磁力儀
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中文名;磁力儀 外文名;magnetometer 簡介;測量磁場強度和方向的儀器的統稱 用途;進行磁異常數據採集 |
磁力儀是測量磁場強度和方向的儀器的統稱。測量地磁場強度的磁力儀可分為絕對磁力儀和相對磁力儀兩類。主要用途是進行磁異常數據採集以及測定岩石磁參數，從20世紀，磁力儀經歷了從簡單到複雜，機械原理到現代電子技術的發展過程。[1]
目錄
磁力儀的發展
Cal Friedrich Gauss於1833年發明了第一台磁強計。磁力儀後來被廣泛應用於地磁場的測量和地球物理勘查中測量各種類型的磁異常。磁力儀也被應用於現代智能手機（指南針App）、太空衛星中，還被應用到軍事中來探測潛艇。一些國家如美國、加拿大、澳大利亞將超級靈敏的磁力儀劃歸為軍事科技，並嚴格控制產品的售賣。磁力儀可以探測磁（鐵）金屬，探測這類金屬時比常規的金屬探測器探測深度深；與一般的金屬探測器相比，磁力儀的探測範圍大，可以探測到大的目標體，比如數十米長的汽車，而一般的金屬探測器的探測範圍很少超過兩米。磁力儀從傳統的礦產、石油行業的應用逐漸發展至高精尖的航空磁測、太空宇宙飛船探測行星中。
磁場測量原理
磁場是矢量場，具有大小和方向。從測量方式分，主要有兩種磁力儀。矢量磁力儀用來測量測量磁場分量，總場磁力儀（標量磁力儀）測量矢量場的大小。磁力儀根據磁偏角和磁傾角測量地球磁場並反映出各分量。絕對磁力儀測量磁場的絕對幅度或矢量，使用內部校準或傳感器的已知的物理參數。相對磁強計以一個固定的未校準的基準線為參照測量磁場的標量或矢量，通常又被稱為磁變儀
磁力儀的類別
1、按照磁力儀的發展歷史，以及它們所應用的物理原理，可分為：
第一代磁力儀它是根據永久磁鐵與地磁場之間相互力矩作用原理，或利用感應線圈以及輔助機械裝置製作的，如機械式磁力儀、感應式航空磁力儀等。第二代磁力儀它是根據核磁共振特徵，利用高磁導率軟磁合金，以及複雜的電子線路製作的，如質子磁力儀、光泵磁力儀及磁通門磁力儀等。第三代磁力儀它是根據低溫量子效應原理製作的，如超導磁力儀。
2、磁力儀按其內部結構及工作原理，大體上可分為：①機械式磁力儀。如懸絲式磁秤、刃口式磁秤等；②電子式磁力儀。如質子磁力儀、光泵磁力儀、磁通門磁力儀等。
3、磁力儀按其測量的地磁場參數及其量值，可分為：①相對測量儀器，如懸絲式垂直磁力儀等，它是測量地磁場垂直分量Z的相對差值；②絕對測量儀器，如質子磁力儀等，它是測量地磁場總強度T的絕對值；不過亦可測量梯度值。
4、若從磁力儀使用的領域來看，它們可分為：地面磁力儀、航空磁力儀、海洋磁力儀以及井中磁力儀。
主要技術指標
技術指標是反映儀器總體性能的技術參數，通常包括：靈敏度、精密度、準確度、穩定性、測程範圍等等。
靈敏度系指磁力儀反映地磁場強度最小變化的能力（敏感程度），有時也稱作分辨率。對於用數碼顯示器讀取磁場值的儀器（如質子磁力儀），在其讀數裝置上估讀的最小可辨別的變化，稱為顯示靈敏度（或讀數能力），如1nT/字，0.1nT/字等。由於儀器有一個噪聲水平問題，因此靈敏度與顯示靈敏度在概念上是有區別的。
精密度它是衡量儀器重複性的指標，系指儀器自身測定磁場所能達到的最小可靠值。由一組測定值與平均值的平方偏差表示。在儀器說明書中稱為自身重複精度。
準確度系指儀器測定真值的能力，即與真值相比的總誤差。
在磁法勘探工作中，通常把精密度與準確度不予區分，統稱為精度。
分類與應用
磁力具有多元化的應用，包括目標體定位：如潛艇、沉船、隧道挖掘機危害、煤礦災害、未爆炸武器、有毒廢水、礦物儲量和地質結構。還有一些應用如心臟監視器、武器系統定位、防抱死系統里的傳感器、天氣預報（通過太陽活動周期）、鋼塔架、鑽導引系統、考古學、板塊構造、無線電波傳播和行星探索。
實驗室磁力儀
實驗室磁力儀用來測量磁化程度，也被稱為樣品材料的磁矩。與調查用的磁力儀不同，實驗室用的磁力儀通常把需要測試的樣本放在磁力儀中，溫度、磁場和樣本的其他參數可以控制。樣品的磁化程度，主要取決於原子內部不成對電子的排序，小部分取決於核磁矩、拉摩爾抗磁性等。
磁通門磁力儀
磁通門磁力儀於20世紀30年代由維克多在海灣實驗室發明。在第二次世界大戰期間將其用於探測潛艇。戰後通過測量海底的磁性板塊的位移用於研究板塊構造。磁通門羅盤和梯度計測量磁場的方向和大小。磁通門價格實惠、耐用，輕便。再加上低功耗的特點，使得磁通門對一系列的敏感測量十分理想。梯度計通常用於考古勘探和未爆彈藥（UXO）的檢測，如德國軍工的Foerster探傷儀。
考古學中的磁探測
在「TIMETEAM」節目中推廣地球物理學的應用，包括考古工作探測墳墓、燒磚和磁性寶石如玄武岩、花崗岩中使用的磁技術。磁性土壤和擾動土的分異緻密可以映射行人軌道和道路的情況，如耕犁過的田野表現為噪聲來源。
煤礦探測與定向鑽井磁力儀
可以應用在區域尺度盆地，更常的應用是煤礦開採危害監測，如破壞性資源玄武岩體（脈、山脊、火山口），這些對煤礦開採設備都極具危害。地面上的高分辨率探測可以得到較好的結果（線長10米，點距0.5米）。磁力儀也被應用於油和氣的定向鑽井中的方位角探測，搭配加速度計使用即可以確定傾角又可以確定鑽頭方位。
軍事
出於防禦目的，海軍將磁力儀陣列擺放于海底戰略位置（如港口）來監測潛艇活動。俄羅斯的鈦潛艇耗費巨大代價專門設計用來抵抗這樣的測探系統（鈦是非磁性的）。軍用潛艇定期通過大型水下環來逃避海底探測系統、磁異常探測器的監測。但潛艇是不能完全被消磁的。由於船體在壓力下被扭曲，可以通過測量潛艇的磁場來判斷深度。潛艇拖拽陣列聲吶來探測船艇，甚至可以識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於標定陣列中的每個聲吶節點的方向。磁通門也可以在武器導航系統中使用，但是很大程度上已經被GPS和環形激光器陀螺儀所取代。
航磁調查
磁力調查在尋找磁異常（礦異常）非常有用，如脈石礦物與礦床沉澱。如加拿大和美國投入巨資做大陸和海洋環境的航磁調查，目的是為了發現礦藏。通常的航磁調查，飛行高度100米，線距400米，每10米或大於10米讀數1次。為了克服數據的不對稱性，數據會做插值（一般為5次）和平均處理。這樣的數據會被以80×80米網格化，用軟件進行處理。
移動電話
很多智能手機里都嵌入了磁力儀，應用在指南針的功能中。iPhone3GS中有一個坡莫合金傳感器—霍尼韋爾（Honeywell）生產的AN-203。2009年，三軸磁力儀的價格跌破1美元而且還在繼續下降。三軸磁力儀的應用同樣也說明了它在確定方位和傾角方面不夠靈敏。
航天
磁力儀也被應用在Cassini-Huygens探索土星任務中。該系統包括矢量氦磁力儀和磁通門磁力儀。在探索水星Messenger任務中，磁力儀也是其中一個部件。磁力儀可以被如Goes這樣的衛星用來測量某行星或者月球上的磁場的大小和方向。
參考來源