現(xiàn)代磁力儀的發(fā)展與應(yīng)用

成都理工大學(xué) 卞江偉 張 良

現(xiàn)代磁力儀的發(fā)展與應(yīng)用

成都理工大學(xué) 卞江偉 張 良

磁力儀作為磁場(chǎng)測(cè)量儀器，一般具有兩種用途：衡量一個(gè)磁性材料的磁化程度，測(cè)量空間某個(gè)點(diǎn)的磁場(chǎng)強(qiáng)度和方向。本文介紹了磁力儀在實(shí)驗(yàn)室、礦產(chǎn)勘查、考古、石油探測(cè)、航天、軍事等方面的應(yīng)用。同樣也對(duì)磁力儀的性能參數(shù)給出了描述。

磁力儀發(fā)展；應(yīng)用

1 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)用到軍事中來探測(cè)潛艇[1]。一些國家如美國、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。

磁力儀可以探測(cè)磁（鐵）金屬，探測(cè)這類金屬時(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)十米長的汽車，而一般的金屬探測(cè)器的探測(cè)范圍很少超過兩米。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。

2 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。[2]

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(dòng)式磁強(qiáng)計(jì)的一個(gè)重要指標(biāo)，采樣率和移動(dòng)速度決定了測(cè)量點(diǎn)距。帶寬和帶通：這兩個(gè)特征反應(yīng)了磁強(qiáng)計(jì)跟蹤磁場(chǎng)快速變化的能力。對(duì)于磁強(qiáng)計(jì)來說，帶寬主要由奈奎斯特定律采樣率限制。現(xiàn)代的磁強(qiáng)計(jì)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(yīng)了磁力儀可以檢測(cè)到的最小變化量。磁強(qiáng)計(jì)應(yīng)該設(shè)計(jì)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(duì)誤差：絕對(duì)誤差指的是，在一個(gè)恒定的磁場(chǎng)里平均讀數(shù)和真實(shí)磁場(chǎng)值間的誤差。漂移是指絕對(duì)誤差隨時(shí)間的變化。熱穩(wěn)定性取決于測(cè)量溫度的變化，噪聲是指由磁強(qiáng)計(jì)傳感器或電極產(chǎn)生的隨機(jī)波動(dòng)，頻率分量是指帶寬。進(jìn)向誤差是設(shè)備在一個(gè)恒定的磁場(chǎng)中由于方向的變化引起的變化量。死區(qū)是指磁力儀在某些角度區(qū)域儀器相應(yīng)差或者無法測(cè)量。所有的光學(xué)泵、質(zhì)子自由旋進(jìn)式磁力儀都會(huì)遇到一些死區(qū)效應(yīng)。

4 分類與應(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)（通過太陽活動(dòng)周期）、鋼塔架、鉆導(dǎo)引系統(tǒng)、考古學(xué)、板塊構(gòu)造、無線電波傳播和行星探索。

圖1 磁力儀測(cè)量行星的磁場(chǎng)

4.1 實(shí)驗(yàn)室磁力儀

實(shí)驗(yàn)室磁力儀用來測(cè)量磁化程度，也被稱為樣品材料的磁矩。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。[4]

4.2 磁通門磁力儀

磁通門磁力儀于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。

磁通門羅盤和梯度計(jì)測(cè)量磁場(chǎng)的方向和大小。磁通門價(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)，如德國軍工的Foerster探傷儀。

4.3 考古學(xué)中的磁探測(cè)

在“TIME TEAM”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)埂u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，如耕犁過的田野表現(xiàn)為噪聲來源。

4.4 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。

4.5 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)專門設(shè)計(jì)用來抵抗這樣的測(cè)探系統(tǒng)（鈦是非磁性的）。軍用潛艇定期通過大型水下環(huán)來逃避海底探測(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，可以通過測(cè)量潛艇的磁場(chǎng)來判斷深度。

潛艇拖拽陣列聲吶來探測(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。[5]

圖2 安裝了磁力儀的飛行器

4.6 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（見圖2）。

4.7 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(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[7]。磁力儀可以被如Goes這樣的衛(wèi)星用來測(cè)量某行星或者月球上的磁場(chǎng)的大小和方向。

5 結(jié)論

磁力儀正在朝著微型化的方向發(fā)展。它們?cè)诘厍蛭锢砜辈榉矫姹粡V泛應(yīng)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(yīng)用于消費(fèi)型電子設(shè)備如移動(dòng)電話、平板電腦中。隨著磁力儀的精度和靈敏度等指標(biāo)的提高，未來的應(yīng)用價(jià)值將不可估量。

[1]黃成功,羅深榮,吳文福.基于檢測(cè)潛艇尾流引起的電磁場(chǎng)特征的磁力儀設(shè)計(jì)方案[P].第二十一屆海洋測(cè)繪綜合性學(xué)術(shù)研討會(huì),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(xué),2010.

[3]管志寧.地磁場(chǎng)與磁力勘探[M].地質(zhì)出版社,2005.8.

[4]劉迪仁,周勛等.淺析高精度質(zhì)子旋進(jìn)磁力儀的核心技術(shù)指標(biāo)[J].科技創(chuàng)業(yè)家,2012.7.

[5]閻喆.GPS/SINS組合導(dǎo)航系統(tǒng)的研究及仿真[D].電子科技大學(xué),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(xué)地球物理學(xué)院碩士研究生，研究方向：地質(zhì)工程。