弱磁測量傳感器的發展與應用

銀 鴻，楊生勝，鄭闊海，文 軒，莊建宏，王 俊

（蘭州空間技術物理研究所 真空技術與物理重點實驗室，蘭州 730000）

弱磁測量傳感器的發展與應用

銀 鴻，楊生勝，鄭闊海，文 軒，莊建宏，王 俊

（蘭州空間技術物理研究所 真空技術與物理重點實驗室，蘭州 730000）

弱磁測量技術在許多諸如生物醫學、資源勘測、軍事工程和空間探測等重要領域中占有不可或缺的地位，磁場測量也代表了國家磁測技術的發展水平。當前國內外弱磁測量主要用到質子磁力儀、光泵磁力儀、原子磁力儀、磁通門、SQUID、光纖磁力儀和磁電阻傳感器，按照測量磁場的類型將其分為標量和矢量型，通過其基本原理、特性、研究和應用現狀的分析，對其發展方向和應用前景進行了綜述，為后續的理論研究和工程實踐提供參考。

弱磁測量；磁傳感器；靈敏度

0 引言

從磁場感應范圍的角度出發，可以將磁場傳感器分為三類：低強度磁場傳感器、中強度磁場傳感器、高強度磁場傳感器。低強度磁場傳感器又稱弱磁測量傳感器，通常被用來探測0.1 nT以下的磁場[1]，常涉及到軍事領域、資源勘探、地震預警、科學研究、工業檢測、醫療等方面。如軍事上艦艇的消磁、探潛、魚雷制導及衛星測距等用到弱磁測量儀器；航磁、地磁測量使用的是弱磁測量儀器；高精度的磁測儀器是資源勘查的主要設備；生物醫療工程中如核磁共振CT、肺磁、胃磁和腦磁的診斷離不開弱磁測量儀器。弱磁傳感器技術在很大程度上代表了國家磁測技術的發展水平，是當今高新技術的一個熱點[2]，分析當前弱磁測量傳感器的發展與應用狀況，研制高性能、小型化、低功耗、低成本的弱磁測量傳感器，對我國國防建設等領域的發展具有重要意義。

弱磁傳感器種類繁多，性能和應用場合各異，當前弱磁測量主要是利用超導效應法、磁共振法、磁光效應法、磁電阻效應法等測量方法，其采用的弱磁傳感器主要有磁通門磁力儀、光泵磁力儀、原子磁力儀、光纖磁力儀、質子磁力儀、超導量子干涉儀和磁電阻傳感器。根據測量磁場的類型可將其分為標量磁傳感器和矢量磁傳感器，就其的原理、性能、發展趨勢和應用范圍展開詳細論述。

1 標量磁傳感器及其應用

磁場是一個矢量場，在磁場探測系統中，標量磁傳感器能獲得磁場的模量大小，常被用于測量磁場模量（或模量之差）和模量梯度（水平梯度和垂直梯度）[3]。在磁梯度張量系統出現之前其是主要的航空磁測儀器，通過繪制地磁分布圖、磁異常圖和磁梯度異常圖來確定地下或水下磁場的分布和礦體、金屬物的位置；而在梯度張量系統出現后常作為矢量磁測系統重要的系統校正和標定的儀器，在地質探測、反潛作戰、金屬探測中具有重要意義。弱磁標量傳感器主要有質子磁力儀、光泵磁力儀和原子磁力儀等三類量子磁力儀。

1.1 質子磁力儀（Proton magnetometer）

質子磁力儀是美國于1955年研制的，又被稱為核子旋進或質子旋進磁力儀[4]，是利用水、酒精、煤油、苯、丙酮等工作介質中的氫質子磁矩在磁場中自由旋進的頻率來測量磁場。如圖1所示，在強磁場激勵下，氫質子的核磁矩會出現順磁性，核磁矩沿強磁場方向定向排列呈現宏觀磁性；而當強勵磁場撤消后，由于核磁矩和外磁場的相互作用，使得質子產生自旋軸線沿磁場方向的拉莫爾進動并具有固定夾角（進動角）[5-6]，該拉莫爾進動頻率f與外磁場B有關，且滿足式（1）的關系[7]：

式中：γ0是質子旋磁比，只需測量質子的進動頻率就可得到外磁場值。

質子磁力儀因極化方式不同而分為常規質子磁力儀和歐弗豪澤效應質子磁力儀（Overhauser），常規質子磁力儀采用直流極化或靜態極化的方式，分辨率約0.1 nT/Hz1/2，但具有極化頻率高，存在進向誤差，功耗較大，且由于受勵磁極化時間的限制而不能長期連續測量的缺點；Overhauser質子磁力儀采用動態極化的方式，具有更高的靈敏度（達到10 pT/Hz1/2），更低的功耗和信噪比，因不需要周期性的激勵，能夠連續的探測磁場，但價格較高，約為常規磁力儀的2倍[8-9]。

圖1 質子磁力儀的原理圖Fig.1 Fundamental diagram of proton magnetometer

質子磁力儀由于以原子與磁場作用的固有進動頻率作為測量基準，因此穩定性高，可靠性強，工作時不受溫度、濕度等氣象因素的影響[5]。同時技術較為成熟，被廣泛應用于海洋、陸地、空中的探測工作，尤其在野外地質勘察、地震臺站的地震預報、水文工程勘測等方面有很大的用途。一個典型的應用是地下未爆炸物（Unexploded Ordnance，UXO）的排查[9]，無論是在作戰時期還是在戰后和平時期，UXO都嚴重威脅著人們的生命安全。UXO埋藏深度一般在0～5 m，很難用磁探測之外的手段對其進行排查，但隨著炮彈小型化技術的發展，其產生的磁信號非常微弱，Overhauser磁力儀憑著高靈敏度和高穩定性成為UXO探測的首選儀器[10-11]，此外還可以用來探測地下埋藏的未知金屬管道和礦藏等。

1.2 光泵磁力儀（Optical pumping magnetometer）

光泵磁力儀是利用某些元素的原子（3He、4He、39K、85Rb、87Rb、133Cs、Hg）在外磁場作用下的塞曼分裂效應和能級躍遷原理來進行磁場測量的。當原子處于外磁場中時，其能級將會分裂為等間距的子能級（塞曼子能級），原能級上的原子會平均分布在塞曼子能級上，當加入射頻磁場后，透射光強與射頻磁場頻率存在相關性，從而實現磁場強度的測量[13-14]，該效應發現于上世紀50年代中期。圖2為光泵磁力儀的典型原理。

光泵磁力儀的突出優點是：（1）靈敏度高（達fT量級），如美國Polatomic公司利用單一激光源設計的氦光泵磁儀P-2000磁力儀的靈敏度達100 fT/Hz1/2，是氦光泵磁力儀的代表；美國Geometrics公司的G858的靈敏度達到10fT/Hz1/2，基本代表了銫光泵的技術水平[12]；（2）響應頻率高，可以進行高速測量，對于軍事目標動態信號探測有著絕對的優勢。

圖2 光泵磁力儀原理圖Fig.2 Fundamental diagram of optical pumping magnetometer

光泵磁力儀的主要缺點是由于光學系統和氣室體積大，導致體積、質量和功耗都較大，在應用上受限[2]。所以小型化是光泵磁力儀當前的發展方向，如近些年美國NIST利用MEMS技術成功研制出一種毫米級別的光泵磁力儀，大幅降低了體積、功耗和成本，分辨率約6 pT/Hz1/2（10 Hz～1 kHz）。當前基于“自旋交換-釋放自由”（SERF）機制的光泵磁力儀可以提升自旋一致性，其低頻弱磁場分辨率可達幾十fT/Hz1/2（@1 Hz）[15]，為高性能的光泵磁力儀研制提供了一種新的思路。

在弱磁測量方面，光泵磁力儀更適合在大型平臺裝備，目前是航空磁測最常用的磁強計[16]，用來進行地質勘探、軍事反潛。如當前世界各國的反潛機上幾乎都裝有光泵磁力儀來進行反潛。

1.3 原子磁力儀（Atomic magnetometer）

原子磁力儀是通過測量原子在弱磁場中能級移動、退極化過程中光強吸收特性的改變來進行微弱磁場的測量，如圖3所示，一束圓偏振的泵浦激光使原子自旋沿泵浦光傳播方向極化，一束線偏振的檢測激光沿垂直于泵浦光的方向檢測原子的極化投影。當有垂直于泵浦光和檢測光平面的外磁場存在時，原子自旋磁矩在磁場的作用下會作拉莫進動，拉莫進動頻率與磁場大小呈正比，通過確定頻率即可測得磁場[17]。

圖3 原子磁力儀原理圖Fig.3 Fundamental diagram of atomic magnetometer

原子磁力儀具有非常高的極限靈敏度，美國NIST在2004年研制的原子磁力儀的靈敏度達40 pT/Hz1/2，采用聚磁技術改進后，其靈敏度達10 fT/Hz1/2；普林斯頓大學研制的原子磁力儀的靈敏度可達0.54 fT/Hz1/2，有望達到aT量級，是目前靈敏度最高的磁強計[8，18]。國內浙江大學利用單激光搭建了一種原子磁力儀樣機，其靈敏度達到0.5 pT/Hz1/2；蘭州空間技術物理研究所研制的激光抽運銣原子磁力儀，其靈敏度達到1 pT/Hz1/2，磁場波動范圍優于0.4 nT。

原子磁力儀具有靈敏度高、能耗低、體積小等優勢，在生物磁場探測、核磁共振成像、質量控制、化學反應的監測等領域有著廣泛的應用潛力[18]。此外，原子磁力儀在空間與地球物理、空間磁場探測、軍事中也有著廣泛的應用前景。

1.4 標量磁傳感器的應用

在軍事中，磁探測是反潛、反水雷的有力手段，美國陸軍實驗室研究表明：鐵磁性目標在地磁場中引起的磁異常信號與探測距離成三次方反比，常規潛艇在500 m處的感應磁場強度約為10 nT量級，實現潛艇探測所用磁傳感器的測量精度至少應在納特數量級[19]。在標量磁傳感器中，分辨率和頻響高的光泵磁力儀能實現局部區域的快速測量，一直被搭載在反潛機或艦艇上進行磁異探測；原子磁力儀作為新型磁力儀，比光泵磁力儀具有更高的靈敏度和較小的體積、功耗，在反潛方面很有潛力。美國Tristan公司研發了一種新型飛特級的原子磁力儀，并擬定了開發機載磁異探測系統的計劃，預計其探測距離約達2 743 m[20]。此外，在磁引信方面，原子磁力儀的應用優勢很突出，1輛坦克在1 000 m處的磁異信號僅幾pT[19]，微小的高靈敏度原子磁力儀能很好地集成于彈藥引信裝置中，能實現遠距離的目標捕獲并摧毀諸如坦克、艦艇等高價值目標。

在資源勘探中，利用標量磁傳感器繪制區域磁異常分布圖來確定礦體的方位是其常用的辦法，磁傳感器的分辨率決定了探測的準確程度，光泵磁力儀和質子磁力儀較為常用，光泵磁力儀較質子磁力儀有更高的分辨率，但體積較大、穩定性略差，常搭載在飛機上或拖拽在艦艇上工作，而質子磁力儀因便攜性適合于更多場合的勘測。

在醫療中，大腦產生的磁場在0.1 pT左右，光泵磁力儀存在測量死區，遠不能滿足需求；微小原子磁力儀的發展有望改善腦磁測試條件，測試時用導磁合金作屏蔽室，形成零磁空間來測量極微弱的磁場，NIST將其用于動物腦磁研究，已取得良好的效果[12]。

2 矢量磁傳感器及其應用

相對于標量磁傳感器，矢量磁傳感器能同時獲得磁場的模量大小和方向信息，在磁探測系統中常被用來測量磁場分量、分量梯度和梯度張量，通過矢量測量可有效減少磁測反演中的多解性，有助于對磁性體的定性和定量解釋，能提高弱磁探測的分辨率、定位精度和導航精度。在軍事反潛、磁引信、地球物理勘測、空間磁場探測、生物醫療、工業檢測等領域中具有重要的應用。目前，反潛技術中的梯度張量反潛系統，導航技術中的地磁匹配導航系統以及地球物理技術中的航空全張量磁力梯度系統都是各國研究的熱點[21-23]，而高性能的弱磁矢量傳感器是關鍵儀器。弱磁矢量傳感器主要有磁通門磁力儀、超導量子干涉儀、光纖傳感器和磁電阻傳感器。

2.1 磁通門磁力儀（Fluxgate）

磁通門磁力儀又稱磁飽和磁力儀，是相對最為成熟的矢量磁傳感器，基本原理是基于高磁導率軟磁材料磁芯的非線性磁化特性，在交變激勵磁場中磁芯的導磁特性會發生周期性飽和與非飽和的變化，從而在感應線圈中感應出與外磁場成正比的調制信號，信號中的二次諧波對應著外磁場的信息，通過特定的檢測電路可提取外磁場信息[23-24]。

磁通門磁力儀最大特點是良好的低頻弱磁場測量能力，靈敏度高達0.1 pT/Hz1/2，并具有寬量程（10-12～10-3T）和恒定/變化磁場的測試能力。目前，德國的STL公司（DM系列）和英國的Bartington公司（SN系列）是世界級磁通門供貨商其中DM-005的分辨率達0.1 pT/Hz1/2，帶寬可達3 kHz，具有極大的動態范圍和極高的穩定性[8]。

磁通門作為一種通量傳感器，其靈敏度由線圈中包裹磁芯的磁場滲透性和線圈的測量面積決定，所以高分辨率磁通門的體積和重量都較大，大幅限制了應用[25]。磁通門磁力儀的應用范圍十分廣泛：在宇航工程方面，磁通門磁力儀是進行空間磁場測繪的重要磁測儀器之一[26-27]；在地磁導航領域具有巨大的軍事潛力，地磁導航是通過磁傳感器測得的實時地磁數據與存儲在計算機中的地磁基準圖進行匹配來導航，弱磁傳感器是決定導航精度的關鍵，高穩定性的磁通門在地磁導航中倍受青睞[28]。此外，磁通門磁力儀在反潛、艦艇磁場測量、磁性檢測站的磁場測量、水上救援、金屬物探測、地震預報、磁探傷等場合均有應用。

2.2 超導量子干涉儀（SQUID）

SQUID是基于超導狀態下物質的量子隧穿特性，并通過使用超導回路與一對約瑟弗森結實現微弱磁場絕對測量的儀器。如圖4所示，一對由超導材料制作的閉合環，環中間有一個很薄的絕緣隧道結（約瑟弗森結），在超導態下電子由于隧穿效應可通過該絕緣層形成電流，當電流通過隧道結時，結區會出現高頻周期性振蕩電流，這種高頻電流會向外輻射電磁波，根據電磁波的特性可實現對垂直于超導環路平面磁場的測量[29-30]。

圖4 SQUD工作原理圖Fig.4 Fundamental diagram of SQUID

SQUID分為低溫SQUID和高溫SQUID[4]，低溫SQUID的超導介質是10%的金或銦的鉛合金，整個超導介質需工作在4.2 K以下的液氦環境。20世紀80年代出現了高溫SQUID，其采用釔鋇銅氧YBCO（YBa2Cu3O7-x）為介質，工作在77 K的液氮環境，用液氮比用液氦要便宜且易于實現。

SQUID的優點就是靈敏度高（達1 fT/Hz1/2）；測量范圍寬，可從零場測量到數千特斯拉，并能測量恒定磁場和交變磁場；響應頻率也高，可從直流到幾千兆赫茲；這些特性是其應用范圍遠遠超過常用的磁通門磁力儀和質子磁力儀。

由于SQUID工作需要冷卻裝置，導致系統的體積、功耗和成本都較大。所以，基于微納加工技術的SQUID探頭微型化一直是研究的熱點[31]。據報道，一種MEMS平面線圈和YBaCuO薄膜相結合的SQUID已問世，其靈敏度達到50 fT/Hz1/2，這推動了SQUID向微型化和高溫化的發展。

SQUID目前多使用于醫療、軍事和科學研究等大平臺。在軍事方面，利用三軸SQUID制成的航磁全張量系統可對地下或水下隱藏目標進行準確探測并定位，如美國橡樹嶺國家實驗室利用多個高溫SQUID組成磁梯度探測系統，安裝在直升機上進行UXO排查；德國海軍則利用SQUID探測潛水艇；澳大利亞聯邦科學工業研究組織（CSIRO）則用來地質調查和礦藏普查[32]。

2.3 光纖傳感器（Fiber-optic）

光纖傳感器出現時間相對較晚，是利用磁場對光和介質的相互作用來測量磁場的，多用于測量直流或者頻率不超過60 kHz的交流磁場。光纖傳感器的磁測量方法可分為三類：法拉第磁光效應法、洛侖茲力法、磁致伸縮法。其中，基于磁致伸縮法的干涉型光纖傳感器具有較高的靈敏度和潛力，是利用附著在光纖上的材料在外磁場中的磁致伸縮效應引起光纖長度改變，導致兩干涉光纖內光相位差的變化進行磁場測量[33-34]。

干涉型光纖磁場傳感器的主要優點有：（1）靈敏度較高（達0.7 fT/Hz1/2）；（2）體積小、重量輕；（3）耐腐蝕，電絕緣性好，可工作于易爆或者強腐蝕性環境。其缺點是穩定性差，易受外界環境因素的干擾會出現“隨機相位漂移”，研究者提出了一些提高光纖穩定性方法，如輸入光波偏振態反饋控制技術、分集檢測消偏振衰落技術等[35-36]。

雖然干涉型光纖磁傳感器發展歷史較短，很多目前仍在研究中，但由于存在靈敏度極高、精度高、體積小、耐腐蝕等特點，在弱磁探測中具有廣闊的應用前景，目前已應用于地質探礦、軍事制導和反潛、物聯網的傳感器節點、車輛檢測等場合，隨著以后穩定性和其他性能的提升，必將在更多空間探測等弱磁探測領域中嶄露頭角。

2.4 磁電阻傳感器（Magnetoresistance）

磁電阻傳感器是利用某些金屬或半導體材料在磁場中的電阻變化來進行磁場測量的，不僅適于測量恒定磁場，還能測量梯度較大的不均勻磁場和隨時間快速變化的磁場，具有廣闊的前景。基于20世紀70年代問世的薄膜技術，陸續出現了各向異性磁電阻（AMR）、巨磁電阻（GMR）以及隧道結磁電阻（TMR）等傳感器。其中AMR傳感器是利用磁性材料的磁各向異性制備而得，靈敏度取決于磁致電阻效應（＜5%）的大小，目前能達到50 pT/Hz1/2左右，其低頻噪聲較GMR和TMR低，但是由于磁電阻效應低導致輸出信號弱小；GMR是利用相鄰磁性層間磁化方向發生改變而導致磁電阻發生巨大變化的現象而制得，磁電阻效應達70%，靈敏度達1 nT/Hz1/2，具有很寬的動態范圍，但缺點是低頻噪聲高；TMR是最新一代的磁電阻傳感器，是利用兩電極電子遂穿電阻的變化而制成的器件，磁致電阻高達604%，靈敏度可達1 pT/Hz1/2，并兼AMR和GMR器件的優點于一身，具有很廣泛的應用市場，不過低頻噪聲依然是其技術難點[27，37-39]。近年，美國陸軍實驗室提出了磁通聚集調制技術（圖5），利用MEMS結構驅動磁通聚集器使其磁場增益發生周期性變化，使GMR/TMR內部敏感單元檢測到調制后的交流磁場信號，可有效降低其低頻噪聲[40]；美國Nebraska大學也通過改善隧道結工藝和磁通聚集器來研制低噪聲高靈敏度TMR，該項研究目前仍在繼續，其目標是研制飛特量級磁噪聲的磁傳感器。

圖5 磁通調制技術原理圖Fig.6 Fundamental diagram of flux modulation

磁電阻傳感器具有靈敏度高、小型化、低成本、低功耗、可集成、頻響高且不需要特殊的測量環境等一系列特點，在許多領域都具有應用潛力[37]，目前新型的磁電阻傳感器TMR的應用研究正處于探索階段，如軍事、空間等重要領域的應用也正在推進，隨著其應用驗證的深入，相信以后高性能的磁電阻傳感器將占有更大的市場。

2.5 矢量傳感器的應用

矢量傳感器能測量磁場方向，比標量傳感器有更廣泛的應用。典型的梯度張量系統無需嚴格定向就能充分獲取磁異常信息并能有效消除地磁場的影響，多用于軍事探潛、探爆、和資源勘探，受到各國研究者的重視。其中所用到的矢量磁傳感器有SQUID、磁通門磁力儀和磁電阻傳感器，基于SQUID和磁通門的梯度張量系統出現較早，技術成熟，但體積較大。目前利用磁阻傳感器配置微型低耗的梯度張量系統成為研究的熱點。

在空間探測中，磁傳感器作為航天器的重要載荷，不僅可提供航天器姿態控制和內部結構評價所需要的磁信息，而且還能同步監測磁場，為空間天氣學、深空探測和空間環境預警提供關鍵參數。航天器對磁傳感器的質量、體積和功耗有嚴格的要求，目前常用到的磁傳感器有磁通門和磁電阻傳感器，磁通門在空間應用技術成熟；磁電阻傳感器比磁通門雖然穩定性稍差，但在質量、功耗及尺寸方面占據絕對優勢，陣列化的磁阻傳感器適合于空間磁場的精確測量以實現航天器的姿態控制和航天器關鍵部位的無損探傷。如2003年美國發射的Ion-f衛星，加拿大發射的CanX-1衛星都搭載了AMR來執行空間磁場測量或姿態控制任務[27]。

在生物醫療中，利用生物磁性與器官組織結構和生理病相關的特性，通過高靈敏度的磁傳感器可實現疾病診斷，目前占主導地位的是SQUID，具有極限靈敏度，可以檢測腦磁場和胎兒心磁，SQUID能抑制母體的心磁信號而準確地把微弱的胎兒心磁信號檢測出來；但SQUID體積較大，不利于微小局部的探測。目前發展的TMR傳感器能夠檢測納米級別的磁性粒子，通過磁性納米顆粒和生物分子的合理配置，實現超高靈敏度、定量的生物檢測技術，具有較大的潛力。

在工業中，磁傳感器廣泛用于儀器儀表、無損探傷、數字羅盤、偽鈔鑒別、車輛檢測、位置檢測等方面，較為常見的是磁通門和磁電阻傳感器。磁電阻傳感器出現比磁通門較晚，但體積微小，易集成在電路中制成如汽車速度表、里程表、液體檢測器、角度或電流傳感器等儀器。

3 結論

通過分析當前弱磁場測量主要用到的磁傳感器，可以看出：（1）在標量傳感器中，質子磁力儀的突出特點是高穩定性和小巧，尤其適合在野外勘探作業，動態極化方式的磁力儀是其研究方向；光泵磁力儀的突出優點是靈敏度高和響應頻率高，特別適合航空高速磁測，小型化是當前的發展方向；原子磁力儀的分辨率極高，體積和功耗很小，作為新型的磁力儀最具應用潛力；（2）在矢量傳感器中，磁通門磁力儀技術應用廣泛，特別在空間磁場測量和地磁導航中技術較為成熟；SQUID的突出特點是靈敏度高、體積大、成本高，目前在醫學診斷和軍事反潛中占有重要地位，且隨著高溫SQUID技術的發展，其應用范圍將進一步擴大；干涉型光纖磁力儀的特點是分辨率高、耐腐蝕，穩定性一般，在軍事、物聯網中有重要應用，提高穩定性并研制高性能的光纖磁力儀是其發展的方向；新型的磁電阻傳感器具有體積小、靈敏度高、線性好、線性范圍寬，成本低等一系列的優點，在弱磁測量領域已顯現出了巨大的應用潛力，隨著低噪聲高靈敏度磁電阻傳感器技術的進步，其必將成為更多領域中完成磁測任務的主角。

總之，隨著MEMS、微納加工等新技術的發展以及新材料和新工藝的出現，弱磁傳感器將沿著高分辨率、高穩定度、高準確度、微小型化、低功耗、低成本的方向發展，在未來的應用領域中必將迸發出更耀眼的光芒。

[1]潘啟軍，馬偉明，趙治華，等.磁場測量方法的發展及應用[J].電工技術學報，2005，20（3）：7-13.

[2]肖勝紅，肖振坤，邊少鋒，等.弱磁場檢測方法與儀器研究[J].艦船電子工程，2006，26（4）：158-162.

[3]李遠強，李祥強.利用高精度磁法探測地下遺棄炮彈[J].北京地質，2002，14（2）：40-42.

[4]張昌達，董浩斌.量子磁力儀評說[J].工程地球物理學報，2004，1（6）：499-507.

[5]楊婕，許儀西.G856質子旋進磁力儀性能測試[J].防災科技學院學報，2008，10（1）：42-43.

[6]段金松，梁樹紅，齊寧，等.HD-2010質子旋進磁力儀的研制與應用[J].世界核地質科學，2014，31（2）：115-119.

[7]李大明.磁場的測量[M].北京：機械工業出版社，1993.

[8]Kominis I K，Kornack T W，Allred J C，et al.A subfemtotesla multichannel atomic magnetometer[J].Nature，2003，422（6932）：596-599.

[9]葛健，陸承達，董浩斌，等.基于Overhauser傳感器的近地表UXO磁梯度法探測技術[J].儀器儀表學報，2015，36（5）：961-974.

[10]尹之潛.地震災害及損失預測方法[M].北京：地震出版社，1995.

[11]石艷林，董浩斌.Overhauser磁力儀初步設計[J].儀表技術與傳感器，2008（2）：18-19.

[12]董浩斌，張昌達.量子磁力儀再評說[J].工程地球物理學報，2010，07（4）：460-470.

[13]張楊，康崇，孫偉民，等.基于超精細結構下的激光光泵銫磁力儀的理論研究[J].光學與光電技術，2010，8（2）：54-57.

[14]GillesH，HamelJ，CheronB.Laserpumped4He，magnetom?eter[J].ReviewofScientificInstruments，2001，72（5）：2253-2260.

[15]Baschirotto A，Dallago E，Malcovati P，et al.A Fluxgate Mag?netic Sensor：From PCB to Micro-Integrated Technology[J].IEEE Transactions on Instrumentation&Measurement，2007，56（1）：25-31.

[16]張洪瑞，范正國.2000年來西方國家航空物探技術的若干進展[J].物探與化探，2007，31（1）：1-8.

[17]李曙光.原子磁力儀的研究[D].浙江：浙江大學，2009.

[18]曾憲金，李慶萌，趙文輝，等.高靈敏度弱磁傳感器研究[J].傳感器與微系統，2014，33（1）：49-51.

[19]EdelsteinAS，BurnetteJE，FischerGA，etal.LowCost，Low Power，High Sensitivity Magnetometer[C]//Low Cost Low PowerHighSensitivityMagnetometer，2008.

[20]Kitching J，Knappe S，Shah V，et al.Microfabricated atomic magnetometers and applications[C]//Frequency Control Sym?posium，2008IEEEInternational，2008：789-794.

[21]Budker D，Romalis M.Optical magnet metry[J].Nature Phy?sies，2007，3（4）：227-234.

[22]Allred J C，Lyman R N，Kornack T W，et al.High-sensitivity atomic magnetometer unaffected by spin-exchange relax?ation[J].Physicalreviewletters，2002，89（13）：130801.

[23]王一.航磁三分量探測系統研究[D].吉林：吉林大學，2015.

[24]郭愛煌，傅君眉.磁通門技術及其應用[J].傳感器與微系統，2000，19（4）：1-4.

[25]丁鴻佳，隋厚堂.磁通門磁力儀和探頭研制的最新進展[J].地球物理學進展，2004，19（4）：743-745.

[26]胡苗苗，劉海順，李瑞明，等.磁場測量方法及其應用[J].現代物理知識，2008，20（4）：36-38.

[27]鄭闊海，楊生勝，王鹢，等.微型磁電阻效應傳感器的空間應用前景[J].真空與低溫，2012，18（2）：83-87.

[28]郭才發，胡正東，張士峰，等.地磁導航綜述[J].宇航學報，2009，30（4）：1314-1319.

[29]倪小靜，楊超云.超導量子干涉器（SQUID）原理及應用[J].物理與工程，2007，17（6）：28-30.

[30]陳林，李敬東，唐躍進，等.超導量子干涉儀發展和應用現狀[J].低溫物理學報，2005，27（a01）：657-661.

[31]LenzJ，EdelsteinAS.Magneticsensorsandtheirapplications[J].IEEESensorsJournal，2006，6（3）：631-649.

[32]王三勝，郭強.高溫超導技術在微磁傳感器中的應用與發展[J].物理，2016，45（3）：172-179.

[33]呂鳳軍，斯永敏，劉吉延.干涉型光纖磁場傳感器的研究[J].傳感器與微系統，2004，23（8）：32-34.

[34]劉吉延，斯永敏，李智忠，等.采用超磁致伸縮薄膜的光纖磁場傳感器[J].半導體光電，2004，25（3）：238-241.

[35]薛青.干涉型光纖磁場傳感器穩定性研究[D].上海：上海交通大學，2006.

[36]姚壽銓，李守榮.靈敏穩定的光纖弱磁場傳感器[J].上海大學學報，2000，6（3），203-206.

[37]鐘智勇.磁電阻傳感器[M].北京：科學出版社，2016.

[38]高知豐，張兵臨，馬毓堃，等.巨磁電阻效應[J].真空與低溫，2008，14（4）：187-192.

[39]席力，張宗芝，王建波，等.Fe-SiO：顆粒膜的磁性和隧道磁電阻效應[J].真空與低溫，2001，7（2）：72-76．

[40]JrWFE，PongPWT，UngurisJ，etal.Criticalchallengesfor picoTesla magnetic-tunnel-junction sensors[J].Sensors&ActuatorsAPhysical，2009，155（2）：217-225.

DEVELOPMENT AND APPLICATION OF THE DETECTING INSTRUMENT FOR WEAK MAGNETIC FIELD

YIN Hong，YANG Sheng-sheng，ZHENG Kuo-hai，WEN Xuan，ZHUANG Jian-hong，WANG Jun
（Science and Technology on Vacuum Technology and Physics Laboratory，Lanzhou Institute of Physics，Lanzhou 730000，China）

The technology of detecting weak magnetic field plays an indispensable role in lots of momentous areas，such as bio-medicine，resources exploration，military and aerospace engineering.It is the direction of the current magnetic measurement technology；to a great extent，it also represents the level of detecting magnetic field of a country.The major sensors of detecting weak magnetic field currently are Proton Magnetometer，Optical pumping，Atomic Magnetometer，Fluxgate，SQUID，Fiber-optic and Magneto resistance，which are used at home and abroad，and can be divided into scalar and vector type as the type of measuring magnetic field，according to analyzing their principle，property and state of technology and application，future research orientation and application foreground are all reviewed in this thesis，which will provide the reference for further theoretical research and engineering practice.

weak magnetic measurement；magnetic sensor；sensitivity

V439

A

1006-7086（2017）05-0304-07

10.3969/j.issn.1006-7086.2017.05.011

2017-06-12

“十三五”全軍共作信息系統裝備預先研究課題（No.31512030101）

銀鴻（1992-）男，甘肅武威人，碩士研究生，從事弱磁場探測和空間環境效應及防護技術研究。E-mail：1033826425@qq.com。