[科普中國(guó)]-磁力儀

磁力儀是測(cè)量磁場(chǎng)強(qiáng)度和方向的儀器的統(tǒng)稱(chēng)。測(cè)量地磁場(chǎng)強(qiáng)度的磁力儀可分為絕對(duì)磁力儀和相對(duì)磁力儀兩類(lèi)。主要用途是進(jìn)行磁異常數(shù)據(jù)采集以及測(cè)定巖石磁參數(shù)，從20世紀(jì)至今，磁力儀經(jīng)歷了從簡(jiǎn)單到復(fù)雜，機(jī)械原理到現(xiàn)代電子技術(shù)的發(fā)展過(guò)程。

磁力儀的發(fā)展Cal Friedrich Gauss于1833年發(fā)明了第一臺(tái)磁強(qiáng)計(jì)。磁力儀后來(lái)被廣泛應(yīng)用于地磁場(chǎng)的測(cè)量和地球物理勘查中測(cè)量各種類(lèi)型的磁異常。磁力儀也被應(yīng)用于現(xiàn)代智能手機(jī)（指南針App）、太空衛(wèi)星中，還被應(yīng)用到軍事中來(lái)探測(cè)潛艇。一些國(guó)家如美國(guó)、加拿大、澳大利亞將超級(jí)靈敏的磁力儀劃歸為軍事科技，并嚴(yán)格控制產(chǎn)品的售賣(mài)。磁力儀可以探測(cè)磁（鐵）金屬，探測(cè)這類(lèi)金屬時(shí)比常規(guī)的金屬探測(cè)器探測(cè)深度深；與一般的金屬探測(cè)器相比，磁力儀的探測(cè)范圍大，可以探測(cè)到大的目標(biāo)體，比如數(shù)十米長(zhǎng)的汽車(chē)，而一般的金屬探測(cè)器的探測(cè)范圍很少超過(guò)兩米。磁力儀從傳統(tǒng)的礦產(chǎn)、石油行業(yè)的應(yīng)用逐漸發(fā)展至高精尖的航空磁測(cè)、太空宇宙飛船探測(cè)行星中。1

磁場(chǎng)測(cè)量原理磁場(chǎng)是矢量場(chǎng)，具有大小和方向。從測(cè)量方式分，主要有兩種磁力儀。矢量磁力儀用來(lái)測(cè)量測(cè)量磁場(chǎng)分量，總場(chǎng)磁力儀（標(biāo)量磁力儀）測(cè)量矢量場(chǎng)的大小。磁力儀根據(jù)磁偏角和磁傾角測(cè)量地球磁場(chǎng)并反映出各分量。絕對(duì)磁力儀測(cè)量磁場(chǎng)的絕對(duì)幅度或矢量，使用內(nèi)部校準(zhǔn)或傳感器的已知的物理參數(shù)。相對(duì)磁強(qiáng)計(jì)以一個(gè)固定的未校準(zhǔn)的基準(zhǔn)線為參照測(cè)量磁場(chǎng)的標(biāo)量或矢量，通常又被稱(chēng)為磁變儀

磁力儀的類(lèi)別1、按照磁力儀的發(fā)展歷史，以及它們所應(yīng)用的物理原理，可分為：

第一代磁力儀它是根據(jù)永久磁鐵與地磁場(chǎng)之間相互力矩作用原理，或利用感應(yīng)線圈以及輔助機(jī)械裝置制作的，如機(jī)械式磁力儀、感應(yīng)式航空磁力儀等。第二代磁力儀它是根據(jù)核磁共振特征，利用高磁導(dǎo)率軟磁合金，以及復(fù)雜的電子線路制作的，如質(zhì)子磁力儀、光泵磁力儀及磁通門(mén)磁力儀等。第三代磁力儀它是根據(jù)低溫量子效應(yīng)原理制作的，如超導(dǎo)磁力儀。

2、磁力儀按其內(nèi)部結(jié)構(gòu)及工作原理，大體上可分為：①機(jī)械式磁力儀。如懸絲式磁秤、刃口式磁秤等；②電子式磁力儀。如質(zhì)子磁力儀、光泵磁力儀、磁通門(mén)磁力儀等。

3、磁力儀按其測(cè)量的地磁場(chǎng)參數(shù)及其量值，可分為：①相對(duì)測(cè)量?jī)x器，如懸絲式垂直磁力儀等，它是測(cè)量地磁場(chǎng)垂直分量Z的相對(duì)差值；②絕對(duì)測(cè)量?jī)x器，如質(zhì)子磁力儀等，它是測(cè)量地磁場(chǎng)總強(qiáng)度T的絕對(duì)值；不過(guò)亦可測(cè)量梯度值。

4、若從磁力儀使用的領(lǐng)域來(lái)看，它們可分為：地面磁力儀、航空磁力儀、海洋磁力儀以及井中磁力儀。2

磁力儀的主要技術(shù)指標(biāo)技術(shù)指標(biāo)是反映儀器總體性能的技術(shù)參數(shù)，通常包括：靈敏度、精密度、準(zhǔn)確度、穩(wěn)定性、測(cè)程范圍等等。

靈敏度系指磁力儀反映地磁場(chǎng)強(qiáng)度最小變化的能力（敏感程度），有時(shí)也稱(chēng)作分辨率。對(duì)于用數(shù)碼顯示器讀取磁場(chǎng)值的儀器（如質(zhì)子磁力儀），在其讀數(shù)裝置上估讀的最小可辨別的變化，稱(chēng)為顯示靈敏度（或讀數(shù)能力），如1nT/字，0.1nT/字等。由于儀器有一個(gè)噪聲水平問(wèn)題，因此靈敏度與顯示靈敏度在概念上是有區(qū)別的。

精密度它是衡量?jī)x器重復(fù)性的指標(biāo)，系指儀器自身測(cè)定磁場(chǎng)所能達(dá)到的最小可靠值。由一組測(cè)定值與平均值的平方偏差表示。在儀器說(shuō)明書(shū)中稱(chēng)為自身重復(fù)精度。

準(zhǔn)確度系指儀器測(cè)定真值的能力，即與真值相比的總誤差。

在磁法勘探工作中，通常把精密度與準(zhǔn)確度不予區(qū)分，統(tǒng)稱(chēng)為精度。2

分類(lèi)與應(yīng)用磁力具有多元化的應(yīng)用，包括目標(biāo)體定位：如潛艇、沉船、隧道挖掘機(jī)危害、煤礦災(zāi)害、未爆炸武器、有毒廢水、礦物儲(chǔ)量和地質(zhì)結(jié)構(gòu)。還有一些應(yīng)用如心臟監(jiān)視器、武器系統(tǒng)定位、防抱死系統(tǒng)里的傳感器、天氣預(yù)報(bào)（通過(guò)太陽(yáng)活動(dòng)周期）、鋼塔架、鉆導(dǎo)引系統(tǒng)、考古學(xué)、板塊構(gòu)造、無(wú)線電波傳播和行星探索。3

實(shí)驗(yàn)室磁力儀實(shí)驗(yàn)室磁力儀用來(lái)測(cè)量磁化程度，也被稱(chēng)為樣品材料的磁矩。與調(diào)查用的磁力儀不同，實(shí)驗(yàn)室用的磁力儀通常把需要測(cè)試的樣本放在磁力儀中，溫度、磁場(chǎng)和樣本的其他參數(shù)可以控制。樣品的磁化程度，主要取決于原子內(nèi)部不成對(duì)電子的排序，小部分取決于核磁矩、拉摩爾抗磁性等。

磁通門(mén)磁力儀磁通門(mén)磁力儀于20世紀(jì)30年代由維克多在海灣實(shí)驗(yàn)室發(fā)明。在第二次世界大戰(zhàn)期間將其用于探測(cè)潛艇。戰(zhàn)后通過(guò)測(cè)量海底的磁性板塊的位移用于研究板塊構(gòu)造。磁通門(mén)羅盤(pán)和梯度計(jì)測(cè)量磁場(chǎng)的方向和大小。磁通門(mén)價(jià)格實(shí)惠、耐用，輕便。再加上低功耗的特點(diǎn)，使得磁通門(mén)對(duì)一系列的敏感測(cè)量十分理想。梯度計(jì)通常用于考古勘探和未爆彈藥（UXO）的檢測(cè)，如德國(guó)軍工的Foerster探傷儀。

考古學(xué)中的磁探測(cè)在“TIMETEAM”節(jié)目中推廣地球物理學(xué)的應(yīng)用，包括考古工作探測(cè)墳?zāi)?、燒磚和磁性寶石如玄武巖、花崗巖中使用的磁技術(shù)。磁性土壤和擾動(dòng)土的分異致密可以映射行人軌道和道路的情況，如耕犁過(guò)的田野表現(xiàn)為噪聲來(lái)源。

煤礦探測(cè)與定向鉆井磁力儀可以應(yīng)用在區(qū)域尺度盆地，更常的應(yīng)用是煤礦開(kāi)采危害監(jiān)測(cè)，如破壞性資源玄武巖體（脈、山脊、火山口），這些對(duì)煤礦開(kāi)采設(shè)備都極具危害。地面上的高分辨率探測(cè)可以得到較好的結(jié)果（線長(zhǎng)10米，點(diǎn)距0.5米）。磁力儀也被應(yīng)用于油和氣的定向鉆井中的方位角探測(cè)，搭配加速度計(jì)使用即可以確定傾角又可以確定鉆頭方位。

軍事出于防御目的，海軍將磁力儀陣列擺放于海底戰(zhàn)略位置（如港口）來(lái)監(jiān)測(cè)潛艇活動(dòng)。俄羅斯的鈦潛艇耗費(fèi)巨大代價(jià)專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)用來(lái)抵抗這樣的測(cè)探系統(tǒng)（鈦是非磁性的）。軍用潛艇定期通過(guò)大型水下環(huán)來(lái)逃避海底探測(cè)系統(tǒng)、磁異常探測(cè)器的監(jiān)測(cè)。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(guò)測(cè)量潛艇的磁場(chǎng)來(lái)判斷深度。潛艇拖拽陣列聲吶來(lái)探測(cè)船艇，甚至可以識(shí)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(mén)磁力儀被用于標(biāo)定陣列中的每個(gè)聲吶節(jié)點(diǎn)的方向。磁通門(mén)也可以在武器導(dǎo)航系統(tǒng)中使用，但是很大程度上已經(jīng)被GPS和環(huán)形激光器陀螺儀所取代。

航磁調(diào)查磁力調(diào)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(guó)投入巨資做大陸和海洋環(huán)境的航磁調(diào)查，目的是為了發(fā)現(xiàn)礦藏。通常的航磁調(diào)查，飛行高度100米，線距400米，每10米或大于10米讀數(shù)1次。為了克服數(shù)據(jù)的不對(duì)稱(chēng)性，數(shù)據(jù)會(huì)做插值（一般為5次）和平均處理。這樣的數(shù)據(jù)會(huì)被以80×80米網(wǎng)格化，用軟件進(jìn)行處理。

移動(dòng)電話很多智能手機(jī)里都嵌入了磁力儀，應(yīng)用在指南針的功能中。iPhone3GS中有一個(gè)坡莫合金傳感器—霍尼韋爾（Honeywell）生產(chǎn)的AN-203。2009年，三軸磁力儀的價(jià)格跌破1美元而且還在繼續(xù)下降。三軸磁力儀的應(yīng)用同樣也說(shuō)明了它在確定方位和傾角方面不夠靈敏。

航天磁力儀也被應(yīng)用在Cassini-Huygens探索土星任務(wù)中。該系統(tǒng)包括矢量氦磁力儀和磁通門(mén)磁力儀。在探索水星Messenger任務(wù)中，磁力儀也是其中一個(gè)部件。磁力儀可以被如Goes這樣的衛(wèi)星用來(lái)測(cè)量某行星或者月球上的磁場(chǎng)的大小和方向。3

本詞條內(nèi)容貢獻(xiàn)者為:

屈明 - 副研究員 - 西南大學(xué)