磁敏传感器是对磁场敏感的元器件，具有把磁学物理量转换为电信号的功能。它在地学领域中主要是用来测量地磁参量，供地球物理研究和矿勘探使用。 目前，常用与地学领域中的磁敏传感器主要有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。机械式磁敏传感器等。本章主要介绍几种常见磁敏传感器的原理及其在地学领域中的应用。
3.1 质子旋进式磁敏传感器
质子旋进式磁敏传感器是利用质子在地磁场中的旋进现象，根据磁共振原理研制成功的。用这种传感器制作的测磁仪器，在国内外均得到广泛应用。 3.1.1质子旋进式磁敏传感器的测磁原理
物理学业已证明物质是具有磁性的。若以水分子（H2O）而言，从其分子结构、原子排列和
化合价的性质分析得知：水分子磁矩（即氢质子磁矩）在磁场作用下绕地磁场旋进，如图2.1——1所示。
它的旋进频率f服从公式f=γpT/2π的[式中γp为质子旋磁比；T为地磁场强]。不管从经典力学观点，还是从量子力学观点，此公式的来源均能得以论证。为方便起见，本文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在地磁场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
=
磁矩的三个分量为：
为分析方便，设Tz=T(地磁场)；Tx=0;Ty=0.将此条件代入式（2.1——4），便得:
对于（2.1——5）中的第一微分，得
即
显然，式（2.1——6）为简谐运动方程，其解为：
同理：
从式（2.1——7）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轴的投影是按余弦规律变化的；磁矩M在y轴是按正弦规律变化的。由图2.1——2可以看出：磁矩M在xy平面上的绝对值是一个常数，并且在xy平面上旋进。
综合起来看，质子磁矩M在地磁场T的作用下，绕地磁场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：ω=γpT;ω=2πf，即：
f=
式中 γp=（2.67513_+0.00002）S-1T-1。
将此值代入上式，便得：
（2.1——10）
由上式可看出，频率f与地磁场成正比，只要能测出频率f，即可间接求出地磁场T的大小，从而达到测量地磁场的目的，需要指出的是：这里没有考虑驰豫时间。但是，在实际工作中是有驰豫时间的，信号也是衰减的，那么如何在信号衰减的情况下测量地磁场呢？下面就来介绍这个问题。
二． 地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成正比。
当被测磁场很弱时，信号幅度大大衰减，对地磁场这样微弱的磁场，用一般的核磁共振检测方法是接收不到旋进信号的，为了测得质子磁矩绕地磁场的旋进频率数理化自学丛书f信号，必须采取特殊方法：使沿地磁场方向排列的质子磁矩，在激化场的激励下，建立质子宏观磁矩，并使其方向垂直（或接近垂直）于地磁场方向。
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。以增强信号幅度的。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），使线圈轴向垂直于地磁场T方向。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，如图2.1—3秋天的怀念教学反思所示。一旦去掉极化场，质子磁矩则以拉莫尔旋进频率绕地磁场旋进，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，如图2.1—4所示。
若量测感应电压的频率，就可测量出地磁场的大小。因为极化场H大于地磁场，故此法可使信噪比增大倍，设地磁场为0.5×10－4T，极化场H为100×10－资本运营4T，则可使信噪比增大200倍。
在自由旋进的过程中，磁矩的横向分量以T2（横向驰豫时间）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。这一现象由图2.1—4和图2.1—5不难说明。
图2.1—6所示为质子旋进式磁敏传感器的示意图.传感器的核心部分是一个容积为500cc左右的有机玻璃容器（内装蒸馏水），在容器外面绕以数百匝的导线，使线圈轴向与地磁场方向大致垂直。线圈通以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。若迅速撤去极化磁场，则的数值与方向均来不及变化，驰豫过程来不及影响的行为，此时，质子磁矩在自旋和地磁场的作用下以角速度w绕地磁场旋进。在旋进的过程中，周期地切割外绕的线圈。杂一测量线圈中产生出的感
应信号。由于驰豫过程的作用，其信号幅度Vt的大小随时间按指数规律衰减，其表达式：
式中 T2——横向驰豫时间；
V0——信号初始幅度；
如果接收线圈共有w匝，所包围的面积为S，充填因子为蓝血人作品a，则质子旋进信号强度的表达式为：
式中 M0——磁化强度。
在实际工作时，线圈轴向与地磁场的夹角θ不正好保持900，并由实测得知：总磁矩量与sinθ成正比例，所以，自由旋进感应信号的电压幅度值和sin2θ成正比例。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为：
由于（2.1—13）可知，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。
由实验得知，对于几百立方厘米的样本，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0.5mV左右。
感应信号的衰减还和地磁场梯度的大小有关。
理论分析和实验表面：测量线圈中产生的感应信号频率即为质子磁距的旋进频率，这和以前所述的公式是一致的。
用这种质子旋进式磁敏传感器测量地磁场的主要优点是：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，可直读地磁场nT值；绝对值测量等。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。
三． 质子旋进式磁敏传感器的设计
设计某传感器时，首先要知道它应具有何种功能，所测的量又具有什么特点后，才能着手设计。按此原则。我们分析一下质子旋进式磁敏传感器设计的几个有关问题：
(一) 利用质子旋进原理测量地磁场的特点
首先是测量精度高，由均方误差公式计算得到极限精度为0.02T。这说明如何设计合理，若采用更先进测试技术，精度还是可以提高的。其次是稳定性好，这是因为旋磁比γp只是与质子本身有关的物理量有关，而与温度、压力、湿度等因素无关。另从公式可以看出，测量参数是频率f，若采用先进的测频技术（若采用取倍频措施），则可达到提高精度的目的。再有，相对磁秤测量地磁场而言，它可以不调水平，不严格定向，因而可快速测定，提高工作效率。
但是应该注意：测量参数虽然是频率。必须借助别的办法来直接显示地磁场nT值；必须考虑到极化功率大（十瓦至数使瓦），极化周期长；不能连续测量；受磁场梯度影响大等不里因素。因此，设计时应想办法充分发挥有利特点，应尽量避免或减少不利因素的影响。
(二) 样品选择
选择样本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数值见下表。
溶液 | 时间，s |
滑稽人物T1 | T2 |
水 | 2.3 | 3 |
煤油 | 0.7 | 1 |
| | |
如果设计的传感器系由于磁测作业，因水的纵向驰豫时间T1和横向驰豫时间T2较长，故适合地面操作；如果有自动化程度的测频装置，则可选用T1、T2时间短的样本，如果在空中磁测，由于飞机航速快，选择没有作样本则是合适的；如果在低温工作区，除考虑T1、T2外，还应考虑选择冰点低（如甘油）的样本
(三) 容器的选择
积累知识考虑到无磁性，价格便宜，加工方便，选择有机玻璃材料制作容器是合适的。由实验和理论计算结果认为：容器的直径和长之比应为1：1.2（1.3）的圆柱为宜。
(四) 激发与接收
据前述知：极化场方向应垂直于地磁场，极化场的大小应大于被测磁场（如地磁场）200倍，因为地磁场按0.5×10－4T计算，根据实测经验，应选择对于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地磁场。有因为地磁场太弱，必须采用预极化方式才能接受到旋进的感应信号。
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