磁強(qiáng)計調(diào)研報告

磁強(qiáng)計調(diào)研報告磁強(qiáng)計調(diào)查總結(jié)1、什么是磁強(qiáng)計：磁強(qiáng)計（magnetometer）：通常指的是測量給定方向磁感應(yīng)強(qiáng)度的儀表。按照全國科學(xué)技術(shù)名詞審定委員會的公布的概念，磁強(qiáng)計：矢量型磁敏感器。用于測定地磁場的大小與方向，即測定航天器所在處地磁場強(qiáng)度矢量在本體系中的分量。是測量磁感應(yīng)強(qiáng)度的儀器。根據(jù)小磁針在磁場作用下能產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)或振動的原理制成。而從電磁感應(yīng)定律可以推出，對于給定的電阻R的閉合回路來說，只要測出流過此回路的電荷q，就可以知道此回路內(nèi)磁通量的變化。這也就是磁強(qiáng)計的設(shè)計原理，用途之一是用來探測地磁場的變化。2、磁強(qiáng)計的發(fā)展歷史、現(xiàn)狀以及磁強(qiáng)計發(fā)展趨勢[1]~[3]磁場的測量有著悠久的歷史。在我國東漢時期學(xué)者王充的著作《論衡》中就有司南的記載。司南是磁羅盤的雛形,也是最原始的磁場測量儀器。12世紀(jì)初,我國已把磁羅盤用于航海。然而在漫長的幾千年內(nèi),人們只知道磁力及方向。在西方，磁場的測量最早可以追溯到15世紀(jì)。1600年，英國醫(yī)生Gilbert在他的著作中首先用應(yīng)用科學(xué)的方法對磁現(xiàn)象進(jìn)行了系統(tǒng)的探索，同時發(fā)現(xiàn)了地球本身是一個大磁體。1785年，庫倫提出了用磁針在磁場中的自由震蕩周期來確定地磁場的方法。1819年丹麥科學(xué)家奧斯特發(fā)現(xiàn)了電流的磁效應(yīng)。1832年高斯提出了以長度、質(zhì)量、時間為為基礎(chǔ)的絕對測量地磁場強(qiáng)度的方法，由此磁感應(yīng)強(qiáng)度的單位與長度、質(zhì)量和時間的單位建立了一定的關(guān)系,使磁感應(yīng)強(qiáng)度單位成為重要的物理單位。1831年，法拉第發(fā)現(xiàn)了電磁感應(yīng)現(xiàn)象，使磁現(xiàn)象與電現(xiàn)象建立了一定的量的關(guān)系。1873年，英國物理學(xué)家麥克斯韋在他的經(jīng)典著作《論電與?Q》中創(chuàng)立了嚴(yán)密的電磁場理論，從而為電磁場的測量奠定了理論基礎(chǔ)。20世紀(jì)30年代初，出現(xiàn)了利用磁性材料自身磁飽和特性的磁通門磁強(qiáng)計。1946年由布格赫(F.B1ech)和柏塞爾(E.M.PvrceH)同時發(fā)現(xiàn)的核磁共振現(xiàn)象，使磁場測量的精確度可能達(dá)到10?8T；1962年約瑟夫遜(B.D.Josephson)預(yù)言了超導(dǎo)結(jié)的隧道效應(yīng)，并于次年得到實(shí)驗(yàn)的證實(shí)，從而使磁場測量的下限達(dá)到10?15T。近年來，由于有效地利用了自然現(xiàn)象的物理定律和物質(zhì)的物理效應(yīng)，加之半導(dǎo)體和電子技術(shù)的飛速發(fā)展，利用各種磁效應(yīng)進(jìn)行磁場測量的方法有了很大的進(jìn)步，各種磁強(qiáng)計應(yīng)運(yùn)而生例如霍爾磁強(qiáng)計、磁通門磁強(qiáng)計、磁阻效應(yīng)磁強(qiáng)計、磁敏效應(yīng)磁強(qiáng)計、磁光效應(yīng)磁強(qiáng)計、超導(dǎo)量子干涉磁強(qiáng)計等測。目前比較成熟的磁場測量方法有:磁力法、電磁感應(yīng)法、磁飽和法、電磁效應(yīng)法、磁共振法、超導(dǎo)效應(yīng)法和磁光效應(yīng)法等。依據(jù)這些方法,相繼實(shí)現(xiàn)了不同原理的各種磁強(qiáng)計。到目前為止,磁場測量的范圍已達(dá)到10?15～103T。隨著現(xiàn)代科技的進(jìn)步，磁強(qiáng)計的應(yīng)用越來越廣泛，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于地球物理、空間技術(shù)、軍事工程、工業(yè)、生物學(xué)、醫(yī)學(xué)、考古學(xué)等許多領(lǐng)域。隨著磁場應(yīng)用范圍的不斷拓展,為滿足特定工作環(huán)境內(nèi)磁場的測量、強(qiáng)磁場及超強(qiáng)磁場的測量、弱磁場及微弱磁場的測量,以及間隙磁場和不均勻磁場的測量需求,必須尋求和應(yīng)用新效應(yīng)、新現(xiàn)象、新材料和新工藝,進(jìn)一步提高磁場測量儀器的水平,更新和發(fā)展精密的磁場測量儀器,如今磁強(qiáng)計正向著高準(zhǔn)確度、高穩(wěn)定度、高分辨率、微小型化、數(shù)字化和智能化的方向發(fā)展。3、磁強(qiáng)計的分類按照磁強(qiáng)計的發(fā)展歷史和物理原理，磁強(qiáng)計可以分為三代：（1）、第一代磁強(qiáng)計：利用永磁體與磁場之間的相互力矩作用原理或者利用感應(yīng)線圈和輔助機(jī)械裝置制作例如：機(jī)械式磁強(qiáng)計，感應(yīng)式航空磁強(qiáng)計。（2）、第二代磁強(qiáng)計：根據(jù)核磁共振特征，高磁導(dǎo)率軟磁合金的磁通門原理，利用復(fù)雜的電子線路制作，如核磁共振磁強(qiáng)計、磁通門磁強(qiáng)計等。（3）、第三代磁強(qiáng)計：根據(jù)量子效應(yīng)原理制作，如核子旋進(jìn)磁強(qiáng)計、質(zhì)子磁強(qiáng)計、光泵磁強(qiáng)計、原子磁強(qiáng)計、超導(dǎo)量子干涉磁強(qiáng)計。磁強(qiáng)計還可以按照其他的分類標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分類，比如：按照內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工作原理磁強(qiáng)計可以分為機(jī)械式磁強(qiáng)計和電子式磁強(qiáng)等；按照磁強(qiáng)計所測得地磁參數(shù)和量值可以分為相對測量磁強(qiáng)計和絕對測量磁強(qiáng)計；按照磁強(qiáng)計的使用領(lǐng)域可以分為地面磁強(qiáng)計、航空磁強(qiáng)計、海洋磁強(qiáng)計以及井中磁強(qiáng)計等。4、目前比較成熟的磁強(qiáng)計的原理[1~8]（1）、磁力法磁強(qiáng)計原理：磁力法磁強(qiáng)計是利用被測磁場中的磁化物體或通電線圈與被測磁場之間相互作用的機(jī)械力(或力矩)來測量磁場的一種經(jīng)典方法。按磁力法原理制成的磁場測量儀器可分為磁強(qiáng)計式和電動式的兩類。其中,以可動的小磁針(棒)與被測磁場之間的相互作用使磁針偏轉(zhuǎn)而構(gòu)成的磁場測量儀器,按習(xí)慣叫法稱為“磁強(qiáng)計”。這種磁強(qiáng)計可以把磁場的測量直接歸結(jié)為對磁針在所處水平面內(nèi)運(yùn)動的振蕩周期和偏轉(zhuǎn)角的測量。利用磁強(qiáng)計能夠測量較弱的均勻、非均勻以及變化的磁場,其分辨力可達(dá)10?9T以上。而利用通電線圈與被測磁場之間相互作用使線圈偏轉(zhuǎn)的原理構(gòu)成的電動法磁場測量儀器。（2）、感應(yīng)線圈（電子積分器）式磁強(qiáng)計原理：電磁感應(yīng)法是以法拉第電磁感應(yīng)定律為基礎(chǔ)的磁場測量方法,其應(yīng)用十分廣泛,.隨著電子積分器和電壓?C頻率變換器應(yīng)用于以此法的實(shí)現(xiàn),其測量磁場的范圍已擴(kuò)大為10?13～103T,測量準(zhǔn)確度約為±(0.1～3)%。探測線圈是電磁感應(yīng)法磁強(qiáng)計的傳感器,它的靈敏度取決于鐵心材料的磁導(dǎo)率、線圈的面積和匝數(shù)。根據(jù)探測線圈相對于被測磁感應(yīng)強(qiáng)度的變化關(guān)系,電磁感應(yīng)法可以分為固定線圈法、拋移線圈法、旋轉(zhuǎn)線圈法及振動線圈法。固定線圈法主要用于測量交變磁場,也可測量恒定磁場。由于探測線圈不動,線圈中的感應(yīng)電動勢是由被測磁場的變化引起的。拋移線圈法主要用于測量恒定磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度。當(dāng)把探測線圈由磁場所在位置迅速移至沒有磁場作用的位置時,線圈中感應(yīng)電動勢的積分值與線圈所在位置的磁感應(yīng)強(qiáng)度值成正比。旋轉(zhuǎn)線圈法(又稱測量發(fā)電機(jī)法)和振動線圈法是電磁感應(yīng)法的直接應(yīng)用,它們主要用于測量恒定磁場。（3）、霍爾效應(yīng)磁強(qiáng)計原理：霍爾效應(yīng)，霍爾效應(yīng)是指當(dāng)外磁場垂直于金屬或半導(dǎo)體中流過的電流時,會在金屬或半導(dǎo)體中垂直于電流和外磁場方向產(chǎn)生電動勢的現(xiàn)象。（4）磁阻效應(yīng)磁強(qiáng)計原理：磁阻效應(yīng)，是指某些金屬或半導(dǎo)體材料在磁場中其電阻隨磁場增加而升高的現(xiàn)象。而所謂“磁阻”,就是由外磁場的變化而引起的電阻變化。磁阻效應(yīng)在橫向磁場和縱向磁場中都能觀察到。利用這一效應(yīng),可以很方便地通過測量相應(yīng)材料電阻的變化間接實(shí)現(xiàn)對磁場的測量。磁阻效應(yīng)和霍爾效應(yīng)一樣,都是由作用在運(yùn)動導(dǎo)體中的載流子的洛倫茲力引起的。不同材料的磁阻是不同的?；谏鲜兰o(jì)七十年代問世的薄膜技術(shù),磁阻效應(yīng)磁強(qiáng)計有了很大的發(fā)展，隨之出現(xiàn)的薄膜磁阻效應(yīng)磁強(qiáng)計。伴隨著一些新材料的研制,人們又相繼發(fā)現(xiàn)了巨磁阻(GiantMagneto-resistance―――GMR)效應(yīng)和巨磁阻抗(GiantMagneto-impedance―――GMI)效應(yīng),基于它們的磁測量技術(shù)也得到了較深入的研究。巨磁阻效應(yīng)是指在一定的磁場下電阻急劇減小的現(xiàn)象,一般電阻減小的幅度比通常磁性金屬及合金材料磁電阻的數(shù)值高一個數(shù)量級。以巨磁阻效應(yīng)為基礎(chǔ)制成的超微磁場傳感器。（5）、磁通門磁強(qiáng)計原理：磁通門磁強(qiáng)計利用材料的磁飽和特性制造的磁強(qiáng)計，基于磁調(diào)制原理，即利用在交變磁場的飽和激勵下處在被測磁場中磁芯的磁感應(yīng)強(qiáng)度與被測磁場的磁場強(qiáng)度間呈非線性關(guān)系來測量磁場的方法。這種方法主要用于測量恒定或緩慢變化的磁場;其測量電路稍加改變,也可測量低頻交變磁場。磁飽和法分為諧波選擇法和諧波非選擇法兩類。諧波選擇法就是只考慮探頭感應(yīng)電動勢的偶次諧波(主要是二次諧波),而濾去其它諧波,具體還可細(xì)分為二次諧波選擇法和偶次諧波選擇法。諧波非選擇法是不經(jīng)濾波而直接測量探頭感應(yīng)電動勢的全部頻譜,它又可細(xì)分為幅度比例輸出法和時間比例輸出法。其中幅度比例輸出法因所需測量儀器設(shè)備的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜、穩(wěn)定性較差,沒有得到推廣。近年來,隨著磁通門傳感器應(yīng)用領(lǐng)域的拓展,為滿足磁場“點(diǎn)”測量的需要,利用微機(jī)械技術(shù),如各向異性腐蝕、犧牲層技術(shù)和LIGA工藝以及MEMS技術(shù)制作微型磁通門傳感器,已經(jīng)成為磁通門傳感器構(gòu)建和制造發(fā)展的必然趨勢。目前按基片材料劃分的微型磁通門傳感器主要有三種,分別是利用PCB板、在非半導(dǎo)體(如釩、玻璃等)襯底上以及在半導(dǎo)體材料特別是硅襯底上加工制作的磁通門傳感器。（6）、磁共振磁強(qiáng)計基本原理：塞曼(P.Zee-man)效應(yīng)原理,即在外磁場作用下原子的能級將發(fā)生分裂;如果交變磁場作用到原子上,當(dāng)交變磁場的頻率與原子自旋系統(tǒng)的自然頻率同步時,原子自旋系統(tǒng)便會從交變磁場中吸收能量,這種現(xiàn)象就被稱為磁共振。由于頻率測量可以做到非常準(zhǔn)確,從而,利用磁共振法便可大大提高測量磁場的準(zhǔn)確度。用磁共振原理測量磁場的方法主要有核磁共振(NMR)、順磁共振(EPR)和光泵磁共振等方法。核磁共振法是利用具有角動量(自旋)及磁矩不為零的原子核作共振物質(zhì)(樣品),根據(jù)核激勵方式和樣品的不