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材料科学与工程实验教学中心
Experimental Teaching Center for Materials Science and Engineering
振动样品磁强计
Vibrating Sample Magnetometer
(VSM)
• 实验指导书
• 2013年6月4日
实 验
目 的
• 1.了解VSM的测试原理
• 2.了解VSM测试的影响因素
• 3.了解VSM测试的优缺点
磁性能的检测目的
1.
2.
3.
4.
（基本）粒子的磁矩
单原子、单分子的磁矩
原子团、聚合物的磁性
大块材料：
(比)(饱和)磁矩(磁化强度、磁感应强度)、
(内禀)矫顽力、居里温度、(最大)磁能积、
磁化率、磁导率、磁畴、磁各向异性、
磁致伸缩，等等。
磁性能的检测内容
• 磁性分类
具体的物质具有何种磁性
• 磁性的变化规律
～ 环境温度、压力、气氛
～ 外加电、磁场
～ 时间
VSM－－原理图
振动头
振 动 源
样品杆
样品
锁相放大器
探测线圈
电磁铁
霍尔探头
磁 强 计
电磁铁电源
数据获得单元
计 算 机
VSM 原 理

 D  0
磁通量

面积
A

B

E  
t

 B  0



D
  H  j0 
t


   B  dS
S


d B
d
   E  dL  

L
dt
dt


B

d
S

S
VSM 原 理
Z
检测线圈

r
Y
样品
X
磁偶极子


   B  dS
S

 
  0  H (r )  dS
S



 
1  M m 3( M m  r )  

H (r )  

r
3
5

4  r
r

为什么要振动样品？
VSM几个关键的问题
1. 样品必须处于均匀磁场中：均匀区
2. 我们只能检测感应电动势：检测线圈
3. 怎样得到磁偶极子：样品、驱动方式
4. 样品－线圈－振幅－频率
VSM－－磁源
磁场均匀区
无限长螺线管
亥姆霍兹线圈
螺线管
超导磁体
均匀区较大
圆柱极头
电磁铁
磁场强度可能较低
d
圆台极头
电磁铁
均匀区较小
磁场强度可能很高
VSM－－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。
VSM－－检测线圈
感应电动势
r '( t )  r  ae
Z
ae
j t
t

 (t )  
j t
)k
设线圈面积为S，匝数为N
f(ω)
 H ( r ', t )
k
 xi  yj  ( z  e
a
感应电动势
j t

t
 0 
 H ( r ', t )  r '
r '

  H ( r ') 
r '
t
t
 H ( r ', t )
N
i 1

S
t
 dS
只有z方向分量
VSM－－检测线圈
检测线圈－感应电动势－磁矩
两个关于线圈的假设：（永远适用）
1. 检测线圈位置固定；
2. 样品沿固定方向（X或者Y）磁化。
感应电动势－磁矩－驱动方式－线圈位置的关系如下：
 (t )  
式中
3 M m  0
4

xz
f Z (r )  5 ,
r
N

i 1
 

S d S    f Z ( r ) ae
j t

为检测线圈位置函数

 [  f Z ( r )]
Z
2
a e
j 2 t

 ... 

VSM－－检测线圈
检测磁矩的最终表达式
感应电动势
电压有效值
 ( t )  E m cos  t
V x  kM m
必须满足的条件：（确保永远适用）
1. 检测线圈尺寸、位置固定；
2. 样品沿固定方向（X或者Y）磁化；
3. 样品尺寸与线圈位置：满足磁偶极子条件
4. 有足够大的“鞍点区”
VSM－－检测线圈
串联反接－检测线圈
定义：空间位置函数fZ(r)中各频率成份中与位置有关的函数，
为该频率成份的线圈几何因子KF。
检测线圈位置函数

xz
f Z (r )  5
r
基频的线圈几何因子KF1：

 xz  x ( r  5 z ) sin  (1  5 cos  ) cos 
K F1 ( r ,  ,  )   f Z ( r )    5  

7
4
r
r
r 
2
为什么要使用双线圈？
2
2
VSM－－检测线圈

sin  (1  5 cos  ) cos 
  f Z (r ) 
4
r
2
基频（ω）的贡献：
Z
D
+
–
θ1
–
–
+
θ2 +
+
Coil 2

r
线圈直径：D
样品_线圈：r（x）
当r2 > 5D2时，
X
在 x 处，KF1为正
–
即63°26´ < θ < 116º34´
Coil 1
在 －x 处，KF1为负
为什么要使用双线圈？
即243°26´ < θ < 296º34´
VSM－－检测线圈
二次谐波（2ω）的贡献：

5 sin  cos  ( 7 cos   3 ) cos 
 f Z ( r )  

5
z
r

Z
–

r
+
对于满足基频线圈几何因子
49°6´
–
+
–
+
+
–
为什么要使用双线圈？
所确定的串联反接双线圈，
二次谐波在该线圈对中的感
X
130°54´
应电动势等于零。
VSM－－鞍点区
定义：对串联反接线圈，在样品所处磁场区的中心位置附近，
线圈中的感应电动势对样品位置不敏感的区域。
磁化方向
“鞍点区”的意义
振动方向
横向方向
0
为什么要调节鞍区？
距离
1. 样品的安装
2. 位置调节
VSM－－鞍点区
！任何时候！（除了测量进行之中）
1. 磁矩定标时；
2. 开始测量样品前
定义：对串联反接线圈，在样品所处磁场区的中心位置附近，
线圈中的感应电动势对样品位置不敏感的区域。
什么时候可以不用调节鞍区：样品处于位置不敏感区！
为什么要调节鞍区？
VSM－－定标
磁矩的定标
电压有效值与磁矩的关系：
V x  kM m
标准样品比磁化强度：σStandard；质量：mStandard
待测样品比磁化强度：σSample；质量：mSample
V Sample
m Sample  Sample
为什么要定标磁矩？
k 
V S tan dard
m S tan dard  Stan dard
VSM－－分类
具 体 类 型
磁场来源
温度范围
亥姆霍兹线圈
电磁铁
超导磁体
室 温/低 温/高
振动方式
机械驱动/电磁驱动
检测线圈
双线圈/四线圈
信号采集
温
静电驱动
平行磁场
相敏检波/锁相放大
控制方式
电子计算机
单片机
存储处理
电子计算机
记录仪
人工
永磁体
VSM－－优缺点
VSM的优点
1、非积分式－同步采集，无零漂移；
2、原理简单，使用方便，适用面广；
3、单点测量所需时间短；
4、灵敏度较高。
VSM的缺点
1、只能开路测量－退磁修正；
2、样品大小、位置影响测量结果。
VSM的灵敏度
灵敏度：取决于最小量程
一般来说，厂家给出的灵敏度无法在实际中达到。？
影响信号检测的因素：
1、仪器本身的计量性能；2、样品架的本底信号
Vx 
d
dt
V x  kM m
尽量减小样品杆的信号
尽量使样品杆质量均匀
VSM：应用
测量铁磁性材料、反磁性材料、顺磁材料和抗铁磁
材料等材料的多种磁性能，测量的样品可以为块体磁性
材料、粉末、薄膜、单晶、磁性液体等。
1. 磁矩的磁场依赖关系：
初始磁化曲线、磁滞迴线
2. 磁矩的温度依赖关系：
热磁曲线
3. 磁矩的时间、频率依赖关系：
磁粘滞、损耗
VSM－注意事项
一、样品移动－线圈固定


   B  dS
S
样品松动；
样品杆或者样品室内残留磁性杂质的影响：
B＝B样品＋B杂质
数据点规跳动。
M
M
T
前提！
T
VSM－注意事项
二、样品杆与样品的安装


   B  dS
S
1. 尽量减少固定样品的附加物，如胶囊、透明胶带等
2. 根据仪器设备的信号检测原理选择样品杆
V x  kM m
基于电磁铁的振动样品磁强计
使用 磁性信号 较弱 的样品杆
使用 均匀的 无限长的 样品杆
VSM－注意事项3
H D   NM
三、退磁修正
不必考虑退磁修正的情况：
M
处于完全退磁状态： M＝0
内禀矫顽力、磁性相变温度
H
处于饱和磁化状态： M＝MS;
饱和磁化强度
必须考虑退磁修正的情况：
• 球形：
• 沿细线的轴线:
• 沿膜面:
N=1/3
N=0
N=0
M
HcJ
MS
Mr
H
VSM实验步骤
预热２小时
开机
调节鞍点
保存记录数据
关机
称样
开始测试
装样
设定程度
VSM19
相关参考文献
1. G. W. van Oosterhout, Appl. Sci. Res., B6, 101-104 (1956)
2. S. Foner, Rev. Sci. Instrum., 27, 548 (1956)
3. S. Foner, Rev. Sci. Instrum., 30, 548-557 (1959)
4. S. Foner, Rev. Sci. Instrum., 45, 1181 (1974)
5. S. Foner, Rev. Sci. Instrum., 46, 1425 (1975)
6. A. Zieba and S. Foner, Rev. Sci. Instrum., 53, 1344 (1982)
7. S. Foner, J. Appl. Phys., 38, 1510 (1967)
8. S. Foner, J. Appl. Phys., 79, 4740 (1996)
VSM的思考
• 为什么要振动样品？
• 为什么要使用双线圈？四线圈？
• 为什么要调节鞍区？
• 为什么要定标磁矩？
VSM的作业题目