式磁敏传感器
磁敏传感器是对磁场参量 (B,H,φ)敏感的元器件或
装置,具有把磁学物理量转换为电信号的功能。
?质子旋进式磁敏传感器
?光泵式磁敏传感器
?SQUID（超导量子干涉器）磁敏传感器
?磁通门式磁敏传感器
?感应式磁敏传感器
?半导体磁敏传感器
霍尔器件、磁敏二极管、磁敏三极管、磁敏电阻
?机械式磁敏传感器
?光纤式磁敏传感器
磁敏传感器的种类
质子旋进式磁敏传感器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。
物理学已证明物质是具有磁性
的 。 对水分子 （ H2O） 而言, 从
其分子结构, 原子排列和化学价
的性质分析得知,水分子磁矩
（ 即氢质子磁矩 ） 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
质子磁矩旋进
T
α
M
质子的旋进频率
γp 为质子旋磁比； T为外磁场强度
f=γp T /2π
第一节 质子旋进式磁敏传感器
从经典力学和量子力学观点,此公式的来源均能得以论证。
为方便起见，在此采用经典力学的观点，分析直角
坐标系中质子磁矩的旋进情况。
设质子磁矩 M在外磁场 T作用下有一力矩 M× T,于是,
它和陀螺一样, 其动量矩的变化率等于外加力矩, 即,
PM p
??
??TM
dt
Pd ??
?
??
? ?TM
dt
Pd
dt
Md
PP
??
??
??? ?? P
zyx
zyx
TTT
MMM
kji
?
???
?
动量矩
变化率
磁
矩
三
个
分
量
? ?
? ?
? ?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
??
??
??
xyyxP
z
zxxzP
y
yzzyP
x
TMTM
dt
dM
TMTM
dt
dM
TMTM
dt
dM
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
??
?
0
dt
dM
TM
dt
dM
TM
dt
dM
z
xP
y
yP
x
?
?设 T
z=T(外磁场 )； Tx=0； Ty =0
对 上式 中的第一式微分
xP
y
P
x MTT
dt
dM
dt
Md 22
2
2
?? ???
0222
2
?? xPx MT
dt
Md ? 显然，为简谐运动方程，其解为
?
?
?
?
?
?
???
??
常数
z
Py
Px
M
TtAM
TtAM
)s i n (
)c o s (
??
??
同理
α
z
x
y
Mz
M┴ My
Mx
磁矩 M 旋进规律变化示意图
从上式可看出, Mz是
常数, 磁矩 M在 z轴上
的投影是不变的；磁
矩 M在 x轴上的投影
是按余弦规律变化的；
磁矩 M在 y轴上的投
影是按正弦规律变化
的 。 由图看出,
磁矩 M在 xy平面上的投影的绝对值是一个常
数，并且在 xy平面上旋进。
????? AMMM yx 22 常数
综合起来看,质子磁矩 M在外磁场 T的作用下，绕
外磁场 T旋进，它的轨迹描绘出一个圆锥体，旋进的
角频率为 ω，称为拉莫尔频率（ Larmor frequency） 。
根据简谐运动方程, 可得到,
即,
将此值代入上式
?
?
?
?
?
HzTf
nTfT
8.4257
4874.23
Tf P
?
?
2
?
γp=（ 2.67513± 0.00002） S-1T-1
可见，频率 f与磁场 T成正比，只要能测出频率 f，即可
间接求出外磁场 T的大小,从而达到测量外磁场的目的。
需要指出的是：这里没有考虑驰豫时间,是在假设 α角不
变, 信号不衰减的前提下分析测磁原理的 。 但是, 在
实际工作中是有驰豫时间的, 信号也是衰减的 。
f?? 2? TP?? ?
当被测磁场很弱时, 信号幅度大大衰减 。 对微弱的被测
磁场, 用一般的核磁共振检测方法是接收不到旋进信号
的 。 为了测得质子磁矩 M绕外磁场的旋进频率 f 信号,
必须采取特殊方法,
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 T3/2成正比。
使沿外磁场方向排列的质子磁矩,在极化场的激励下,建立
质子宏观磁矩,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，以增强信号幅度。
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，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 T方向。
在垂直于外磁场方向加一极化场 H（该场强约为外磁场
的 200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。
预极化法示意图
H
*
M M M
H
T
θ 当质子磁矩在旋进过程中切割线圈，使线圈环
绕面积中的磁通量发生
变化，于是在线圈中就
产生感应电动势。
当去掉极化场 H，质子
磁矩则以拉莫尔旋进频
率绕外磁场旋进。
M
若测出感应电压的频率, 就可计算出外磁场的大小 。
因为极化场 H大于外磁场, 故此法可使信噪比增大 H/T
倍 。 设外磁场 T的磁感强度为 0.5× 10-4T,极化场 H的
磁感强度为 100× 10-4 T,则可使信噪比增大 200倍 。
υ
ω=γ T
t2
t
在自由旋进的过程中，磁矩 M的横向分量以 t2（横向弛
豫时间）为时间常数并随时间逐渐趋近于零；在测量
线圈中所接收的感应信号，也是以 t2为时间常数按指数
规律衰减的。
M衰减示意图 感应信号衰减示意图
x
y
核心,500cc左右有机玻璃容器,在容器外面绕以 数百匝
的导线,使 线圈 轴向与外磁场方向大致 垂直,线圈中通以
1～ 3A的电流,而形成约 0.01T的极化场,使水中质子磁矩
指向极化场 H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,则 M的数值与方向均来不及变化,弛豫过程
来不及影响 M的行为,此时,质子磁矩在自旋和外磁场 T的作用下以
角速度 ω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减，其表示式为,
tSMWV ???? s i n410 080 ??
在实际工作时,线圈轴向与外磁场的夹角 θ不正好保持 900,
由实测得知：总磁矩量值与 sin2θ成正比例,所以,自由旋进
感应信号的电压幅值和 sin2θ成比例。又考虑到旋进信号
按指数规律衰减的特点,其感应信号完整表达式应为
M0— 磁化强度
如果接收线圈有 W匝,所包围的面积为 S,充填因子为 α,则
θ角的大小只影响质子旋进信号的振幅大小，而并不影响
质子旋进频率，故在实际测量中，探头无需严格定向。
θ=900时，信号最大。
质子旋进
信号强度
2/2
0
8 s i ns i n410 tt
t teSMWV
??? ?????
2/
0
tt
t eVV
??
t2— 横向驰豫时间；
V0— 信号初始幅度。
由实验得知,对于几百 cm3的样品, 线圈为数百匝的传感
器, 在较好的情况下, 质子感应信号仅为 0.5 mV左右 。
感应信号的衰减还和 外磁场梯度 的大小有关 。
理论分析和实验表明：测量线圈中产生的感应信号频率
即为质子磁矩的旋进频率, 这和公式 是一致的 。
Tf P??2?
用质子旋进式磁敏传感器测量外磁场的主要 优点 是,
◆精度高,一般在（ 0.1~10） nT范围内；
◆稳定性好 （因 γp是一常数，其值只与质子本身有关，
它的值与外界温度、压力、湿度等因素均无关）；
◆工作速度快,可直读外磁场 nT 值 ；
◆绝对值测量
其 缺点 是,
极化功率大,只能进行快速 点测 ；受磁场梯度影响较大
1,样品选择
如果设计的传感器系用于磁测作业, 因水的纵向弛豫时
间 t1和横向弛豫时间 t2较长, 故适合地面操作 。
选择样品一定要选择水或含有
质子的液体, 如酒精, 煤油,
甘油等 。 几种溶液的驰豫时间
t1,t2数值见表 。
溶液
时间 /s
t1 t2
水 2.3 3
煤油 0.7 1
如果有自动化程度高的测频装置, 则可选用 t1,t2时间
短的样品；如果在空中磁测, 由于飞机航速快, 选择
煤油作样品则是合适的；如果在低温地区工作, 除考
虑 t1,t2外, 还应考虑选择冰点低 （ 如甘油 ） 的样品 。
三, 质子旋进式磁敏传感器的设计
考虑到无磁性, 价格便宜, 加工方便, 选择有机玻璃材
料制作容器是合适的 。
2,容器的选择
3,激发与接收
据前述,极化场方向应垂直于被测磁场, 极化场的大
小应大于被测磁场 200倍, 被测磁场按 0.5× 10-4T计算,
根据实践经验, 应选大于 100× 10-4T的极化场进行激
发较妥 。 为得到大的感应信号, 接收线圈的轴向应垂
直于被测磁场 。 必须采用预极化方式才能接收到旋进
的感应信号 。
由实验和理论计算结果认为； 容器的直径和长之比应
为 l, 1.2（ 1.3） 的圆柱形为宜 。
接收线圈的种类,地面传感器用单线圈,空中磁测用双线
圈,地震台站用环形线圈,海洋磁测用三轴式线圈。
?CZM-2型质子磁力仪
?IGS-2/MP-4质子磁力仪
四、质子旋进式磁敏传感器的应用
CZM-2型质子磁力仪
磁化
系统
选频
放大器
压控
倍频器
电
子
门
计数器
数字
译码显示
数字
打印输出 晶振分频及程序控制
稳压器
DC
+13V-+18V
传感器
打印指令 + 10V
自校
测量
IGS-2型质子磁力仪的系统扩展及外设配置
打印机 曲线记录仪 磁带记录仪 微型计算机 调制解调器
IG2-2 控制台
磁力仪
MP-4
电磁仪
EM
甚低频仪
VLF
计算机
光泵式磁敏传感器是高灵敏度光泵磁力仪的核心部件 。
它 是以某些元素的原子在外磁场中产生的塞曼分裂为基
础, 并采用光泵和磁共振技术研制成的 。
第二节 光泵式磁敏传感器
磁力仪种类：按共振元素的不同,分为 氦 (He)光泵磁力仪,
其中又分 He3,He4光泵磁力仪 ;碱金属光泵磁力仪,其共振
元素有铷 (Rb85,Rb87)、铯 (Cs133)、钾 (K39)、汞 (Hg)等。
灵敏度高,一般为 0.01nT量级,理论灵敏度高达 10-2~10-4nT
响应频率高,可在快速变化中进行测量
可测量磁场的总向量 T及其分量，并能进行连续测量
利用光泵传感器做成的测磁仪器，是目前实际生产和科
学技术应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,
（ 一 ） 塞曼效应
塞曼效应是指在外磁场中原子能级产生分裂的现象 。
一、氦（ He4）光泵式磁敏传感器的物理基础
x
S
S
N
v2 v0 v1
O
v2
v0
v1
z
y
塞曼效应：正常和反常塞曼效应
正常塞曼效应：在弱磁场
中,电子自旋量子数为零时
(S=0)产生的塞曼效应。
反常塞曼效应：在弱磁场
中,电子自旋量子数不为零
(S≠0)时产生的塞曼效应
光泵式磁敏传感器，不管是碱金属 Cs,Rb还是 He4,He3光泵传感
器，电子自旋量子数均不为零（ S≠0），并且均是在弱磁场中工
作，故属反常塞曼效应。
π成分
σ成分
当原子在弱磁场 H中时, 总的轨道动量矩 Pl和
总的自旋动量矩 Ps之间的, 耦合,, 没有被拆开,
这时, 原子的壳层动量矩 Pj将带着 Pl和 Ps一起绕
磁场 H旋进 。 如图所示 。 由图看出, 磁场将使原
子获得的附加能量为,
H
Ps
Pl
0
H
Pj
Pl
Ps
0
弱磁场中 Pj, Pl, Ps的旋进
)c o s ( HjHE jH ???? ?
(j·H)—— 磁场 H和壳层磁矩 μ j
之间的夹角。
（二）反常的塞曼效应的能级分裂
E1+Δ E1
E1
E2+Δ E2
E1
E2
v v0
原子能级跃迁示意图
g—E能级的郎得因子；
f0— 拉莫尔旋进频率；
— 波尔磁子；
h— 普朗克常数；
m— 电子质量；
c— 光速。
mc
eh
?
?
40
?
假设原子跃迁能级为 E1,E2。 在外磁场作用下,
这两个能级各自有附加能量 Δ E1,Δ E2。 原子就在附
加能量的能级上产生跃迁 。 （ 如上图所示 ） 。
对外层电子只有一个在起作用，只考虑单电子的内量
子数，则可导出
hfmgHmgE jjjjH 00 ????? ?
磁场将使原子获
得的附加能量
氦原子有两个电子, 两个质子和两个中子, 核自旋
互相抵消, 核磁矩为零 。 在一般情况下, 两个电子都处
在 1s轨道, 充满 n=l轨道, l=0,表现不出 轨道磁矩 ；根
据泡利不相容原理, 两个电子的自旋也必然相反, 也显
示不出电子的 自旋磁矩 ；因而氦原子在外磁场中不会产
生塞曼分裂, 也就无法利用 He4进行光泵磁测了 。
为使没有磁矩的 He4产生磁矩, 来测量磁场 。 将一
电子激发到较高能级的轨道上,另一电于仍处在 1s态 (基
态 )。 处在 激发态 的高能级上的电子,其自旋状态有两种
取向：一种是和处在基态 (1s)的电子的自旋方向相同,所
表现的总自旋量子数 S=1/2+1/2=1；另一种是相反,
S=1/2-1/2=0。
（三）氦（ He4）原子能级的塞曼分裂
当 S=0时,由于 l1=l2=0,所以 J=0,即在磁场作用下,能级不
发生分裂, 表现为单重能级, 称这种情况为 仲氦 。
当 S=l时,由于 l1=l2=0,所以 J=1,在外磁场作用下,能级分裂
为 2J＋ 1=3个能级,能级表现为三重态,这种情况称 正氦 。
通过对塞曼效应的分析，可得到以下几点结论
2,磁共振的频率大小取决于相邻能级间的能量差
（ ΔE）, ΔE=hv。
1,塞曼分裂后, 相邻能级之间的能量差极小, 要观察
这样小的分裂情况, 只有通过能级间受激跃迁的方法,
也就是用磁共振的方法进行检测 。 这里所指的受激跃
迁, 受激能量来自光, 也就是通常所说的光泵 （ 光抽
运 ） 方式 。
3,由于塞曼分裂后, 磁子能级间能量很小, 信号只
有微伏量级, 要观察这样小的信号, 必须外加一射频
场并用电子接收技术来完成 。
4、在磁共振过程中，其它量子数不发生变化，而只有
磁量子数在选择定则的范围内变化，光泵式磁敏传感
器就是在这种情况下工作的。
He4原子在稳态下既不具有 核磁矩,也不具有 壳层磁矩,整
个原子不显示磁性,在外磁场中不产生塞曼能级分裂 。
当把 He4原子中一电子激发到亚稳态时,对正氦 s=l的情
况,则具有 电子自旋磁矩 。这时是单个电子的自旋磁矩,
即原子的总磁矩等于电子的总自旋磁矩,即,μJ =μS。由
于电子自旋磁矩 μJ是在外磁场作用下,故在外磁场方向上
的投影为
二、氦（ He4）光泵式磁敏传感器的测磁原理
?
??
2
hm
SsST ??
)c o s ( TJTE JT ???? ? )c o s ( TJTS ??? ? TST???
外磁场 (弱磁场 )作用
在磁矩上的附加能量
ThmE SST
?
?
2
?? γs—— 电子的总磁矩比
在亚稳态 （ 23s1） 中, J=1,mj=0,± 1。 对 J=1的亚稳
态在外磁场中分裂为三个能级, 两相邻磁子能级间的
能量差为,
ThE ST ?? 2??
hfE T ??
跃迁过程中辐射的光子能量恰好等于两相邻能级间的
能量差, 即,
由上式可看出：频率 f与外磁场 T成正比关系，只要测
出频率 f即可求得外磁场 T的大小。
?
?
2
Tf
S?Thhf S
?
?
2
?
f—— 辐射频率； h—— 普郎克常数。
He4光泵式磁敏传
感器测磁原理公式
j=1
－ 1
1
－ 1
1
j=1
D1
23S1
22P1
D1线作用下 He4亚稳态原子的光泵作用示意图
0
0
mj
利用光使原子磁矩达到定向排列的过程,也称光学取向 。
（一）光泵作用
实质
过程：在垂直于外磁场方向 (即垂直于光轴 )加
一交变的磁场 —— 射频场, 使射频场的频率 f0
等于相邻磁子能级间的跃迁频率 。 根据受激
跃迁原则, 射频场将使富集在 mj=+1磁子能级
上的原子, 产生受激跃迁 。 首先向 mj=0磁子
能级上跃迁, 再逐渐向 mj=-1的磁子能级跃迁,
使原子的分布规律服从 玻尔兹曼 分布规律 。
于是原子磁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
用射频场打乱原子磁矩定向排列的过程。
在原子磁矩取向前, 吸收室中大量亚稳态正氦原
子吸收由氦灯射来的 D线, 原子通过光泵作用将
原子磁矩定向排列到某一能级上去, 这时透过吸
收室的光线相对较少, 称作光弱 (暗 )；当原子磁
矩取向时刻, 吸收室内的原子磁矩已排列好, 不
再吸收 D线, 而透过吸收室的光相对变强, 称作
光强 (亮 )。 当发生磁共振时, 即原子磁矩取向被
打乱, 吸收 D线产生光泵作用而重新取向, 此时
为暗 。 若能测量出通过吸收室样品光线最暗时的
射频场频率, 即求得磁共振 （ 吸收 ） 频率 。
从吸收室光的强或弱（即从光学检测）的角度出
发，分析光泵作用和磁共振作用的全过程。
2 3 4 5 8
9 10
6
1 放大
图 2.2-6 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； 7— RF振荡器； 8— 射频线圈；
9— 透镜 2； 10— 光敏元件 ?
7
He4光泵式磁敏传感器系由 吸收室, 氦灯, 两个透镜,
偏振片, λ/4,光敏元件 等元器件组成 。
三、光泵式磁敏传感器的组成及工作原理
首先将测磁传感器置于被测外磁场中,
并使传感器的轴向与外磁场方向平行, 其后
将高频激发振荡器打开, 激发氦灯使发出 D线；
激发 He4吸收室使其处于亚稳状态 。
这时灯发出的 D线经过透镜将 D线变成平
行光, 再经偏振片和 λ/4变成圆周极化光, 直
射至吸收室中的亚稳态正氦上, 正氦在外磁
场作用下产生塞曼分裂, 塞曼能级 2s态原子吸
收 D线, 跃迁到 2P态而产生光泵作用 。
He4光泵式磁敏传感器的工作原理
光泵作用结果使原于磁矩取向于 2s态
某一磁子能级上 。 然后由 RF娠荡器提供给
的射频能量, 打乱亚稳态中某一磁子能级
上原子磁矩的取问, 产生磁共振作用 。 当
测出磁共振时射频场的频率 f0,即可求出被
测外磁场 T的大小 。
由前所述, 磁共振频率 f0是由光敏元件
通过光线的弱或强的变化来检测, 即由射
频振荡器指示出的吸收室最暗时刻相对应
的频率, 就是所要测量的共振频率 f0。
四、磁共振检测方法
大调频法,是一种粗略地观察与测量共振信号的方法，
信号源提供振荡频率接近于共振频率的电磁波，同时被
一个锯齿波所调制。输给样品的电磁波振荡频率围绕着
中心频率有一变化范围。
大调频法、大调场法、小调频法
调制信号频率为几 Hz—— 几十 Hz。
要求：调频幅度必须大于谱线宽度，使信号源频率变
化范围覆盖样品共振区，故称 大调频法 。
大调场法,在观察塞曼分裂能级之间的共振吸收时（磁
共振），也可用固定频率的信号源，通过改变恒磁场的
方法进行，即大调场法。
小调频法, 用两个调频信号，一个是调频幅度小于谱线
线宽，称为 小调频,由正弦波发生器供给。其调制频率
一般为几十 Hz到几百 Hz 。另一个调频幅度大于谱线线
宽，称为 慢扫频,它由慢扫频发生器供给。扫频频率与
小调频的调制频率相等。慢扫频使信号源的振荡频率缓
慢通过共振区。
原理：当改变恒磁场时，塞曼能级的间距发生变化，当
磁场变化到使两塞曼能级间的能量差满足 ΔE=hf 时发生
共振,样品吸收电磁波功率。
五、氦（ He4） 光泵式磁敏 传感器的应用
He4跟踪式光泵磁力仪方框图
数模转换器 记录器
计数器 打印机 倍频器
压控振荡器 低频振荡器 移相器
选频放大器 相敏检波器 积分器 He4传感器 高频振荡器
是一种根据小调频法 检测磁共振的磁力仪
第一节 质子旋进式磁敏传感器
第二节 光泵式磁敏传感器
第三节 SQUID磁敏传感器
第四节 磁通门式磁敏传感器
第五节 感应式磁敏传感器
第六节 半导体磁敏传感器
第七节 机械式磁敏传感器
磁敏传感器是对磁场参量 (B,H,φ)敏感的元器件或
装置,具有把磁学物理量转换为电信号的功能。
?质子旋进式磁敏传感器
?光泵式磁敏传感器
?SQUID（超导量子干涉器）磁敏传感器
?磁通门式磁敏传感器
?感应式磁敏传感器
?半导体磁敏传感器
霍尔器件、磁敏二极管、磁敏三极管、磁敏电阻
?机械式磁敏传感器
?光纤式磁敏传感器
磁敏传感器的种类
质子旋进式磁敏传感器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。
物理学已证明物质是具有磁性
的 。 对水分子 （ H2O） 而言, 从
其分子结构, 原子排列和化学价
的性质分析得知,水分子磁矩
（ 即氢质子磁矩 ） 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
质子磁矩旋进
T
α
M
质子的旋进频率
γp 为质子旋磁比； T为外磁场强度
f=γp T /2π
第一节 质子旋进式磁敏传感器
从经典力学和量子力学观点,此公式的来源均能得以论证。
为方便起见，在此采用经典力学的观点，分析直角
坐标系中质子磁矩的旋进情况。
设质子磁矩 M在外磁场 T作用下有一力矩 M× T,于是,
它和陀螺一样, 其动量矩的变化率等于外加力矩, 即,
PM p
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z=T(外磁场 )； Tx=0； Ty =0
对 上式 中的第一式微分
xP
y
P
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0222
2
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Md ? 显然，为简谐运动方程，其解为
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常数
z
Py
Px
M
TtAM
TtAM
)s i n (
)c o s (
??
??
同理
α
z
x
y
Mz
M┴ My
Mx
磁矩 M 旋进规律变化示意图
从上式可看出, Mz是
常数, 磁矩 M在 z轴上
的投影是不变的；磁
矩 M在 x轴上的投影
是按余弦规律变化的；
磁矩 M在 y轴上的投
影是按正弦规律变化
的 。 由图看出,
磁矩 M在 xy平面上的投影的绝对值是一个常
数，并且在 xy平面上旋进。
????? AMMM yx 22 常数
综合起来看,质子磁矩 M在外磁场 T的作用下，绕
外磁场 T旋进，它的轨迹描绘出一个圆锥体，旋进的
角频率为 ω，称为拉莫尔频率（ Larmor frequency） 。
根据简谐运动方程, 可得到,
即,
将此值代入上式
?
?
?
?
?
HzTf
nTfT
8.4257
4874.23
Tf P
?
?
2
?
γp=（ 2.67513± 0.00002） S-1T-1
可见，频率 f与磁场 T成正比，只要能测出频率 f，即可
间接求出外磁场 T的大小,从而达到测量外磁场的目的。
需要指出的是：这里没有考虑驰豫时间,是在假设 α角不
变, 信号不衰减的前提下分析测磁原理的 。 但是, 在
实际工作中是有驰豫时间的, 信号也是衰减的 。
f?? 2? TP?? ?
当被测磁场很弱时, 信号幅度大大衰减 。 对微弱的被测
磁场, 用一般的核磁共振检测方法是接收不到旋进信号
的 。 为了测得质子磁矩 M绕外磁场的旋进频率 f 信号,
必须采取特殊方法,
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 T3/2成正比。
使沿外磁场方向排列的质子磁矩,在极化场的激励下,建立
质子宏观磁矩,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，以增强信号幅度。
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，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 T方向。
在垂直于外磁场方向加一极化场 H（该场强约为外磁场
的 200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。
预极化法示意图
H
*
M M M
H
T
θ 当质子磁矩在旋进过程中切割线圈，使线圈环
绕面积中的磁通量发生
变化，于是在线圈中就
产生感应电动势。
当去掉极化场 H，质子
磁矩则以拉莫尔旋进频
率绕外磁场旋进。
M
若测出感应电压的频率, 就可计算出外磁场的大小 。
因为极化场 H大于外磁场, 故此法可使信噪比增大 H/T
倍 。 设外磁场 T的磁感强度为 0.5× 10-4T,极化场 H的
磁感强度为 100× 10-4 T,则可使信噪比增大 200倍 。
υ
ω=γ T
t2
t
在自由旋进的过程中，磁矩 M的横向分量以 t2（横向弛
豫时间）为时间常数并随时间逐渐趋近于零；在测量
线圈中所接收的感应信号，也是以 t2为时间常数按指数
规律衰减的。
M衰减示意图 感应信号衰减示意图
x
y
核心,500cc左右有机玻璃容器,在容器外面绕以 数百匝
的导线,使 线圈 轴向与外磁场方向大致 垂直,线圈中通以
1～ 3A的电流,而形成约 0.01T的极化场,使水中质子磁矩
指向极化场 H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,则 M的数值与方向均来不及变化,弛豫过程
来不及影响 M的行为,此时,质子磁矩在自旋和外磁场 T的作用下以
角速度 ω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减，其表示式为,
tSMWV ???? s i n410 080 ??
在实际工作时,线圈轴向与外磁场的夹角 θ不正好保持 900,
由实测得知：总磁矩量值与 sin2θ成正比例,所以,自由旋进
感应信号的电压幅值和 sin2θ成比例。又考虑到旋进信号
按指数规律衰减的特点,其感应信号完整表达式应为
M0— 磁化强度
如果接收线圈有 W匝,所包围的面积为 S,充填因子为 α,则
θ角的大小只影响质子旋进信号的振幅大小，而并不影响
质子旋进频率，故在实际测量中，探头无需严格定向。
θ=900时，信号最大。
质子旋进
信号强度
2/2
0
8 s i ns i n410 tt
t teSMWV
??? ?????
2/
0
tt
t eVV
??
t2— 横向驰豫时间；
V0— 信号初始幅度。
由实验得知,对于几百 cm3的样品, 线圈为数百匝的传感
器, 在较好的情况下, 质子感应信号仅为 0.5 mV左右 。
感应信号的衰减还和 外磁场梯度 的大小有关 。
理论分析和实验表明：测量线圈中产生的感应信号频率
即为质子磁矩的旋进频率, 这和公式 是一致的 。
Tf P??2?
用质子旋进式磁敏传感器测量外磁场的主要 优点 是,
◆精度高,一般在（ 0.1~10） nT范围内；
◆稳定性好 （因 γp是一常数，其值只与质子本身有关，
它的值与外界温度、压力、湿度等因素均无关）；
◆工作速度快,可直读外磁场 nT 值 ；
◆绝对值测量
其 缺点 是,
极化功率大,只能进行快速 点测 ；受磁场梯度影响较大
1,样品选择
如果设计的传感器系用于磁测作业, 因水的纵向弛豫时
间 t1和横向弛豫时间 t2较长, 故适合地面操作 。
选择样品一定要选择水或含有
质子的液体, 如酒精, 煤油,
甘油等 。 几种溶液的驰豫时间
t1,t2数值见表 。
溶液
时间 /s
t1 t2
水 2.3 3
煤油 0.7 1
如果有自动化程度高的测频装置, 则可选用 t1,t2时间
短的样品；如果在空中磁测, 由于飞机航速快, 选择
煤油作样品则是合适的；如果在低温地区工作, 除考
虑 t1,t2外, 还应考虑选择冰点低 （ 如甘油 ） 的样品 。
三, 质子旋进式磁敏传感器的设计
考虑到无磁性, 价格便宜, 加工方便, 选择有机玻璃材
料制作容器是合适的 。
2,容器的选择
3,激发与接收
据前述,极化场方向应垂直于被测磁场, 极化场的大
小应大于被测磁场 200倍, 被测磁场按 0.5× 10-4T计算,
根据实践经验, 应选大于 100× 10-4T的极化场进行激
发较妥 。 为得到大的感应信号, 接收线圈的轴向应垂
直于被测磁场 。 必须采用预极化方式才能接收到旋进
的感应信号 。
由实验和理论计算结果认为； 容器的直径和长之比应
为 l, 1.2（ 1.3） 的圆柱形为宜 。
接收线圈的种类,地面传感器用单线圈,空中磁测用双线
圈,地震台站用环形线圈,海洋磁测用三轴式线圈。
?CZM-2型质子磁力仪
?IGS-2/MP-4质子磁力仪
四、质子旋进式磁敏传感器的应用
CZM-2型质子磁力仪
磁化
系统
选频
放大器
压控
倍频器
电
子
门
计数器
数字
译码显示
数字
打印输出 晶振分频及程序控制
稳压器
DC
+13V-+18V
传感器
打印指令 + 10V
自校
测量
IGS-2型质子磁力仪的系统扩展及外设配置
打印机 曲线记录仪 磁带记录仪 微型计算机 调制解调器
IG2-2 控制台
磁力仪
MP-4
电磁仪
EM
甚低频仪
VLF
计算机
光泵式磁敏传感器是高灵敏度光泵磁力仪的核心部件 。
它 是以某些元素的原子在外磁场中产生的塞曼分裂为基
础, 并采用光泵和磁共振技术研制成的 。
第二节 光泵式磁敏传感器
磁力仪种类：按共振元素的不同,分为 氦 (He)光泵磁力仪,
其中又分 He3,He4光泵磁力仪 ;碱金属光泵磁力仪,其共振
元素有铷 (Rb85,Rb87)、铯 (Cs133)、钾 (K39)、汞 (Hg)等。
灵敏度高,一般为 0.01nT量级,理论灵敏度高达 10-2~10-4nT
响应频率高,可在快速变化中进行测量
可测量磁场的总向量 T及其分量，并能进行连续测量
利用光泵传感器做成的测磁仪器，是目前实际生产和科
学技术应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,
（ 一 ） 塞曼效应
塞曼效应是指在外磁场中原子能级产生分裂的现象 。
一、氦（ He4）光泵式磁敏传感器的物理基础
x
S
S
N
v2 v0 v1
O
v2
v0
v1
z
y
塞曼效应：正常和反常塞曼效应
正常塞曼效应：在弱磁场
中,电子自旋量子数为零时
(S=0)产生的塞曼效应。
反常塞曼效应：在弱磁场
中,电子自旋量子数不为零
(S≠0)时产生的塞曼效应
光泵式磁敏传感器，不管是碱金属 Cs,Rb还是 He4,He3光泵传感
器，电子自旋量子数均不为零（ S≠0），并且均是在弱磁场中工
作，故属反常塞曼效应。
π成分
σ成分
当原子在弱磁场 H中时, 总的轨道动量矩 Pl和
总的自旋动量矩 Ps之间的, 耦合,, 没有被拆开,
这时, 原子的壳层动量矩 Pj将带着 Pl和 Ps一起绕
磁场 H旋进 。 如图所示 。 由图看出, 磁场将使原
子获得的附加能量为,
H
Ps
Pl
0
H
Pj
Pl
Ps
0
弱磁场中 Pj, Pl, Ps的旋进
)c o s ( HjHE jH ???? ?
(j·H)—— 磁场 H和壳层磁矩 μ j
之间的夹角。
（二）反常的塞曼效应的能级分裂
E1+Δ E1
E1
E2+Δ E2
E1
E2
v v0
原子能级跃迁示意图
g—E能级的郎得因子；
f0— 拉莫尔旋进频率；
— 波尔磁子；
h— 普朗克常数；
m— 电子质量；
c— 光速。
mc
eh
?
?
40
?
假设原子跃迁能级为 E1,E2。 在外磁场作用下,
这两个能级各自有附加能量 Δ E1,Δ E2。 原子就在附
加能量的能级上产生跃迁 。 （ 如上图所示 ） 。
对外层电子只有一个在起作用，只考虑单电子的内量
子数，则可导出
hfmgHmgE jjjjH 00 ????? ?
磁场将使原子获
得的附加能量
氦原子有两个电子, 两个质子和两个中子, 核自旋
互相抵消, 核磁矩为零 。 在一般情况下, 两个电子都处
在 1s轨道, 充满 n=l轨道, l=0,表现不出 轨道磁矩 ；根
据泡利不相容原理, 两个电子的自旋也必然相反, 也显
示不出电子的 自旋磁矩 ；因而氦原子在外磁场中不会产
生塞曼分裂, 也就无法利用 He4进行光泵磁测了 。
为使没有磁矩的 He4产生磁矩, 来测量磁场 。 将一
电子激发到较高能级的轨道上,另一电于仍处在 1s态 (基
态 )。 处在 激发态 的高能级上的电子,其自旋状态有两种
取向：一种是和处在基态 (1s)的电子的自旋方向相同,所
表现的总自旋量子数 S=1/2+1/2=1；另一种是相反,
S=1/2-1/2=0。
（三）氦（ He4）原子能级的塞曼分裂
当 S=0时,由于 l1=l2=0,所以 J=0,即在磁场作用下,能级不
发生分裂, 表现为单重能级, 称这种情况为 仲氦 。
当 S=l时,由于 l1=l2=0,所以 J=1,在外磁场作用下,能级分裂
为 2J＋ 1=3个能级,能级表现为三重态,这种情况称 正氦 。
通过对塞曼效应的分析，可得到以下几点结论
2,磁共振的频率大小取决于相邻能级间的能量差
（ ΔE）, ΔE=hv。
1,塞曼分裂后, 相邻能级之间的能量差极小, 要观察
这样小的分裂情况, 只有通过能级间受激跃迁的方法,
也就是用磁共振的方法进行检测 。 这里所指的受激跃
迁, 受激能量来自光, 也就是通常所说的光泵 （ 光抽
运 ） 方式 。
3,由于塞曼分裂后, 磁子能级间能量很小, 信号只
有微伏量级, 要观察这样小的信号, 必须外加一射频
场并用电子接收技术来完成 。
4、在磁共振过程中，其它量子数不发生变化，而只有
磁量子数在选择定则的范围内变化，光泵式磁敏传感
器就是在这种情况下工作的。
He4原子在稳态下既不具有 核磁矩,也不具有 壳层磁矩,整
个原子不显示磁性,在外磁场中不产生塞曼能级分裂 。
当把 He4原子中一电子激发到亚稳态时,对正氦 s=l的情
况,则具有 电子自旋磁矩 。这时是单个电子的自旋磁矩,
即原子的总磁矩等于电子的总自旋磁矩,即,μJ =μS。由
于电子自旋磁矩 μJ是在外磁场作用下,故在外磁场方向上
的投影为
二、氦（ He4）光泵式磁敏传感器的测磁原理
?
??
2
hm
SsST ??
)c o s ( TJTE JT ???? ? )c o s ( TJTS ??? ? TST???
外磁场 (弱磁场 )作用
在磁矩上的附加能量
ThmE SST
?
?
2
?? γs—— 电子的总磁矩比
在亚稳态 （ 23s1） 中, J=1,mj=0,± 1。 对 J=1的亚稳
态在外磁场中分裂为三个能级, 两相邻磁子能级间的
能量差为,
ThE ST ?? 2??
hfE T ??
跃迁过程中辐射的光子能量恰好等于两相邻能级间的
能量差, 即,
由上式可看出：频率 f与外磁场 T成正比关系，只要测
出频率 f即可求得外磁场 T的大小。
?
?
2
Tf
S?Thhf S
?
?
2
?
f—— 辐射频率； h—— 普郎克常数。
He4光泵式磁敏传
感器测磁原理公式
j=1
－ 1
1
－ 1
1
j=1
D1
23S1
22P1
D1线作用下 He4亚稳态原子的光泵作用示意图
0
0
mj
利用光使原子磁矩达到定向排列的过程,也称光学取向 。
（一）光泵作用
实质
过程：在垂直于外磁场方向 (即垂直于光轴 )加
一交变的磁场 —— 射频场, 使射频场的频率 f0
等于相邻磁子能级间的跃迁频率 。 根据受激
跃迁原则, 射频场将使富集在 mj=+1磁子能级
上的原子, 产生受激跃迁 。 首先向 mj=0磁子
能级上跃迁, 再逐渐向 mj=-1的磁子能级跃迁,
使原子的分布规律服从 玻尔兹曼 分布规律 。
于是原子磁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
用射频场打乱原子磁矩定向排列的过程。
在原子磁矩取向前, 吸收室中大量亚稳态正氦原
子吸收由氦灯射来的 D线, 原子通过光泵作用将
原子磁矩定向排列到某一能级上去, 这时透过吸
收室的光线相对较少, 称作光弱 (暗 )；当原子磁
矩取向时刻, 吸收室内的原子磁矩已排列好, 不
再吸收 D线, 而透过吸收室的光相对变强, 称作
光强 (亮 )。 当发生磁共振时, 即原子磁矩取向被
打乱, 吸收 D线产生光泵作用而重新取向, 此时
为暗 。 若能测量出通过吸收室样品光线最暗时的
射频场频率, 即求得磁共振 （ 吸收 ） 频率 。
从吸收室光的强或弱（即从光学检测）的角度出
发，分析光泵作用和磁共振作用的全过程。
2 3 4 5 8
9 10
6
1 放大
图 2.2-6 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； 7— RF振荡器； 8— 射频线圈；
9— 透镜 2； 10— 光敏元件 ?
7
He4光泵式磁敏传感器系由 吸收室, 氦灯, 两个透镜,
偏振片, λ/4,光敏元件 等元器件组成 。
三、光泵式磁敏传感器的组成及工作原理
首先将测磁传感器置于被测外磁场中,
并使传感器的轴向与外磁场方向平行, 其后
将高频激发振荡器打开, 激发氦灯使发出 D线；
激发 He4吸收室使其处于亚稳状态 。
这时灯发出的 D线经过透镜将 D线变成平
行光, 再经偏振片和 λ/4变成圆周极化光, 直
射至吸收室中的亚稳态正氦上, 正氦在外磁
场作用下产生塞曼分裂, 塞曼能级 2s态原子吸
收 D线, 跃迁到 2P态而产生光泵作用 。
He4光泵式磁敏传感器的工作原理
光泵作用结果使原于磁矩取向于 2s态
某一磁子能级上 。 然后由 RF娠荡器提供给
的射频能量, 打乱亚稳态中某一磁子能级
上原子磁矩的取问, 产生磁共振作用 。 当
测出磁共振时射频场的频率 f0,即可求出被
测外磁场 T的大小 。
由前所述, 磁共振频率 f0是由光敏元件
通过光线的弱或强的变化来检测, 即由射
频振荡器指示出的吸收室最暗时刻相对应
的频率, 就是所要测量的共振频率 f0。
四、磁共振检测方法
大调频法,是一种粗略地观察与测量共振信号的方法，
信号源提供振荡频率接近于共振频率的电磁波，同时被
一个锯齿波所调制。输给样品的电磁波振荡频率围绕着
中心频率有一变化范围。
大调频法、大调场法、小调频法
调制信号频率为几 Hz—— 几十 Hz。
要求：调频幅度必须大于谱线宽度，使信号源频率变
化范围覆盖样品共振区，故称 大调频法 。
大调场法,在观察塞曼分裂能级之间的共振吸收时（磁
共振），也可用固定频率的信号源，通过改变恒磁场的
方法进行，即大调场法。
小调频法, 用两个调频信号，一个是调频幅度小于谱线
线宽，称为 小调频,由正弦波发生器供给。其调制频率
一般为几十 Hz到几百 Hz 。另一个调频幅度大于谱线线
宽，称为 慢扫频,它由慢扫频发生器供给。扫频频率与
小调频的调制频率相等。慢扫频使信号源的振荡频率缓
慢通过共振区。
原理：当改变恒磁场时，塞曼能级的间距发生变化，当
磁场变化到使两塞曼能级间的能量差满足 ΔE=hf 时发生
共振,样品吸收电磁波功率。
五、氦（ He4） 光泵式磁敏 传感器的应用
He4跟踪式光泵磁力仪方框图
数模转换器 记录器
计数器 打印机 倍频器
压控振荡器 低频振荡器 移相器
选频放大器 相敏检波器 积分器 He4传感器 高频振荡器
是一种根据小调频法 检测磁共振的磁力仪
