磁强计调研报告

磁强计调查总结

1、什么是磁强计：

磁强计（magnetometer）：通常指的是测量给定方向磁感应强度的仪表。按照全国科学技术名词审定委员会的公布的概念，磁强计：矢量型磁敏感器。用于测定地磁场的大小与方向，即测定航天器所在处地磁场强度矢量在本体系中的分量。是测量磁感应强度的仪器。根据小磁针在磁场作用下能产生偏转或振动的原理制成。而从电磁感应定律可以推出，对于给定的电阻R的闭合回路来说，只要测出流过此回路的电荷q，就可以知道此回路内磁通量的变化。这也就是磁强计的设计原理，用途之一是用来探测地磁场的变化。

2、磁强计的发展历史、现状以及磁强计发展趋势]3~[]1[

磁场的测量有着悠久的历史。在我国东汉时期学者王充的著作《论衡》中就有司南的记载。司南是磁罗盘的雏形, 也是最原始的磁场测量仪器。

12 世纪初, 我国已把磁罗盘用于航海。然而在漫长的几千年内,人们只知道磁力及方向。

在西方，磁场的测量最早可以追溯到15世纪。1600年，英国医生Gilbert 在他的著作中首先用应用科学的方法对磁现象进行了系统的探索，同时发现了地球本身是一个大磁体。1785年，库伦提出了用磁针在磁场中的自由震荡周期来确定地磁场的方法。1819年丹麦科学家奥斯特发现了电流的磁效应。1832年高斯提出了以长度、质量、时间为为基础的绝对测量地磁场强度的方法，由此磁感应强度的单位与长度、质量和时间的单位建立了一定的关系,使磁感应强度单位成为重要的物理单位。1831年，法拉第发现了电磁感应现象，使磁现象与电现象建立了一定的量的关系。1873年，英国物理学家麦克斯韦在他的经典著作《论电与礠》中创立了严密的电磁场理论，从而为电磁场的测量奠定了理论基础。

20世纪30年代初，出现了利用磁性材料自身磁饱和特性的磁通门磁强计。1946年由布格赫(F.B1ech)和柏塞尔(E.M.PvrceH)同时发现的核磁共振现象，使磁场测量的精确度可能达到108-T；1962年约瑟夫逊(B.D.Josephson)预言了超导结的隧道效应，并于次年得到实验的证实，从而使磁场测量的下限达到1015-T。近年来，由于有效地利用了自然现象的物理定律和物质的物理效应，加之半导体和电子技术的飞速发展，利用各种磁效应进行磁场测量的方法有了很大的进步，各种磁强计应运而生例如霍尔磁强计、磁通门磁强计、磁阻效应磁强计、磁敏效应磁强计、磁光效应磁强计、超导量子干涉磁强计等测。

目前比较成熟的磁场测量方法有: 磁力法、电磁感应法、磁饱和法、电磁效应法、磁共振法、超导效应法和磁光效应法等。依据这些方法, 相继实现了不同原理的各种磁强计。到目前为止, 磁场测量的范围已达到1015-～103T。随着现代科技的进步，磁强计的应用越来越广泛，已经广泛应用于地球物理、空间技术、军事工程、工业、生物学、医学、考古学等许多领域。随着磁场应用范围的不断拓展, 为满足特定工作环境内磁场的测量、强磁场及超强磁场的测量、弱磁场及微弱磁场的测量, 以及间隙磁场和不均匀磁场的测量需求, 必须寻求和应用新效应、新现象、新材料和新工艺, 进一步提高磁场测量仪器的水平, 更新和发展精密的磁场测量仪器,如今磁强计正向着高准确度、高稳定度、高分辨率、微小型化、数字化和智能化的方向发展。

3、磁强计的分类

按照磁强计的发展历史和物理原理，磁强计可以分为三代：

（1）、第一代磁强计：利用永磁体与磁场之间的相互力矩作用原理或者利用感应线圈和辅助机械装置制作例如：机械式磁强计，感应式航空磁强计。

（2）、第二代磁强计：根据核磁共振特征，高磁导率软磁合金的磁通门原理，利用复杂的电子线路制作，如核磁共振磁强计、磁通门磁强计等。

（3）、第三代磁强计：根据量子效应原理制作，如核子旋进磁强计、质子磁强计、光泵磁强计、原子磁强计、超导量子干涉磁强计。

磁强计还可以按照其他的分类标准进行分类，比如：按照内部结构和工作原理磁强计可以分为机械式磁强计和电子式磁强等；按照磁强计所测得地磁参数和量值可以分为相对测量磁强计和绝对测量磁强计；按照磁强计的使用领域可以分为地面磁强计、航空磁强计、海洋磁强计以及井中磁强计等。

4、目前比较成熟的磁强计的原理]8~1[

（1）、磁力法磁强计

原理：磁力法磁强计是利用被测磁场中的磁化物体或通电线圈与被测磁场之间相互作用的机械力(或力矩)来测量磁场的一种经典方法。按磁力法原理制成的磁场测量仪器可分为磁强计式和电动式的两类。其中, 以可动的小磁针(棒)与被测磁场之间的相互作用使磁针偏转而构成的磁场测量仪器, 按习惯叫法称为“磁强计”。这种磁强计可以把磁场的测量直接归结为对磁针在所处水平面内运动的振荡周期和偏转角的测量。利用磁强计能够测量较弱的均匀、非均匀以及变化的磁场, 其分辨力可达109-T以上。而利用通电线圈与被测磁场之间相互作用使线圈偏转的原理构成的电动法磁场测

量仪器。

（2）、感应线圈（电子积分器）式磁强计

原理：电磁感应法是以法拉第电磁感应定律为基础的磁场测量方法, 其应用十分广泛,.随着电子积分器和电压–频率变换器应用于以此法的实现, 其测量磁场的范围已扩大为1013-～103T, 测量准确度约为±( 0.1～3)%。探测线圈是电磁感应法磁强计的传感器, 它的灵敏度取决于铁心材料

的磁导率、线圈的面积和匝数。根据探测线圈相对于被测磁感应强度的变化关系, 电磁感应法可以分为固定线圈法、抛移线圈法、旋转线圈法及振动线圈法。固定线圈法主要用于测量交变磁场, 也可测量恒定磁场。由于探测线圈不动, 线圈中的感应电动势是由被测磁场的变化引起的。抛移线圈法主要用于测量恒定磁场的磁感应强度。当把探测线圈由磁场所在位置迅速移至没有磁场作用的位置时, 线圈中感应电动势的积分值与线圈所在位置的磁感应强度值成正比。旋转线圈法(又称测量发电机法)和振动线圈法是电磁感应法的直接应用, 它们主要用于测量恒定磁场。

（3）、霍尔效应磁强计

原理：霍尔效应，霍尔效应是指当外磁场垂直于金属或半导体中流过的电流时, 会在金属或半导体中垂直于电流和外磁场方向产生电动势的现象。

（4）磁阻效应磁强计

原理：磁阻效应，是指某些金属或半导体材料在磁场中其电阻随磁场增加而升高的现象。而所谓“磁阻”, 就是由外磁场的变化而引起的电阻变化。磁阻效应在横向磁场和纵向磁场中都能观察到。利用这一效应, 可以很方便地通过测量相应材料电阻的变化间接实现对磁场的测量。磁阻效应和霍尔效应一样, 都是由作用在运动导体中的载流子的洛伦兹力引起的。不同材料的磁阻是不同的。基于上世纪七十年代问世的薄膜技术, 磁阻效应磁强计有了很大的发展，随之出现的薄膜磁阻效应磁强计。伴随着一些新材料的研制, 人们又相继发现了巨磁阻(Giant Magneto- resistance———GMR)效应和巨磁阻抗(Giant Magneto- impedance———GMI)效应, 基于它们的磁测量技术也得到了较深入的研究。巨磁阻效应是指在一定的磁场下电阻急剧减小的现象, 一般电阻减小的幅度比通常磁性金属及合金材料磁电阻的数值高一个数量级。以巨磁阻效应为基础制成的超微磁场传感器。

（5）、磁通门磁强计