振动样品磁强计的原理

振动样品磁强计可以测出在不同的环境下材料多种磁特性。由于它易于发挥电子技术的作用及其采用灵活的设计，使之有*的灵敏度并兼备易于安装定位，更换样品的优点。测量磁矩灵敏度在磁场中零场到磁铁可达到的大场范围内，可小到5x10-9A/m2以下。 由于其具有很多优异特性而被磁学研究者们广泛采用，又经许多人改进，使VSM成为检测物质内禀磁特性的标准通用设备。

　　内禀磁特性主要是指物质的磁化强度而言，即体积磁化强度——M 单位体积内的磁矩，和质量磁化强度σ——单位质量的磁矩。

　　设被测样品的体积为V，由于样品很小，当被磁化后，在远处可将其视为磁偶极子：如将样品按一定方式振动，就等同于磁偶极场在振动。于是，放置在样品附近的检测线圈内就有磁通量的变化，产生感生电压。将此电压放大并记录，再通过电压-磁矩的已知关系，即可求出被测样品的M或σ。

　　将小球型样品（体积位V，磁化强度为M）放在平行于X轴方向的均匀磁场H中，并使它在Z方向做小幅度等幅振动，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，磁场延X方向施加将小球型样品（体积位V，磁化强度为M）放在平行于X轴方向的均匀磁场H中，并使它在Z方向做小幅度等幅振动，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dSn，其与坐标原点的矢径为 rn，磁场延X方向施加。由于S的尺度与非常小，故S在空间的场可表示为偶极场形势：

　　H(rn)=V/4π[M/rn3+3(M.rn)rn/rn5(1)由此H(rn)的Z方向分量为： Hz(rn)=3m/r5.XZ (m为样品磁矩)注意到rn值有X分量，则可得到检测线圈L内第n匝中dSn面积元的磁通量：

　　dΦn=µ0HzdSn=3µ0MXnZnV/4πrn5.dSn

　　(2)其中µ0为真空磁导率。第n匝内的总磁通为：Φn=∫dΦn=∫3µ0MXnZnV/4rn5.dSn

　　(3)整个L的总磁通则为： Φ=∑nΦn=∑n∫3µ0MXnZnV/4πrn5.dSn

　　(4)其中，Xn为rn 的X轴分量，不随时间而变, Zn为 rn 的Z轴分量，是时间的函数 现在认为S不动而L以S原有的方式振动，此时可有Zn=Zn0+a.sinωt, Zn0 为第n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：

　　(t)=-dΦ/dt=[-3µ0/4πMVaω∑n∫Xn(rn2-5Zn2)/rn7. dSn]COSωt=KMV COSωt=KJ COSωt

　　(5)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=σm），且和检测线圈的结构，振动频率和振幅有关 如果将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对应关系后，就可以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M ,σ。M=ρσ，ρ为材料的密度。

　　由式（5）可以看出，信号的电动势为线圈到样品间距离r的灵敏圈数。因此减小距离r，增强样品与线圈的耦合，将会使灵敏度大为提高。但是随着距离的减小，样品所在位置的偏差对信号影响就会越大，对样品取放位置的重复性要求就会更加苛刻可以使用成对的线圈对称的放置在样品两边是这种情况得到改善。在（5）式中，将X用-X代入，信号将改变符号这说明同样线圈在样品两边对称位置其输出信号相等，相位相反。因此在实用中制成成对的线圈彼此串联反接，对称地放置在样品两边，这样不仅可以保证在每对线圈中由样品偶极子振动产生的信号彼此相加，而且它对位置尚有相互"补偿"的作用使信号对位置的便宜变得不敏感了。探测线圈这样串联反接的结果还可使来自磁化场的波动和来自其它空间的干扰信号互相抵消，因而改善了抗干扰的能力。

　　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做周期性运动，从而带动黏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。而测量磁场用的毫特斯拉计的输出则馈给X轴。这样，当扫描电源变化一个周期后，记录仪将描出J-H回线。

　　J的大小，又必须由已知磁矩的标准样品定标后求得。如：已知Ni标样的质量磁矩为σ0，质量为m0，其J0=σ0m0。用Ni标样取代被测样品，在*相同的条件下加磁场使Ni饱和磁化后测得Y轴偏转为 Y0，则单位偏转所对应的磁矩数应为K=σ0m0/Y0，再由样品的J-H回线上量得样品某磁场下的Y轴高度YH，则被测样品在该磁场下的磁化强度MH=KYH/V=σ0m0/ Y0*ρ/m*YH, 或被测样品的质量磁化强度σH=K*YH/m= YH/ Y0*m0/m*σ0，ρ为样品密度，σ0 为样品质量。这样，我们既可根据实测的J-H回线推算出被测样品材料的M-H回线。

　　注意：这里的H为外磁场。也就是说，只有在可以忽略样品的"退磁场"情况下，利用VSM测得的回线，方能代表材料的特征，否则，必须对磁场进行修正后所得到的回线形状，才能表示材料的真实特征。所谓"退磁场"，即当样品被磁化后，其M将在样品两端产生"磁荷"，此"磁荷对"将产生于磁化场方向相反的磁场，从而减弱了外加磁化场H的磁化作用，故称为退磁场。可将退磁场表示为,称为"退磁因子"，取决于样品的形状，一般来说非常复杂，甚至其为张量形式，只有旋转椭球体，方能计算出三个方向的具体数值。