振动样品磁强计-实验报告
振动样品磁强计
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。
实验讲义-用振动样品磁强计测量磁性测量磁性能
实验讲义用振动样品磁强计测量铁氧体永磁磁性能吉林大学物理实验中心第一节 预备知识一 物质磁性磁性是在自然界所有物质中广泛存在的一种物理性质。
任何物质放在磁场H 中，都会或多或少地被磁化。
通常用磁极化强度J 或磁化强度M （J 、M 为单位体积内的磁矩，M J 0μ=）表示磁化状态，即磁化的方向和磁化程度的大小。
H M χ=，χ为磁化率。
磁感应强度H J B 0μ+=或)(0H M B +=μ。
依据χ的正负和大小，物质磁性体可以分为抗磁性，顺磁性，铁磁性，反铁磁性，亚铁磁性和磁性玻璃等。
1.抗磁性抗磁性物质没有固有的原子磁矩，磁矩是被磁场感应出来的，所以磁矩方向与磁场方向相反，即磁化率χ是负的。
抗磁性物质磁化率χ的数值很小，约为10-6。
在一般实验室条件下，χ与H 和温度T 无关。
在超导体内，0)(0=+=M H B μ，因此1-=χ。
这个现象称为Meissner 效应。
2．顺磁性顺磁性物质中原子或离子具有固有磁矩，磁矩间相互作用很弱，没有外磁场时，磁矩在热扰动作用下混乱排列，宏观磁化强度为零。
在磁场中，磁矩受到力矩的作用向磁场方向转动，在磁场方向显现出宏观的磁化强度，所以顺磁性磁化率为正。
然而由于磁矩在外磁场中的位能远比热能小，磁化很弱，χ大小约为5610~10--。
在一般实验室的磁场中，χ与H无关，但与温度满足Curie 定律T C =χ 或Curie-Weiss 定律CT Cθχ-=，C 和C θ分别为Curie 常数和顺磁Curie 温度。
3. 铁磁性铁磁性物质具有固有磁矩，并且磁矩之间存在较强的相互作用，虽然不存在外磁场，所有的磁矩也都沿着同一方向排列，形成自发磁化。
为了降低退磁场能，铁磁体内部分成多个磁畴。
在磁畴内，所有磁矩平行排列，自发磁化到饱和值s J 。
不同磁畴的磁化方向不同，没有磁化的样品总体磁化强度为零。
磁畴之间存在畴壁，在畴壁内沿着厚度方向磁矩从一个磁畴的磁化方向逐步过渡到近邻磁畴的磁化方向。
振动样品磁强计
除永磁材料以外，VSM适合于测试以下材料： 亚铁磁、反磁性材料、顺磁材料和抗铁磁材料； 各向异性材料；磁记录材料；磁光学材料；稀土 和过渡元素、非晶金属、高导磁率材料、金属蛋 白等形式的铁磁物质。弱磁、顺磁等样品虽然可 以用VSM测量，其灵敏度相比于大多数永磁体或 磁记录介质而言是有所下降的。
-------谢谢，如果大家有 兴趣，可以到中国计量科学 研究所的官方网站做进一步 的了解，我只介绍到这里了。
振动磁强计的发展历史
• 1956,G.W.van Oosterhout,Appl.Sci.Res.,B6,101104(1956). • 1956,S.Foner,Rev.Sci.Instrum.,27,548(1956). • 1959,S.Foner,Rev.Sci.Instrum.,30,548-557(1959) • 1975,被IEC(国际电工委员会)推荐为测量铁氧体材料 饱和磁化强度的标准方法之一. • 1960s,锁相放大技术(1930s)的使用. • 1980s,自动控制技术广泛使用 • ……
为避免电磁铁烧坏，所以在开机时一定要注 意，先开循环水，然后再相应打开各部件。 在测量过程中，外部环境的温度可能会直接 影响到样品的磁特性，所以，在样品安装处，接 了真空泵并即时运转，避免样品和外部空气有直 接接触。 室内环境温度一般要保持恒定，我们一般采 用空调进行设定，在测量中，保持室内干净整洁， 无工作之外噪音，测试人员开机后，应即时撤出。
由于Ｓ的尺度与 rn 相比非常小，故Ｓ在空间 的场可表为偶极场形式：
V H (rn ) = 4π
M 3(M ⋅ rn ) 3 + 5 rn rn
Z
dS n
L
rn
S
X
振动样品磁强计(VSM)实验
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。
07.02振动样品磁强计测量内禀磁特性教学提纲
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。
振动样品磁强计的研制
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(VSM)实验报告
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。
振动样品磁强计的原理与磁性测量实验
5
描时间”建议选择“20 秒” ， “显示方式”建议选择“合成” ，使显示的坐标轴横轴为磁场信 号 U B ，纵轴为磁强计 S.E.V 信号的采样值， “操作”中选择“启动”使系统开始自动控制 磁场电流并采集数据。待“实验数据”表格中的数据不再增加，说明采集完毕，在“操作” 中选择“停止” ，然后选择“数据存盘” ，数据表格中的数据便会自动导出为 xls 文件，文件 名包含保存的日期和时间。 （5）使用计算机软件对数据进行自动采集，保存并导出数据，从数据中找到在正、反向磁 场 情 况 下 样 品 镍 球 磁 化 饱 和 时 感 应 电 压 U V 的 值 U V Ni max 和 U V Ni min 。 计 算 出
2
2
2
M [ B z ( x 0 , y 0 ) / i s ]a k ( x0 , y 0 )a
于是偶极子链向探测线圈的磁通最终可以写为：
sm k ( x0 , y 0 )m
推而广之，如果偶极子处于更一般的位置 ( x, y, z ) ，则有：
k ( x, y , z ) m k x ( x, y , z ) m x k y ( x , y , z ) m y k z ( x , y , z ) m z
B kU B b
根据上式即可将计算机采集所得的磁场信号 U B 换算成磁感应强度 B。 2． 用已知饱和磁矩的镍球标定探测线圈的输出电压与磁化强度的关系 （1）将探测线圈组固定在底座上，使探测线圈的轴线与磁场方向平行，将探测线圈的信号 线接至主机“磁强计输入”端，而内测磁场用的霍尔传感器的信号线接至主机“磁路输入” 端，并将 S.E.V 信号调至“振动”档。 （2）已知镍的饱和比磁化强度 s 54.56 A m / kg ，密度 Ni 8.906 10 kg / m ，测
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固体物理学实验报告
振动样品磁强计
一．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。
二．VSM工作原理
2.1 VSM设备种类介绍
振动样品磁强计主要由电磁铁系统、样品强迫震动系统和信号检测系统组成。
根据驱动样品振动的方式不同，振动样品磁强计可分为机械式驱动式(静电驱动式(图1a)、(图1b)和电磁驱动式(图1c)和等多种。
图1 (a)静电驱动式；(b)机械驱动式；(c)电磁驱动式
2.2 VSM工作原理
振动样品磁强计的工作原理的物理本质是电磁感应，通过小尺寸样品在均匀磁场中振动，利用邻近线圈中的感生电动势进行磁化强度测量的非积分式感应法系统，是磁性测量技术中的主要设备之一。
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。
若把小样品近似看作磁偶极子，则测量线圈中感应电动势是具有基波和各级谐波成份的频谱信号。
通过理论推导可知，在由基波线圈几何因子所确定的位置和线圈长度范围内，二次谐波在串联反接的线圈对中的感应电动势等于零。
又
由于样品振幅很小（约0.1 mm ）,其它高次谐波的作用可忽略不计。
因此，振动
样品磁强计中只需要考虑基波成份。
这样，可得振动样品磁强计的测量方程为：
x m V kM =
其中，Vx 为线圈输出电压的有效值；M m 为样品的磁矩；k 为振动样品磁强
计的灵敏度，可由比较法测定，又叫振动样品磁强计的校准或定标。
比较法是用
饱和磁化强度 σs0已知的标准样品进行比较测定k 。
若标准样品的质量为mS0 ，
装入磁强计中的振动输出信号为00s s s V km =σ，则00s s V k=s m σ。
校准后，将质量为 mX
的被测样品替换标准样品。
在振动输出为V x 时，样品的比磁化强度为：
00s x x x s V =V km m V s x m =σσ
在测量线圈横截面内磁场平均值可用中心点磁场表示的近似下，线圈的直径
要非常小，如内径不超过 5 mm 。
两个测量线圈的总匝数必须一样，约为1000
匝。
考虑到线圈中的感应电动势在样品所处的磁场中心位置附近有个非敏感区
（鞍点区），线圈与样品的距离也要满足一定条件。
减小线圈间的距离可使测量
线圈的输出信号增大，但鞍点区将缩小。
如果采用四线圈制探测时鞍点区比双线
圈大些，但灵敏度会降低。
振动样品磁强计的测量方法有两种：绝对法和差值法。
绝对法是根据测量方
程由电压V x 直接测量样品的比磁化强度或磁矩的方法。
这种方法容易受系统的
机械稳定性、振源频率稳定性、反馈电路的稳定性和放大器的线性度的影响。
差
值法在磁强计振动杆中部装一个磁矩已知的基准样品，并在样品两侧对称安装
一对串联反接的基准线圈，用以产生基准信号与测量信号进行差值比较，就可消
除共有的干扰信号。
这种方法可以避免频率和振幅波动引入测量误差。
由于振动
样品磁强计测得的是相对信号而不是绝对信号，所以每次使用前必须对仪器进行
定标。
通过对标准样品的测量得到比例系数，从而才能确定待测样品的磁学参数。
2.3 VSM 应用范围
适用于各种磁性材料：磁性粉末、超导材料、磁性薄膜、各向异性材料、磁
记录材料、块状、单晶和液体等材料的测量。
可完成磁滞回线、起始磁化曲线、
退磁曲线及温度特性曲线、IRM 和DCD 曲线的测量，具有测量简单、快速和界面
友好等特点。
三．实验数据处理
3.1 垂直Co纳米棒阵列方向回线
图2. 垂直Co纳米棒阵列方向回线3.2 平行Co纳米棒阵列方向回线
图3. 平行Co纳米棒阵列方向回线
3.3 实验数据分析
根据所给数据进行分析可得：1.在垂直Co纳米棒阵列方向回线中，磁化强
度饱和值M
s 为4.09838×10-4emu，对应的磁场强度H
s
为14974.32 O
e
，剩余磁化
强度M
r
为6.12611×10-6；2. 在平行Co纳米棒阵列方向回线中，磁化强度饱和
值M
s 为4.06084×10-4 emu，对应的磁场强度H
s
为9983.926 O
e
，剩余磁化强度
M
r
为3.13045×10-4。
3.根据上述数据分析，平行Co纳米棒阵列相较于垂直Co 纳米棒阵列有着更强的剩余磁化强度，更加偏向于硬磁材料。