振动样品磁强计的原理

振动样品磁强计（Vibrating Sample Magnetometer，简称VSM）的工作原理是利用电磁感应原理测量被测样品在磁场中的磁矩。

振动样品磁强计可分为两种类型。

第一种是被磁化的样品在包围它的线圈中或在两个串联反接的线圈之间以某一频率往复运动，将探测线圈中的感应电动势积分，得到与磁通量成正比的电压，从而测定样品的磁化强度。

第二种类型的振动样品磁强计是采用尺寸较小的样品，它在磁场中被磁化后可近似看作一个磁偶极子。

使样品在某一方向做小振幅振动，用一组相互串联反接的探测线圈在样品周围感应这磁偶极子场的变化，可以得到探测线圈的感应电动势直接正比于样品的磁化强度这一类型的仪器，由于可采用小样品及后面将要述及的优点，目前在静态磁性的测量中得到了广泛的应用。

振动样品磁强计（VSM）实验一、实验目的掌握用振动样品磁强计测量材料的磁性质的原理与方法。

二、实验原理本实验采用Lake Shore振动样品磁强计(Vibrating sample magnetometer 7407)，磁场线圈由扫描电源激磁，产生Hmax＝±21000Оe的磁化场，其扫描速度和幅度均可自由调节。

检测线圈采用全封闭型四线圈无净差式，具有较强的抑制噪音能力和大的有效输出信号，保证了整机的高分辨性能。

振动样品磁强计是一种常用的磁性测量装置。

利用它可以直接测量磁性材料的磁化强度随温度变化曲线、磁化曲线和磁滞回线，能给出磁性的相关参数诸如矫顽力H c，饱和磁化强度M s，和剩磁M r等。

还可以得到磁性多层膜有关层间耦合的信息。

图1是VSM的结构简图。

它由直流线绕磁铁，振动系统和检测系其测量原理如下:装在振动杆上的样品位于磁极中央感应线圈中心连线处，位于外加均匀磁场中的小样品在外磁场中被均匀磁化，小样品可等效为一个磁偶极子。

其磁化方向平行于原磁场方向，并将在周围空间产生磁场。

在驱动线圈的作用下，小样品围绕其平衡位置作频率为ω的简谐振动而形成一个振动偶极子。

振动的偶极子产生的交变磁场导致了穿过探测线圈中产生交变的磁通量，从而产生感生电动势ε，其大小正比于样品的总磁矩μ：ε = K μ其中K 为与线圈结构， 振动频率， 振幅和相对位置有关的比例系数。

当它们固定后， K 为常数，可用标准样品标定。

因此由感生电动势的大小可得出样品的总磁矩，再除以样品的体积即可得到磁化强度。

因此，记录下磁场和总磁矩的关系后，即可得到被测样品的磁化曲线和磁滞回线。

在感应线圈的范围内，小样品垂直磁场方向振动。

根据法拉第电磁感应定律，通过线圈的总磁通为：t BM AH ωsin +=Φ此处A 和B 是感应线圈相关的几何因子，M 是样品的磁化强度，ω是振动频率，H 是电磁铁产生的直流磁场。

线圈中产生的感应电动势为：()t KM dt d t E ωcos =Φ= 式中K 为常数，一般用已知磁化强度的标准样品（如Ni ）定出。

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振动磁强计测量原理振动磁强计是一种常用的测量磁场强度的仪器，它利用了物体在磁场中振动的原理来测量磁场的强度。

本文将介绍振动磁强计的测量原理和工作原理。

我们来了解一下振动磁强计的结构。

振动磁强计主要由磁体、弹簧、振子和传感器等组成。

其中，磁体产生磁场，弹簧将振子固定在磁体上，传感器用于测量振子的振动情况。

振动磁强计的工作原理是基于洛伦兹力的作用。

当振子在磁场中振动时，振子上的带电粒子会受到洛伦兹力的作用，从而引起振子的振动。

传感器可以测量振子的振动情况，并将其转化为电信号输出。

具体来说，振动磁强计的工作过程如下。

首先，当磁体通电时，会在其周围产生一个磁场。

接着，将待测磁场放置在磁体附近，待测磁场的强度会影响到磁体周围的磁场分布。

在这个过程中，振子会受到洛伦兹力的作用，从而引起振动。

为了测量振子的振动情况，传感器通常使用电感式传感器。

电感式传感器是一种能够将机械振动转化为电信号的传感器。

当振子振动时，传感器会感应到振子的振动，并将其转化为电信号输出。

通过测量这个电信号的特征，我们可以间接地得到振子的振动情况，进而推算出磁场的强度。

值得注意的是，由于振子的振动是由待测磁场的强度引起的，因此振子的振动情况可以间接反映出待测磁场的强度。

通过测量振子的振动情况，并根据振动与磁场强度之间的关系，我们可以计算出待测磁场的强度。

振动磁强计的优点在于其测量范围广、精度高、响应速度快等特点。

同时，振动磁强计还可以通过改变磁体的电流来调节磁场的强度，从而实现对磁场的控制。

振动磁强计利用振子在磁场中受到洛伦兹力的作用而振动的原理，通过测量振子的振动情况来间接测量磁场的强度。

它在磁场测量中有着广泛的应用，可以用于磁场强度的测量、磁场分布的研究等方面。

通过不断的改进和创新，振动磁强计将在更多领域发挥重要作用。

07. 02 振动样品磁强计测量内禀磁特性振动样品磁强计测量内禀磁特性1. 实验目的(1) 掌握VSM工作原理；(2) 利用实验室提供的设备，具体测量实际材料的M或值2. 实验原理如图1所示，体积为V、磁化强度为M 的样品S沿Z轴方向振动。

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，磁场沿M方向施加。

由于M的尺度与相比非常小，故S在空间的场可表为偶极场形式：「V M 3(M * r n)r n叽=我+_厂J(1)注意到M值有X分量，则可得到检测线圈L内第n匝中振动面积元的强计磁性检测原理3p U MX ll Z11Vd©!! = ti()H z dS n = -4itrg其中I为真空磁导率。

而第n匝内的总磁通则为整个L的总磁通则为口r3p&MX n Z r iVn h 11⑶其中，忍为'的X轴分量，不随时间而变；占［为「”的Z轴分量，是时间的函数。

为方便计，现认为S不动而L以S原有的方式振动，此时可有=睥+朋i】mt,即为第门匝的坐标，a为L的振幅。

由此可得到检测线圈内的感应电压为呦"竽十兽砒吃j空Qg］沁tKMVvus（i）t = KJcostot2.1振动样品磁强计磁性检测原理显然，精确求解上式是困难的，但从该方程却能得到一些有意义的定性结论，那就是：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⑷式中的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关系后，就可根据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Mr d。

卩为材料的密度。

2.2振动样品磁强计工作原理信号发生器产生的功率信号加到振动子上，使振动子驱动振动杆作周期性运动从而带动粘附在振杆下端的样品作同频同相位振动，扫描电源供电磁铁产生可变磁化外场H而使样品磁化，从而在检测线圈中产生感应信号，此信号经放大并检测后，馈给X-Y记录仪的Y轴。

振动样品磁强计的设计1.概述振动样品磁强计是用来测量试样磁矩大小的专用设备。

当试样的体积V或质量m被测定之后,可计算出试样单位体积或单位质量的磁矩，即磁化强度M或比磁化强度σ。

在不同的磁场条件下测量 M或σ可得到样品的磁化曲线和磁滞回线，由此可以确定各种磁化率、饱和磁化强度、剩磁、矫顽力，也可以得到退磁曲线；在不同温度下测量以上参数，可以得到上述量的温度系数、居里温度、补偿温度和有关的磁参数信息。

如果在不同时间测量这些参数的变化，还可作磁后效和时间稳定性研究等等。

由此可见VSM可以测量大部分磁性参数，是磁性研究和磁性材料试制不可缺少的测量工具。

2.测量原理一小块被磁化了的样品可被视为一磁偶极子，通过振动头、连接杆可把垂直方向的正弦振动传递给样品。

当样品在磁场中做受迫振动时，在它附近的探测线圈中会感应出一电压信号，其大小正比于样品的磁矩、振幅和振动频率。

这一电压信号很小，采用锁相放大技术可加以准确测量。

用一已知磁矩的标样可确定出这一电压信号和磁矩的比例系数，这就是VSM定标。

一般采用纯Ni球或Ni片作为标样。

定标完成后，只需测量出待测样品感应电压便通过计算得到其磁矩值。

样品放在电磁铁的两极之间，改变磁场使样品处于不同的磁化状态，具有不同的磁矩值。

用加热炉使样品处在不同温度，便可测量出样品磁矩随磁场或温度的变化。

3.VSM总体设计VSM由如下部分组成：磁矩测量系统：锁相放大器、探测线圈磁场产生系统：电磁铁、电磁铁电源磁场测量系统：特斯拉计、霍尔探头振动源系统：驱动源、振动头、振动杆计算机系统：数据采集卡、软件高低温系统：增压连续流喷气恒温器、高温炉、高低温炉电源整机设计指标：磁矩测量灵敏度：± 1×10-3emu精度：1%（相对于标准样品）磁场测量灵敏度：0.0001T(0-1.9999T F.S.)量程：0-1.9999T，0-2.999T设备耗电量: 三相, 380V±10%, 50Hz, 最大12KWVSM的总体结构如图1所示。

振动样品磁强计振动样品磁强计振动样品磁强计(Vibrating Sample Magnetometer,VSM)是测量材料磁性的重要手段之一，广泛应用于各种铁磁、亚铁磁、反铁磁、顺磁和抗磁材料的磁特性研究中，它包括对稀土永磁材料、铁氧体材料、非晶和准晶材料、超导材料、合金、化合物及生物蛋白质的磁性研究等等。

它可测量磁性材料的基本磁性能，如磁化曲线，磁滞回线，退磁曲线，热磁曲线等，得到相应的各种磁学参数，如饱和磁化强度M s，剩余磁化强度，矫顽力H c，最大磁能积，居里温度，磁导率（包括初始磁导率）等，对粉末、颗粒、薄膜、液体、块状等磁性材料样品均可测量。

一、实验目的1、了解磁性材料的分类和基本磁学参数。

2、了解振动样品磁强计的工作原理和仪器组成结构。

3、测量两种材料样品的磁滞回线，计算相关的磁学参数。

二、VSM的仪器结构与工作原理1、VSM的仪器结构振动样品磁强计主要由电磁铁系统、样品强迫振动系统和信号检测系统组成。

图1、图2所示的为两种类型的VSM原理结构示意图，两者的区别仅在于：①前者为空芯线圈（磁场线圈）在扫描电源的激励下产生磁场H，后者则是由电磁铁和扫描电源产生磁场H。

因此，前者为弱场而后者为强场。

②前者的磁场H正比于激磁电流I，故其H的度量将由取样电阻R上的电压标注，而后者由于H和I的非线性关系，H必须用高斯计直接测量。

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。

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。

叙述振动样品磁强针的工作原理振动样品磁强针是一种广泛应用于材料科学研究中的实验装置，它可以通过测量材料的振动特性来获取材料的磁强度信息。

振动样品磁强针的工作原理主要依赖于材料的磁特性与振动特性之间的相互关系。

在振动样品磁强针中，首先需要将待测材料制备成样品，并固定在一个具有弹性的载体上。

然后，通过施加外部磁场来激发材料中的磁性，使得样品具有磁性。

接下来，通过激光干涉仪或其他精密测量装置来测量样品在振动过程中的位移变化。

在进行振动实验时，通常会施加一个交变磁场，使得样品在磁场的作用下发生振动。

这种振动可以是自由振动，也可以是受到外力驱动的强迫振动。

当样品在振动过程中发生位移时，其对应的磁特性也会发生变化，例如磁化强度、磁导率等。

通过测量样品振动过程中的位移变化，可以得到样品的振动频率、振动幅度等信息。

而这些信息与样品的磁特性之间存在着一定的关系。

根据材料的不同磁特性，可以利用振动样品磁强针来测量材料的磁导率、磁化强度、磁滞回线等参数。

振动样品磁强针的工作原理是基于材料磁特性与振动特性之间的相互关系。

通过测量样品振动过程中的位移变化，可以间接地获得样品的磁特性信息。

这种间接测量方法具有一定的优势，可以避免直接接触材料对测量结果的影响。

振动样品磁强针在材料科学研究中具有广泛的应用。

例如，在磁性材料的研究中，可以通过振动样品磁强针来测量材料的磁滞回线，从而了解材料的磁化机制。

在材料的磁导率测量中，可以利用振动样品磁强针来测量材料的磁导率随频率的变化规律，从而研究材料的磁性响应。

振动样品磁强针还可以应用于磁性材料的性能评估和质量控制。

通过测量样品在不同磁场强度下的振动特性，可以评估材料的磁性能，并对材料的制备工艺进行优化。

振动样品磁强针是一种通过测量材料的振动特性来间接获取材料磁特性信息的实验装置。

其工作原理基于材料磁特性与振动特性之间的相互关系，通过测量样品振动过程中的位移变化来获得材料的磁导率、磁化强度等参数。

振动样品磁强计(VSM)实验报告实验目的：1、掌握振动样品磁强计的基本原理、结构，了解其使用方法2、掌握磁性样品的起始磁化曲线和磁滞回线的测量，了解由此分析材料磁性参数的方法仪器工作原理：如果将一个开路磁体置于磁场中，则此样品外一定距离的探测线圈感应到的磁通可被视作外磁化场及由该样品带来的扰动之和。

多数情况下测量者更关心的是这个扰动量。

例如，可以让被测样品以一定方式振动，探测线圈感应到的样品磁通信号因此不断快速的交变，保持环境磁场等其他量不做任何变化，即可实现这一目的，这是一种用交流信号完成对磁性材料直流磁特性测量的方法。

振动样品磁强计（Vibrating Sample Magnetometer）是基于电磁感应原理制成的仪器。

VSM是一种高灵敏度的磁矩测量仪器，测量在一组探测线圈中心以固定频率和振幅作微振动的样品的磁矩。

采用尺寸较小的样品，它在磁场中被磁化后可近似看作一个磁矩为m的磁偶极子，使样品在某一方向做小幅振动，用一组互相串联反接的探测线圈在样品周围感应这磁偶极子场的变化，可以得到探测线圈的感应电动势直接正比于样品的磁化强度。

用锁相放大器测量这一电压，即可计算出待测样品的磁矩。

由于测量线圈中的感应信号来源于被磁化的振动样品在周围产生的周期性变化磁场，那么位于坐标原点O的磁偶极子在空间任意一点P产生的磁场可表示为：H⃗⃗⃗ (r⃗ )=−14π(M m⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗r3−3(M⃗⃗⃗ m∙r⃗ )r5r⃗ )(1)式中r=xi+yj+zk⃗，其中i、j、k⃗分别为x，y，z的单位矢量。

若在距偶极子处的P点放置一匝面积为S的小测量线圈，则通过线圈的磁通量为：ϕ=∫B⃗⃗ ∙dS⃗=μ0∫H(r⃗ )∙dS⃗SS(2)若偶极子沿着z轴做αe jωt简谐振动时，（a是振幅，ω为振动角频率），有r⃗ =xi +yj +(z +αe jωt )k ⃗ (3)则偶极子磁场在N 匝线圈中激起的感应电动势为：e (t )=−ð∅ðt =−μ0∑∫ðH(r ⃗ ,t)ðt ∙dS ⃗ S N i (4)因样品沿着x 方向磁化，且线圈截面较小时，可用线圈中间的性质代表每匝线圈的平均性质，若线圈尺寸和位置固定不变，上式中积分式的数值是常数，故： e (t )=E m cos ωt(5)振幅Em 与样品磁矩成正比。

振动样品磁强计（Vibrating sample magnetometer，VSM）是一种常用的磁性测量装置。

利用它可以直接测量磁性材料的磁化强度随温度变化曲线、磁化曲线和磁滞回线,测量原理装在振动杆上的样品位于磁极中央感应线圈中心连线处，位于外加均匀磁场中的小样品在外磁场中被均匀磁化，小样品在远处可等效为一个磁偶极子。

其磁化方向平行于原磁场方向，并将在周围空间产生磁场。

在驱动线圈的作用下,小样品围绕其平衡位置作频率为ω的简谐振动而形成一个振动偶极子。

振动的偶极子产生的交变磁场导致了穿过探测线圈中产生交变的磁通量, 从而产生感生电动势ε由感生电动势的大小可得出样品的总磁矩，再除以样品的体积即可得到磁化强度。

因此，记录下磁场和总磁矩的关系后，即可得到被测样品的磁化曲线和磁滞回线。

实验仪器的组成1．电磁铁提供均匀磁场，并决定样品的磁化程度，即磁矩的大小。

需要测量的也是样品在不同外加均匀磁场的磁矩大小。

2．振动系统小样品置放于样品杆上，在驱动源的作用下可以作Z方向（垂直方向）的固定频率的小幅度振动，以此在空间形成振动磁偶极子，产生的交变磁场在检测线圈中产生感生电动势。

3．探测线圈探测i、j、k分量的磁通4．锁相放大器小样品的磁性是非常微弱的，在检测线圈中产生的交变磁场产生的感应电动势也是非常微弱，一般为10-6~10-4伏。

与外部空间的干扰信号——噪声——可以比拟甚至更小。

这么微弱的信号要能够从噪声中有效地采集出来，目前对这种小讯号的测量最好的方法是采用锁相放大器，锁相放大器是成品仪器，它能在很大噪音讯号下检测出微弱信号来特斯拉计特斯拉计的原理是采用霍尔探头来测量磁场。

H(oe)剩磁比为0.24下周自己做实验将VSM 和MOKE测量的实验结果进行对比，说出二者之间的差异。