磁力计的类型

本高级指南介绍了常见类型的磁力计，包括标量、矢量、梯度等。

在上一篇文章中，我们介绍了磁力计的基础知识及其一些主要应用。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

标量磁力计可以准确测量磁场的数值。每种类型都基于不同的物理现象：

• 霍尔效应： 感应施加磁场时电导体上感应的电压可以完美地用于测量磁场
• 质子进动 (PPM)： 利用核磁共振测量磁场中质子的共振，测量线圈中由于它们重新定向而产生的电压
• 奥弗豪瑟： 类似于霍尔效应和质子进动磁力计，但使用射频信号来极化电子自旋

用于地球物理应用的 Overhauser 磁力计。图片由 Gem System 提供

矢量磁力计

• 感应： 将样品置于变化的磁场后，通过测量某些检测线圈中的感应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芯组成：驱动绕组和感测绕组

磁通门磁力计绕组。图片由伦敦帝国理工学院提供

• 霍尔效应： 产生与磁场成正比的电压并提供有关其模块和方向的信息；广泛用于传感应用，而不是用于表征磁性材料
• 微机电系统 (MEMS)： 使用光学手段在微观尺度上检测共振结构的运动

MEMS 磁力计价格便宜且易于使用。图片由 Sparkfun Electronics 提供

梯度磁力计

虽然每个梯度磁力计都略有不同，但每个都大致具有相同的元素。首先，它们需要一个设备来产生一个已知的磁场，该磁场可以是交替的或恒定的。其次，梯度磁力计需要交替梯度场的源。最后，它们还需要电子或光学手段来检测和测量合力。

它们也都具有谐振操作，因此当达到最大幅度时，磁性样品围绕其谐振频率移动。

磁力计的另一个相关方面是磁场的方向。在一些磁力计中，例如 Zijlstra 的，交变场和直流场都是垂直对齐和定向的。相比之下，在 Foner 的磁力计中，样品垂直于磁场振动，这降低了必要设置的复杂性。

振动簧片磁力计

Zijlstra于1970年推出了第一台交变梯度磁力计，旨在克服以往磁力计的局限性，测量磁性材料的完整磁滞曲线。

簧片磁力计由一根细线组成，在其末端附有一个非常小的样品以进行表征。有两个反向串联或差分耦合的线圈，以产生场梯度。该场在样品上产生一个力，从而使簧片振动。由于运动非常微妙，频率设置为等于簧片的机械共振，因此运动被放大并且更容易被检测到。使用显微镜和频闪灯观察簧片的运动。当通过线圈的电流恒定时，磁场也恒定；我们测量的运动与样品的磁矩成正比。

Zijlstra 的磁力计与以前的磁力计最显着的区别是灵敏度和完全表征磁性材料的能力。要进行完整的磁性表征，样品需要非常小以避免出现缺陷，问题在于能够表征微米级样品的磁力计只能表征一些磁特性，例如剩磁或磁化率，而不能表征完整的磁滞循环.

振动样品磁强计 (VSM)

大多数测量磁矩的设备都有一个检测线圈，该线圈与产生交变磁场的线圈水平对齐。

振动样品磁力计 (VSM) 由 Foner 于 1959 年发明，引入了样品运动垂直于外加磁场的新颖性。 Foner 降低了设置的复杂性，避免了对磁铁的硬修改。

VSM 存在于许多实验室中，并且可以在市场上买到。

商用振动样品磁强计 (VSM)。图片由 Microsense 提供

组合式交变磁场磁力计

还有第三类磁力计，它结合了前几类的特性；它们是所谓的组合磁力计。他们仍然使用两个磁场；然而，它们不是只施加一个交替场和另一个恒定场，而是施加两个交替场。与 VSM 或其他仅限于直流场的磁力计相比，最大的优势是在交流和直流中表征样品。

其他磁力计产生的磁场的频率等于样品的机械共振频率。组合磁力计产生两个磁场，其差值等于共振频率。由于其中一个磁场可以设置为 0 Hz，因此它可以完美地作为传统的梯度磁力计工作。当改变这两个频率时，该设备用作磁感受计，测量磁矩的高次谐波。这种磁力计是马德里技术大学的研究人员于 2015 年发明的。