现代磁力仪的发展与应用

成都理工大学 卞江伟 张 良

现代磁力仪的发展与应用

成都理工大学 卞江伟 张 良

磁力仪作为磁场测量仪器，一般具有两种用途：衡量一个磁性材料的磁化程度，测量空间某个点的磁场强度和方向。本文介绍了磁力仪在实验室、矿产勘查、考古、石油探测、航天、军事等方面的应用。同样也对磁力仪的性能参数给出了描述。

磁力仪发展；应用

1 磁力仪的发展

Cal Friedrich Gauss于1833年发明了第一台磁强计。磁力仪后来被广泛应用于地磁场的测量和地球物理勘查中测量各种类型的磁异常。磁力仪也被应用于现代智能手机（指南针App）、太空卫星中，还被应用到军事中来探测潜艇[1]。一些国家如美国、加拿大、澳大利亚将超级灵敏的磁力仪划归为军事科技，并严格控制产品的售卖。

磁力仪可以探测磁（铁）金属，探测这类金属时比常规的金属探测器探测深度深；与一般的金属探测器相比，磁力仪的探测范围大，可以探测到大的目标体，比如数十米长的汽车，而一般的金属探测器的探测范围很少超过两米。磁力仪从传统的矿产、石油行业的应用逐渐发展至高精尖的航空磁测、太空宇宙飞船探测行星中。

2 磁场测量原理

磁场是矢量场，具有大小和方向。从测量方式分，主要有两种磁力仪。矢量磁力仪用来测量测量磁场分量，总场磁力仪（标量磁力仪）测量矢量场的大小。磁力仪根据磁偏角和磁倾角测量地球磁场并反映出各分量。[2]

绝对磁力仪测量磁场的绝对幅度或矢量，使用内部校准或传感器的已知的物理参数。相对磁强计以一个固定的未校准的基准线为参照测量磁场的标量或矢量，通常又被称为磁变仪。[3]

3 性能

采样率：采样率是每秒采样的速度，采样率是移动式磁强计的一个重要指标，采样率和移动速度决定了测量点距。带宽和带通：这两个特征反应了磁强计跟踪磁场快速变化的能力。对于磁强计来说，带宽主要由奈奎斯特定律采样率限制。现代的磁强计可以做平滑和取样本平均值处理，牺牲一部分带宽获得低噪音。分辨率：分辨率反应了磁力仪可以检测到的最小变化量。磁强计应该设计比期望获得的分辨率更小（小很多）的分辨率来避免量化误差。绝对误差：绝对误差指的是，在一个恒定的磁场里平均读数和真实磁场值间的误差。漂移是指绝对误差随时间的变化。热稳定性取决于测量温度的变化，噪声是指由磁强计传感器或电极产生的随机波动，频率分量是指带宽。进向误差是设备在一个恒定的磁场中由于方向的变化引起的变化量。死区是指磁力仪在某些角度区域仪器相应差或者无法测量。所有的光学泵、质子自由旋进式磁力仪都会遇到一些死区效应。

4 分类与应用

磁力具有多元化的应用，包括目标体定位：如潜艇、沉船、隧道挖掘机危害、煤矿灾害、未爆炸武器、有毒废水、矿物储量和地质结构。还有一些应用如心脏监视器、武器系统定位、防抱死系统里的传感器、天气预报（通过太阳活动周期）、钢塔架、钻导引系统、考古学、板块构造、无线电波传播和行星探索。

图1 磁力仪测量行星的磁场

4.1 实验室磁力仪

实验室磁力仪用来测量磁化程度，也被称为样品材料的磁矩。与调查用的磁力仪不同，实验室用的磁力仪通常把需要测试的样本放在磁力仪中，温度、磁场和样本的其他参数可以控制。样品的磁化程度，主要取决于原子内部不成对电子的排序，小部分取决于核磁矩、拉摩尔抗磁性等。[4]

4.2 磁通门磁力仪

磁通门磁力仪于20世纪30年代由维克多在海湾实验室发明。在第二次世界大战期间将其用于探测潜艇。战后通过测量海底的磁性板块的位移用于研究板块构造。

磁通门罗盘和梯度计测量磁场的方向和大小。磁通门价格实惠、耐用，轻便。再加上低功耗的特点，使得磁通门对一系列的敏感测量十分理想。梯度计通常用于考古勘探和未爆弹药（UXO）的检测，如德国军工的Foerster探伤仪。

4.3 考古学中的磁探测

在“TIME TEAM”节目中推广地球物理学的应用，包括考古工作探测坟墓、烧砖和磁性宝石如玄武岩、花岗岩中使用的磁技术。磁性土壤和扰动土的分异致密可以映射行人轨道和道路的情况，如耕犁过的田野表现为噪声来源。

4.4 煤矿探测与定向钻井

磁力仪可以应用在区域尺度盆地，更常的应用是煤矿开采危害监测，如破坏性资源玄武岩体（脉、山脊、火山口），这些对煤矿开采设备都极具危害。地面上的高分辨率探测可以得到较好的结果（线长10米，点距0.5米）。

磁力仪也被应用于油和气的定向钻井中的方位角探测，搭配加速度计使用即可以确定倾角又可以确定钻头方位。

4.5 军事

出于防御目的，海军将磁力仪阵列摆放于海底战略位置（如港口）来监测潜艇活动。俄罗斯的钛潜艇耗费巨大代价专门设计用来抵抗这样的测探系统（钛是非磁性的）。军用潜艇定期通过大型水下环来逃避海底探测系统、磁异常探测器的监测。但潜艇是不能完全被消磁的。由于船体在压力下被扭曲，可以通过测量潜艇的磁场来判断深度。

潜艇拖拽阵列声呐来探测船艇，甚至可以识别不同的螺旋桨的噪声。声呐阵列需要精确定位，这样才能确定方向（如船舶）。该阵列不能按一条直线拖拽，所以磁通门磁力仪被用于标定阵列中的每个声呐节点的方向。磁通门也可以在武器导航系统中使用，但是很大程度上已经被GPS和环形激光器陀螺仪所取代。[5]

图2 安装了磁力仪的飞行器

4.6 航磁调查

磁力调查在寻找磁异常（矿异常）非常有用，如脉石矿物与矿床沉淀。如加拿大和美国投入巨资做大陆和海洋环境的航磁调查，目的是为了发现矿藏。通常的航磁调查，飞行高度100米，线距400米，每10米或大于10米读数1次。为了克服数据的不对称性，数据会做插值（一般为5次）和平均处理。这样的数据会被以80×80米网格化，用软件进行处理（见图2）。

4.7 移动电话

很多智能手机里都嵌入了磁力仪，应用在指南针的功能中。iPhone3GS中有一个坡莫合金传感器—霍尼韦尔（Honeywell）生产的AN-203。2009年，三轴磁力仪的价格跌破1美元而且还在继续下降。三轴磁力仪的应用同样也说明了它在确定方位和倾角方面不够灵敏。[6]

4.8 航天

磁力仪也被应用在Cassini-Huygens探索土星任务中。该系统包括矢量氦磁力仪和磁通门磁力仪。在探索水星Messenger任务中，磁力仪也是其中一个部件[7]。磁力仪可以被如Goes这样的卫星用来测量某行星或者月球上的磁场的大小和方向。

5 结论

磁力仪正在朝着微型化的方向发展。它们在地球物理勘查方面被广泛应用，近年来并以极低的成本并入集成电路中，如指南针功能被越来越多地应用于消费型电子设备如移动电话、平板电脑中。随着磁力仪的精度和灵敏度等指标的提高，未来的应用价值将不可估量。

[1]黄成功,罗深荣,吴文福.基于检测潜艇尾流引起的电磁场特征的磁力仪设计方案[P].第二十一届海洋测绘综合性学术研讨会,2009.9.

[2]庞鸿锋.三轴磁通门传感器误差分析与校正[D].长沙:国防科技大学,2010.

[3]管志宁.地磁场与磁力勘探[M].地质出版社,2005.8.

[4]刘迪仁,周勋等.浅析高精度质子旋进磁力仪的核心技术指标[J].科技创业家,2012.7.

[5]阎喆.GPS/SINS组合导航系统的研究及仿真[D].电子科技大学,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.

卞江伟（1989—），女，成都理工大学地球物理学院硕士研究生，研究方向：地质工程。