磁场测量技术的发展与应用

车晓芳

(兰州商学院，甘肃 兰州 730020 )

磁场测量技术[1]在东汉时期就有记载，司南在那时是最原始的磁场测量，紧接着这一技术就被运用到航海，为航海家指明方向。随着科学的发展，电磁感应、电磁效应等物理原理不断被人们发现和研究，从而使得磁场测量技术得到了飞速发展。磁场测量技术应用范围不断的拓展，加强了磁场测量技术在精度和广度方面的要求。不断的提高磁场测量技术，不断的更新和发展磁场测量仪器，不断的发现和创新才能使磁场测量技术朝着更好的方向发展。

一、磁场测量的方法及其发展

磁场是能够产生磁力的空间，是一种特殊的物质，磁体周围存在着磁场，磁体间的相互作用是以磁场为媒介的。磁场是由运动电荷或变化电场产生的。磁场测量主要利用磁测量仪器进行，对磁场进行测量可以促进科学技术的发展，提高为人民物质生活水平，带动国民经济的发展，实现磁测量的高准确度、高分辨率、数字化以及智能化的转变。

(一)磁力法

利用磁力法进行测量的仪器可以分为两类，一类是磁强计式，第二类就是电动式。磁力法是通过被测磁场中能够产生电场的物体和被测磁场之间相互作用的力矩来进行磁场测量。这种方法比较古老，是以磁力为原理，在现代，许多的地磁场测量、地磁研究上还在使用这种方法。

通常把能够使磁针发生偏转而构成的磁场测量仪器叫做“磁强计”，利用这种磁强计不仅可以对磁针处在水平面内运动的震动周期和偏转角进行测量，还可以计量出不规则的磁场，随着科学技术的发展，这种测量磁场的方法已经普遍被采用，人们对磁场测量仪器的不断创新，使得这一技术得到飞速发展。

(二)电磁感应法

电磁感应法是以磁石导电性、导磁性和介电性的差异为物质基础，应用电磁感应原理[2]，通过观测和研究人工或天然形成的电磁场的空间分布和时间(或频率)的变化规律，从而寻找解决有关的各类地质问题的一组电法勘查的重要分支方法。电磁感应法磁强针的传感器就是探测线圈，铁心材料的磁导率、线圈的大小都影响着它的灵敏度。根据电磁感应强度大小的关系，又可以将电磁感应法大致可分为固定线圈法、旋转线圈法、移动线圈法和震动线圈法。这种测量方法测量出来的结果误差都比较小。

(三)磁饱和法

磁饱和法是指利用被测磁场中的铁磁材料磁芯，在交变磁场的饱和激磁下其磁感应强度与磁场强度的非线性关系来进行测量磁场的一种方法。在20世纪30年代，这种方法就被运用于地磁测量。磁饱和是磁性材料的一种物理特性，指的是导磁材料由于物理结构的限制，所通过的磁通量无法无限增大，从而保持在一定数量的状态。磁场饱和法可分为谐波选择法和非选择法，通过对被测磁场的磁场强度呈现的非线性关系的精密测量[3]，可以针对一些弱磁场进行测量。

(四)电磁效应法

电磁效应是利用导体或半导体中的电流在磁场作用下产生的电磁效应，在磁生电，电生磁这个反复的过程中进行有效的测量。日常通用的电磁效应有霍尔效应跟磁阻效应。

霍尔效应是指当垂直于外磁场方向的电流通过导体时，在垂直磁场和电流方向的导体两个端面之间出现的电势差的现象。霍尔效应的本质是固体材料中的载流子在外磁场运动的时候，由于受到洛伦兹力的作用从而使轨迹发生偏移，同时在材料的两端产生电荷积累，形成与电流方向垂直的电场，在载流子受到的洛伦兹力和电场排斥力达到平衡状态时，就会在两侧建立起一个稳定的电势差。

磁阻效应法是指能够带电的导体或半导体的电阻值随着外磁场的变化而变化的现象。同霍尔效应一样，磁阻效应也是由于载流子在磁场中受到洛伦兹力而产生的。当磁力与电场排斥力达到平衡状态时，载流子在两端就聚集从而产生电场，比电场速度慢的载流子就会向电场力方向偏移，在比电场速度快的载流子就会向着洛伦兹力方向偏移，这种偏移就睡的载流子的漂移路径增加，从而使得电阻增加。由于磁阻器件的灵敏性较强，这种方法在医学方面应用的比较多。

在20世纪70年代研发的薄膜技术，磁阻效用这一方法取得了较大的发展，这种方法处理不仅能测量恒定磁场，还可以对不均匀，变化速度快的磁场进行测量。薄膜磁阻磁强针的体积小、功耗低、灵敏度高，随着科学技术的不断发展，这一技术还将会取得更广阔的前景。

(五)磁共振法

磁共振法是利用物质量子状态变化而精密测量磁场的一种方法，磁共振测量的对象一般都是均匀的恒定磁场。固体在恒定磁场和高频交变电磁场的作用下，在某一频率附近产生对高频电磁场的共振吸收现象，在恒定外磁场作用下固体发生磁化，固体中的元磁矩都绕外磁场运动，但是由于存在阻力，这种进动会很慢，如果在垂直于外磁场的方向上加一个高频电磁场，当其频率跟进度频率一致时，就会从交变电磁场中吸收能量维持进动，由于频率测量可以做到非常准确，所以利用磁共振法可以提高磁场测量的准确度。随着科学技术的不断发展，磁通门通用的磁强计已经由来的分辨率力1nT左右提高到0.5—0.1nT左右。这种技术上的革新使得磁场上的进度和准确度得到更大的提升， 在国内“七五”期间，磁通门技术取得了快速发展，随着磁通门分辨力的不断精确，在工业方面的研究水平也越来越高了，其次，在国内还首次利用磁通门梯度计和微机相结合，研制了CJX1型肺磁测试系统，利用这一技术不但可以控制病床床面水平位置，还可以自动补偿地磁场，进行输出力和存储。可以快速的打印出患者的肺磁图，这将对早期诊断肺病有着重要的意义。

(六)超导效应法

超导效应法是利用外部磁场和导体中超导电流间的函数关系从而对恒定磁场进行测量的一种方法，这种测量方法的灵敏度和分辨力相当高，这一方法不仅可以用来测量磁通量的变化，同时还可以测量到磁场梯度、磁感应的强度。超导材料零电阻的特性可以用来输电和制造大型磁体。超高压输电会有很大的损耗，而利用超导体则可最大限度地降低损耗，但由于临界温度较高的超导体还未进入实用阶段，从而限制了超导输电的采用。随着技术的发展，新超导材料的不断涌现，超导技术将会取得更好的发展，现有的高温超导体还处于必须用液态氮来冷却的状态，但是这一技术拉开了对超导研究的热潮。随着物理、电子及计算机科学技术的发展，磁场测量不再局限于原始的磁场测量，从东汉时期的司南，到用于航海的指南针再到现代的磁通门技术，磁场测量技术也取得了显著的成就。其主要表现在现代磁通门技术、高温SQUID技术。

1986年拜德诺兹和莫拉发现了钡镧铜氧系化合物的高温超导现象，在当时掀起了一股“超导”的研究热潮，点接触的 RF SQUID技术的研发使得这一技术应用于液氮温区的磁通测量，结合SQUID技术的灵敏度，研究者又研发了CJ16型液氮超导量子干涉仪，早液氮温度下，SQUID技术的噪声系数非常小。北京大学等单位利用直流溅射法研发的DC SQUID，随着人们对“超导”热潮的研究，SQUID技术已经取得相当好的成就。

二、磁场测量技术的应用领域

(一)在国防和军事中的应用

随着科技、军事的不断发展，在国防和军事方面，采用磁测量技术是相当必要的。我国集中人力、物力、财力对磁的测量进行大规模的研究，加深在国防和军事方面的磁测量工作，有助于国家经济的发展和安定。

(二)在人造卫星宇宙工程方面的应用

随着科学技术的发展，在人造卫星中采用磁通门法、超导量子干涉法对微型外层空间以及星际磁场进行测试，便于对人造卫星和火箭发射的控制。通过磁通门法、感应线圈法可以更好的测量空间磁场，通过对空间磁场的了解，可以更好的在地震预测、指针勘察等方面进行研发工作，及时的了解一些地质灾害，提早的做好防灾工作。

(三)在工业方面的应用

在进行磁场测量时由于磁场磁力的灵敏度，在工业、交通、仪器仪表、医疗器械、探矿等领域得到广泛应用，如数字式罗盘、交通车辆检测、导航系统、伪钞检别、位置测量等。利用磁通门法和光泵法制成的仪器可以探测地下管道及电缆接头，通过电势差的方法在信号传感器、ABS系统中的速度传感器、汽车速度表、里程表、液体物理检测器、各种电负载的电流检测以及发动机转速和曲转角度传感器等方面应用可以更好的提供信息的可信度，使得数据更加的合理、精确。

(四)在生物学和医学方面的应用

加大对生物和人周围的环境磁场可以提高人类生活环境的质量，加强对生物周围磁场的测量可以利用磁化水促进农作物的生长，为有机生物的成长提供更好的环境。

三、结语

随着科学技术的不断发展，人们在磁测量技术上面的研究也日益突出，磁性材料的发展，磁测量的应用和磁场测量方法的更新，使得研究者对磁测量技术的要求也越来越高，尤其是在对磁测仪器测量的精度、分辨力、灵敏度。因此在科学技术发展的前提下，运用新技术，探讨新的磁效应，制定新的磁传感器，利用科学的判断方法进行测量有助于提高技术的发展和更新。进一步完善各种磁计量的标准、方法和装置，才能使测量在精度上更加优化，一个测量精度高、测量范围宽、测量对象广的自动化程度高的测磁仪器是非常好的，具有针对性的制作一些满足各种需要的仪器也势在必行。在科技不断创新的时代，落后就要挨打，要想不被淘汰，就必须加强对科技的研发，不断结合自身的条件，引进先进的科学技术，开展磁测量基础理论的研究，建设一支强有力的科研队伍，为实现我国科技经济的快速发展再添动力。

参考文献：

[1]马平,杨涛,谢飞翔,聂瑞娟.高温超导量子干涉磁强计的发展现状与应用[J].现代仪器， 2010，11(5):25～26.

[2]潘启军,马伟明,赵治华,康军.磁场测量方法的发展及应用[J].电工技术学报，2012，05(3):126～127.

[3]陈林,李敬东,唐跃进,任丽.超导量子干涉仪发展和应用现状[J].低温物理学报，2011，01(11):105～107.