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1、磁强计调查总结1、什么是磁强计：磁强计（magnetometer）：通常指的是测量给定方向磁感应强度的仪表。按照全国科学技术名词审定委员会的公布的概念，磁强计：矢量型磁敏感器。用于测定地磁场的大小与方向，即测定航天器所在处地磁场强度矢量在本体系中的分量。是测量磁感应强度的仪器。根据小磁针在磁场作用下能产生偏转或振动的原理制成。而从电磁感应定律可以推出，对于给定的电阻R的闭合回路来说，只要测出流过此回路的电荷q，就可以知道此回路内磁通量的变化。这也就是磁强计的设计原理，用途之一是用来探测地磁场的变化。2、磁强计的发展历史、现状以及磁强计发展趋势 磁场的测量有着悠久的历史。在我国东汉时期学者王充的
2、著作 论衡 中就有司南的记载。司南是磁罗盘的雏形, 也是最原始的磁场测量仪器。 12 世纪初, 我国已把磁罗盘用于航海。然而在漫长的几千年内 ,人们只知道磁力及方向。在西方，磁场的测量最早可以追溯到15世纪。1600年，英国医生Gilbert在他的著作中首先用应用科学的方法对磁现象进行了系统的探索，同时发现了地球本身是一个大磁体。1785年，库伦提出了用磁针在磁场中的自由震荡周期来确定地磁场的方法。1819年丹麦科学家奥斯特发现了电流的磁效应。1832年高斯提出了以长度、质量、时间为为基础的绝对测量地磁场强度的方法，由此磁感应强度的单位与长度、 质量和时间的单位建立了一定的关系 ,使磁感应强度
3、单位成为重要的物理单位。1831年，法拉第发现了电磁感应现象，使磁现象与电现象建立了一定的量的关系。1873年，英国物理学家麦克斯韦在他的经典著作论电与礠中创立了严密的电磁场理论，从而为电磁场的测量奠定了理论基础。20世纪30年代初，出现了利用磁性材料自身磁饱和特性的磁通门磁强计。1946年由布格赫(F.B1ech)和柏塞尔(E.M.PvrceH)同时发现的核磁共振现象，使磁场测量的精确度可能达到10T；1962年约瑟夫逊(B.D.Josephson)预言了超导结的隧道效应，并于次年得到实验的证实，从而使磁场测量的下限达到10T。近年来，由于有效地利用了自然现象的物理定律和物质的物理效应，加之
4、半导体和电子技术的飞速发展，利用各种磁效应进行磁场测量的方法有了很大的进步，各种磁强计应运而生例如霍尔磁强计、磁通门磁强计、磁阻效应磁强计、磁敏效应磁强计、磁光效应磁强计、超导量子干涉磁强计等测。目前比较成熟的磁场测量方法有: 磁力法、 电磁感应法、 磁饱和法、电磁效应法、 磁共振法、 超导效应法和磁光效应法等。依据这些方法, 相继实现了不同原理的各种磁强计。到目前为止, 磁场测量的范围已达到 1010 T。随着现代科技的进步，磁强计的应用越来越广泛，已经广泛应用于地球物理、空间技术、军事工程、 工业、 生物学、 医学、 考古学等许多领域。随着磁场应用范围的不断拓展, 为满足特定工作环境内磁场
5、的测量、 强磁场及超强磁场的测量、 弱磁场及微弱磁场的测量, 以及间隙磁场和不均匀磁场的测量需求, 必须寻求和应用新效应、 新现象、 新材料和新工艺, 进一步提高磁场测量仪器的水平, 更新和发展精密的磁场测量仪器,如今磁强计正向着高准确度、 高稳定度、 高分辨率、微小型化、 数字化和智能化的方向发展。3、磁强计的分类 按照磁强计的发展历史和物理原理，磁强计可以分为三代： （1）、第一代磁强计：利用永磁体与磁场之间的相互力矩作用原理或者利用感应线圈和辅助机械装置制作例如：机械式磁强计，感应式航空磁强计。（2）、第二代磁强计：根据核磁共振特征，高磁导率软磁合金的磁通门原理，利用复杂的电子线路制作，
6、如核磁共振磁强计、磁通门磁强计等。（3）、第三代磁强计：根据量子效应原理制作，如核子旋进磁强计、质子磁强计、光泵磁强计、原子磁强计、超导量子干涉磁强计。磁强计还可以按照其他的分类标准进行分类，比如：按照内部结构和工作原理磁强计可以分为机械式磁强计和电子式磁强等；按照磁强计所测得地磁参数和量值可以分为相对测量磁强计和绝对测量磁强计；按照磁强计的使用领域可以分为地面磁强计、航空磁强计、海洋磁强计以及井中磁强计等。4、目前比较成熟的磁强计的原理（1）、磁力法磁强计 原理：磁力法磁强计是利用被测磁场中的磁化物体或通电线圈与被测磁场之间相互作用的机械力(或力矩)来测量磁场的一种经典方法。按磁力法原理制成
7、的磁场测量仪器可分为磁强计式和电动式的两类。其中, 以可动的小磁针(棒)与被测磁场之间的相互作用使磁针偏转而构成的磁场测量仪器, 按习惯叫法称为 “磁强计” 。这种磁强计可以把磁场的测量直接归结为对磁针在所处水平面内运动的振荡周期和偏转角的测量。利用磁强计能够测量较弱的均匀、 非均匀以及变化的磁场, 其分辨力可达 10T以上。而利用通电线圈与被测磁场之间相互作用使线圈偏转的原理构成的电动法磁场测量仪器。（2）、感应线圈（电子积分器）式磁强计 原理：电磁感应法是以法拉第电磁感应定律为基础的磁场测量方法, 其应用十分广泛,.随着电子积分器和电压频率变换器应用于以此法的实现, 其测量磁场的范围已扩大
8、为 10 10T, 测量准确度约为 ( 0.1 3)%。探测线圈是电磁感应法磁强计的传感器, 它的灵敏度取决于铁心材料的磁导率、 线圈的面积和匝数。根据探测线圈相对于被测磁感应强度的变化关系, 电磁感应法可以分为固定线圈法、 抛移线圈法、 旋转线圈法及振动线圈法。固定线圈法主要用于测量交变磁场, 也可测量恒定磁场。由于探测线圈不动, 线圈中的感应电动势是由被测磁场的变化引起的。抛移线圈法主要用于测量恒定磁场的磁感应强度。当把探测线圈由磁场所在位置迅速移至没有磁场作用的位置时, 线圈中感应电动势的积分值与线圈所在位置的磁感应强度值成正比。旋转线圈法(又称测量发电机法)和振动线圈法是电磁感应法的直
9、接应用, 它们主要用于测量恒定磁场。（3）、霍尔效应磁强计 原理：霍尔效应，霍尔效应是指当外磁场垂直于金属或半导体中流过的电流时, 会在金属或半导体中垂直于电流和外磁场方向产生电动势的现象。（4）磁阻效应磁强计 原理：磁阻效应，是指某些金属或半导体材料在磁场中其电阻随磁场增加而升高的现象。 而所谓“磁阻”, 就是由外磁场的变化而引起的电阻变化。磁阻效应在横向磁场和纵向磁场中都能观察到。利用这一效应, 可以很方便地通过测量相应材料电阻的变化间接实现对磁场的测量。磁阻效应和霍尔效应一样, 都是由作用在运动导体中的载流子的洛伦兹力引起的。不同材料的磁阻是不同的。基于上世纪七十年代问世的薄膜技术, 磁
10、阻效应磁强计有了很大的发展，随之出现的薄膜磁阻效应磁强计。伴随着一些新材料的研制, 人们又相继发现了巨磁阻(Giant Magneto- resistance GMR)效应和巨磁阻抗(Giant Magneto- impedance GMI)效应, 基于它们的磁测量技术也得到了较深入的研究。巨磁阻效应是指在一定的磁场下电阻急剧减小的现象, 一般电阻减小的幅度比通常磁性金属及合金材料磁电阻的数值高一个数量级。以巨磁阻效应为基础制成的超微磁场传感器。（5）、磁通门磁强计原理：磁通门磁强计利用材料的磁饱和特性制造的磁强计，基于磁调制原理，即利用在交变磁场的饱和激励下处在被测磁场中磁芯的磁感应强度与被
11、测磁场的磁场强度间呈非线性关系来测量磁场的方法。这种方法主要用于测量恒定或缓慢变化的磁场; 其测量电路稍加改变, 也可测量低频交变磁场。磁饱和法分为谐波选择法和谐波非选择法两类。谐波选择法就是只考虑探头感应电动势的偶次谐波(主要是二次谐波) , 而滤去其它谐波, 具体还可细分为二次谐波选择法和偶次谐波选择法。谐波非选择法是不经滤波而直接测量探头感应电动势的全部频谱, 它又可细分为幅度比例输出法和时间比例输出法。其中幅度比例输出法因所需测量仪器设备的结构比较复杂、 稳定性较差, 没有得到推广。近年来, 随着磁通门传感器应用领域的拓展, 为满足磁场 “点” 测量的需要, 利用微机械技术, 如各向异
12、性腐蚀、 牺牲层技术和 LIGA工艺以及 MEMS技术制作微型磁通门传感器, 已经成为磁通门传感器构建和制造发展的必然趋势。目前按基片材料划分的微型磁通门传感器主要有三种, 分别是利用 PCB 板、 在非半导体(如钒、 玻璃等)衬底上以及在半导体材料特别是硅衬底上加工制作的磁通门传感器。（6）、磁共振磁强计 基本原理：塞曼( P.Zee-man)效应原理, 即在外磁场作用下原子的能级将发生分裂; 如果交变磁场作用到原子上, 当交变磁场的频率与原子自旋系统的自然频率同步时, 原子自旋系统便会从交变磁场中吸收能量, 这种现象就被称为磁共振。由于频率测量可以做到非常准确, 从而, 利用磁共振法便可大
13、大提高测量磁场的准确度。用磁共振原理测量磁场的方法主要有核磁共振 (NMR)、顺磁共振( EPR)和光泵磁共振等方法。核磁共振法是利用具有角动量(自旋)及磁矩不为零的原子核作共振物质(样品) , 根据核激励方式和样品的不同, 它又可分为核吸收法(强迫核进动)、 核感应法(自由核进动)及章动法(流动水样品)。顺磁共振法是指利用顺磁物质中电子或由抗磁物质中顺磁中心的电子所引起磁共振的方法。光泵磁共振法是利用原子的塞曼效应原理绝对测量弱磁场的一种精密方法, 它是通过光(红外线或可见光)照射物质, 使物质的原子产生往复的能级跃迁, 并最终使原子由低能级升到高能级。（7）、超导量子磁强计（SQUID）原
14、理：约瑟夫逊效应，利用弱耦合超导体中超导电流与外部磁场间的函数关系而测量恒定或交变磁场的一种磁强计, 主要用于测量恒定的弱磁场。其特点是具有极高的灵敏度和分辨力。超导量子干涉器件( SQUID)是超导量子干涉磁强计的主要组成部分, 就其功能来说是一种磁通传感器。SQUID根据所使用的超导材料, 可分为低温超导 SQUID 和高温超导SQUID; 又可根据超导环中插入的约瑟夫森结的个数, 分为直流超导量子干涉器件(DC- SQUID)和交流超导量子干涉器件(RF- SQUID)。直流超导量子干涉器件(DC- SQUID)加有直流偏置, 制成双结的形式;交流超导量子干涉器件(RF- SQUID)由
15、射频信号作偏置, 具体采用的是单结形式。（8）、磁光效应磁强计 原理：基于磁光效应当偏振光通过磁场作用下的某些各向异性介质时, 会造成介质电磁特性的变化, 并使光的偏振面(电场振动面)发生旋转, 这种现象被称为磁光效应。磁光效应法即是利用磁场对光和介质的相互作用而产生的磁光效应来测量磁场的一种方法。根据产生磁光效应时通过介质(样品)的光是透射的还是反射的, 磁光效应具体又有法拉第( Farady)磁光效应和克尔(Kerr)磁光效应之分。磁光效应法可用于恒定磁场、 交变磁场和脉冲磁场的测量。 近年来, 随着基于磁致伸缩效应的光纤微弱磁场传感技术的发展, 光纤磁场测量仪器的灵敏度已可做得很高。（9
16、）震动样品磁强计（VSM） 原理： VSM采用电磁感应原理 ,测量在一组探测线圈中心以固定频率和振幅作微振动的样品的磁矩。对于足够小的样品,它在探测线圈中振动所产生的感应电压与样品磁矩、振幅、振动频率成正比。在保证振幅、振动频率不变的基础上 ,用锁相放大器测量这一电压 ,即可计算出待测样品的磁矩。震动样品磁强计实际上是一种感应线圈式磁强计。综上所述，磁场测量的设备由于测量原理、 测量范围、 应用范围的不同而分很多种，将其特性列下表1所示：6、几种MEMS磁强计的原理工艺及相关单位与传统的磁强计相比，微磁强计具有重量轻、研制周期短、造价低等特点。目前的 MEMS 磁强计主要有霍尔效应式磁强计、磁阻式磁强计、磁通门式磁强计、隧道效应式磁强计、谐振式磁强计等。 （1）、MEMS磁通门式磁强计(MFGM) 研究单位：(1清华大学精密仪器与机械学系；2中国科学与技术大学国家同步
