現代磁力儀的發展與應用

成都理工大學 卞江偉 張 良

現代磁力儀的發展與應用

成都理工大學 卞江偉 張 良

磁力儀作為磁場測量儀器，一般具有兩種用途：衡量一個磁性材料的磁化程度，測量空間某個點的磁場強度和方向。本文介紹了磁力儀在實驗室、礦產勘查、考古、石油探測、航天、軍事等方面的應用。同樣也對磁力儀的性能參數給出了描述。

磁力儀發展；應用

1 磁力儀的發展

Cal Friedrich Gauss于1833年發明了第一臺磁強計。磁力儀后來被廣泛應用于地磁場的測量和地球物理勘查中測量各種類型的磁異常。磁力儀也被應用于現代智能手機（指南針App）、太空衛星中，還被應用到軍事中來探測潛艇[1]。一些國家如美國、加拿大、澳大利亞將超級靈敏的磁力儀劃歸為軍事科技，并嚴格控制產品的售賣。

磁力儀可以探測磁（鐵）金屬，探測這類金屬時比常規的金屬探測器探測深度深；與一般的金屬探測器相比，磁力儀的探測范圍大，可以探測到大的目標體，比如數十米長的汽車，而一般的金屬探測器的探測范圍很少超過兩米。磁力儀從傳統的礦產、石油行業的應用逐漸發展至高精尖的航空磁測、太空宇宙飛船探測行星中。

2 磁場測量原理

磁場是矢量場，具有大小和方向。從測量方式分，主要有兩種磁力儀。矢量磁力儀用來測量測量磁場分量，總場磁力儀（標量磁力儀）測量矢量場的大小。磁力儀根據磁偏角和磁傾角測量地球磁場并反映出各分量。[2]

絕對磁力儀測量磁場的絕對幅度或矢量，使用內部校準或傳感器的已知的物理參數。相對磁強計以一個固定的未校準的基準線為參照測量磁場的標量或矢量，通常又被稱為磁變儀。[3]

3 性能

采樣率：采樣率是每秒采樣的速度，采樣率是移動式磁強計的一個重要指標，采樣率和移動速度決定了測量點距。帶寬和帶通：這兩個特征反應了磁強計跟蹤磁場快速變化的能力。對于磁強計來說，帶寬主要由奈奎斯特定律采樣率限制。現代的磁強計可以做平滑和取樣本平均值處理，犧牲一部分帶寬獲得低噪音。分辨率：分辨率反應了磁力儀可以檢測到的最小變化量。磁強計應該設計比期望獲得的分辨率更小（小很多）的分辨率來避免量化誤差。絕對誤差：絕對誤差指的是，在一個恒定的磁場里平均讀數和真實磁場值間的誤差。漂移是指絕對誤差隨時間的變化。熱穩定性取決于測量溫度的變化，噪聲是指由磁強計傳感器或電極產生的隨機波動，頻率分量是指帶寬。進向誤差是設備在一個恒定的磁場中由于方向的變化引起的變化量。死區是指磁力儀在某些角度區域儀器相應差或者無法測量。所有的光學泵、質子自由旋進式磁力儀都會遇到一些死區效應。

4 分類與應用

磁力具有多元化的應用，包括目標體定位：如潛艇、沉船、隧道挖掘機危害、煤礦災害、未爆炸武器、有毒廢水、礦物儲量和地質結構。還有一些應用如心臟監視器、武器系統定位、防抱死系統里的傳感器、天氣預報（通過太陽活動周期）、鋼塔架、鉆導引系統、考古學、板塊構造、無線電波傳播和行星探索。

圖1 磁力儀測量行星的磁場

4.1 實驗室磁力儀

實驗室磁力儀用來測量磁化程度，也被稱為樣品材料的磁矩。與調查用的磁力儀不同，實驗室用的磁力儀通常把需要測試的樣本放在磁力儀中，溫度、磁場和樣本的其他參數可以控制。樣品的磁化程度，主要取決于原子內部不成對電子的排序，小部分取決于核磁矩、拉摩爾抗磁性等。[4]

4.2 磁通門磁力儀

磁通門磁力儀于20世紀30年代由維克多在海灣實驗室發明。在第二次世界大戰期間將其用于探測潛艇。戰后通過測量海底的磁性板塊的位移用于研究板塊構造。

磁通門羅盤和梯度計測量磁場的方向和大小。磁通門價格實惠、耐用，輕便。再加上低功耗的特點，使得磁通門對一系列的敏感測量十分理想。梯度計通常用于考古勘探和未爆彈藥（UXO）的檢測，如德國軍工的Foerster探傷儀。

4.3 考古學中的磁探測

在“TIME TEAM”節目中推廣地球物理學的應用，包括考古工作探測墳墓、燒磚和磁性寶石如玄武巖、花崗巖中使用的磁技術。磁性土壤和擾動土的分異致密可以映射行人軌道和道路的情況，如耕犁過的田野表現為噪聲來源。

4.4 煤礦探測與定向鉆井

磁力儀可以應用在區域尺度盆地，更常的應用是煤礦開采危害監測，如破壞性資源玄武巖體（脈、山脊、火山口），這些對煤礦開采設備都極具危害。地面上的高分辨率探測可以得到較好的結果（線長10米，點距0.5米）。

磁力儀也被應用于油和氣的定向鉆井中的方位角探測，搭配加速度計使用即可以確定傾角又可以確定鉆頭方位。

4.5 軍事

出于防御目的，海軍將磁力儀陣列擺放于海底戰略位置（如港口）來監測潛艇活動。俄羅斯的鈦潛艇耗費巨大代價專門設計用來抵抗這樣的測探系統（鈦是非磁性的）。軍用潛艇定期通過大型水下環來逃避海底探測系統、磁異常探測器的監測。但潛艇是不能完全被消磁的。由于船體在壓力下被扭曲，可以通過測量潛艇的磁場來判斷深度。

潛艇拖拽陣列聲吶來探測船艇，甚至可以識別不同的螺旋槳的噪聲。聲吶陣列需要精確定位，這樣才能確定方向（如船舶）。該陣列不能按一條直線拖拽，所以磁通門磁力儀被用于標定陣列中的每個聲吶節點的方向。磁通門也可以在武器導航系統中使用，但是很大程度上已經被GPS和環形激光器陀螺儀所取代。[5]

圖2 安裝了磁力儀的飛行器

4.6 航磁調查

磁力調查在尋找磁異常（礦異常）非常有用，如脈石礦物與礦床沉淀。如加拿大和美國投入巨資做大陸和海洋環境的航磁調查，目的是為了發現礦藏。通常的航磁調查，飛行高度100米，線距400米，每10米或大于10米讀數1次。為了克服數據的不對稱性，數據會做插值（一般為5次）和平均處理。這樣的數據會被以80×80米網格化，用軟件進行處理（見圖2）。

4.7 移動電話

很多智能手機里都嵌入了磁力儀，應用在指南針的功能中。iPhone3GS中有一個坡莫合金傳感器—霍尼韋爾（Honeywell）生產的AN-203。2009年，三軸磁力儀的價格跌破1美元而且還在繼續下降。三軸磁力儀的應用同樣也說明了它在確定方位和傾角方面不夠靈敏。[6]

4.8 航天

磁力儀也被應用在Cassini-Huygens探索土星任務中。該系統包括矢量氦磁力儀和磁通門磁力儀。在探索水星Messenger任務中，磁力儀也是其中一個部件[7]。磁力儀可以被如Goes這樣的衛星用來測量某行星或者月球上的磁場的大小和方向。

5 結論

磁力儀正在朝著微型化的方向發展。它們在地球物理勘查方面被廣泛應用，近年來并以極低的成本并入集成電路中，如指南針功能被越來越多地應用于消費型電子設備如移動電話、平板電腦中。隨著磁力儀的精度和靈敏度等指標的提高，未來的應用價值將不可估量。

[1]黃成功,羅深榮,吳文福.基于檢測潛艇尾流引起的電磁場特征的磁力儀設計方案[P].第二十一屆海洋測繪綜合性學術研討會,2009.9.

[2]龐鴻鋒.三軸磁通門傳感器誤差分析與校正[D].長沙:國防科技大學,2010.

[3]管志寧.地磁場與磁力勘探[M].地質出版社,2005.8.

[4]劉迪仁,周勛等.淺析高精度質子旋進磁力儀的核心技術指標[J].科技創業家,2012.7.

[5]閻喆.GPS/SINS組合導航系統的研究及仿真[D].電子科技大學,2010.

[6]Valery Korepanov.Calibration of Weak Magnetic Field Meters.2nd International Symposium on Instrumentation Science and Technology.Aug.18~22,2002,Jinan.China.

[7]Athena Coustenis.Cassini-Huygens results on Titan’s Surface.Research in Astronomy and Astrophysics.2009.3.

卞江偉（1989—），女，成都理工大學地球物理學院碩士研究生，研究方向：地質工程。