[科普中国]-磁力仪

磁力仪是测量磁场强度和方向的仪器的统称。测量地磁场强度的磁力仪可分为绝对磁力仪和相对磁力仪两类。主要用途是进行磁异常数据采集以及测定岩石磁参数，从20世纪至今，磁力仪经历了从简单到复杂，机械原理到现代电子技术的发展过程。

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。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。1

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。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

磁力仪的类别1、按照磁力仪的发展历史，以及它们所应用的物理原理，可分为：

第一代磁力仪它是根据永久磁铁与地磁场之间相互力矩作用原理，或利用感应线圈以及辅助机械装置制作的，如机械式磁力仪、感应式航空磁力仪等。第二代磁力仪它是根据核磁共振特征，利用高磁导率软磁合金，以及复杂的电子线路制作的，如质子磁力仪、光泵磁力仪及磁通门磁力仪等。第三代磁力仪它是根据低温量子效应原理制作的，如超导磁力仪。

2、磁力仪按其内部结构及工作原理，大体上可分为：①机械式磁力仪。如悬丝式磁秤、刃口式磁秤等；②电子式磁力仪。如质子磁力仪、光泵磁力仪、磁通门磁力仪等。

3、磁力仪按其测量的地磁场参数及其量值，可分为：①相对测量仪器，如悬丝式垂直磁力仪等，它是测量地磁场垂直分量Z的相对差值；②绝对测量仪器，如质子磁力仪等，它是测量地磁场总强度T的绝对值；不过亦可测量梯度值。

4、若从磁力仪使用的领域来看，它们可分为：地面磁力仪、航空磁力仪、海洋磁力仪以及井中磁力仪。2

磁力仪的主要技术指标技术指标是反映仪器总体性能的技术参数，通常包括：灵敏度、精密度、准确度、稳定性、测程范围等等。

灵敏度系指磁力仪反映地磁场强度最小变化的能力（敏感程度），有时也称作分辨率。对于用数码显示器读取磁场值的仪器（如质子磁力仪），在其读数装置上估读的最小可辨别的变化，称为显示灵敏度（或读数能力），如1nT/字，0.1nT/字等。由于仪器有一个噪声水平问题，因此灵敏度与显示灵敏度在概念上是有区别的。

精密度它是衡量仪器重复性的指标，系指仪器自身测定磁场所能达到的最小可靠值。由一组测定值与平均值的平方偏差表示。在仪器说明书中称为自身重复精度。

准确度系指仪器测定真值的能力，即与真值相比的总误差。

在磁法勘探工作中，通常把精密度与准确度不予区分，统称为精度。2

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。3

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。

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。

考古学中的磁探测在“TIMETEAM”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。

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。

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。

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。

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。

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。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。3

本词条内容贡献者为:

屈明 - 副研究员 - 西南大学