[科普中国]-磁力计

简介

在国际单位制中描述磁场的物理量是磁感应强度，单位是特斯拉。由于1特斯拉意味着非常强的磁场，地球科学上常用纳特（nT）来作为测量单位，工程上常用的CGS制（厘米-克-秒制）中，单位则是高斯。在早期，电磁领域高斯单位盛行，因此磁强计也称为高斯计。

磁感应强度是矢量，具有大小和方向特征，只测量磁感应强度大小的磁强计称为标量磁强计，而能够测量特定方向磁场大小的磁强计称为矢量磁强计。

原理由于地球重力场相当于已知信息，因而当载体处于平稳运动时，完全可以依靠采集自加表的测量信息来推算得到载体除了航向外的其它两个姿态信息，而若将加表与其它传感器如磁力计结合使用，就能实现在多种运动情况下测得完整的载体姿态信息。1

磁力计的基本工作原理如下：设磁力计三轴磁分量的数据为[Mbx Mby Mbz]载体的横滚角和俯仰角分别为φ 和θ 。则有

式中Xh 为磁力计在水平方向 X 轴上的分量，Yh 为磁力计在水平方向 Y 轴上的分量，具体分量的表示如图

方位角可以根据上面求得的两个分量按下面的公式计算

其中，ϕM0 为磁方位角，载体的方位角ϕM 需要经过磁偏角修正后才能得到，即ϕM = ϕM0 − ϕ0
ϕ0 为磁偏角，可以根据地球磁场模型 WMM2005 以及载体所处的位置查得。

误差磁力计是一种可以测量环境磁场强度的传感器，本文正是通过利用磁力计测得磁场强度进而得到所需的载体方位角信息。作为一种实用器件其存在误差是无可避免的，目前通常将磁力计的误差划分为自身内部误差、应用安装误差以及罗差。

自身内部误差磁力计的自身内部误差有零位误差、灵敏度误差和正交误差。

应用安装误差当将磁力计安装于载体上时没有实现磁力计的坐标系与载体坐标系相互重合，这就产生了安装误差。

罗差因为铁磁材料本身的特性会对外界磁场产生影响，因此当它出现在磁力计周围时必然会对其产生影响进而引起误差，我们把这种误差称之为罗差。这种影响产生的干扰磁场分为硬铁磁场和软铁磁场。对于铁磁材料和电器设备会产生硬铁磁场，其对磁力计测量值的影响等同于在地磁场的测量值上附加了一个大小和方向不变的常值偏移。由于受外界磁场影响而产生的磁场称为软铁磁场，其大小和方向会随着载体姿态和位置的变化而变化。

分类能够测量磁场的物理原理有很多，根据不同原理进行分类，常见标量磁强计原理有质子旋进磁强计，Overhauser磁强计，碱金属光泵磁强计等，常见的矢量磁强计有磁通门磁强计、磁阻磁强计等。主要介绍磁通门磁强计。

磁通门磁力计是一种基于软磁材料磁化饱和时的非线性特性而工作的一种磁力计，用以精确测量大小为千分之一T以下的稳定或者低频交变的磁场，其应用范围涉及空间探索和地球物理等的许多领域。2

是利用铁磁体磁化时在饱和区的非线性来测量磁场的装置，当用软磁材料做成的铁磁体在磁化时，由于磁化的非线性，能调制外场，使得传感器输出和外场相关、相对调制磁场频率的偶次谐波信号，检测偶次谐波的大小就能得到外场的大小。