車曉芳

(蘭州商學院，甘肅 蘭州 730020 )

磁場測量技術(shù)[1]在東漢時期就有記載，司南在那時是最原始的磁場測量，緊接著這一技術(shù)就被運用到航海，為航海家指明方向。隨著科學的發(fā)展，電磁感應、電磁效應等物理原理不斷被人們發(fā)現(xiàn)和研究，從而使得磁場測量技術(shù)得到了飛速發(fā)展。磁場測量技術(shù)應用范圍不斷的拓展，加強了磁場測量技術(shù)在精度和廣度方面的要求。不斷的提高磁場測量技術(shù)，不斷的更新和發(fā)展磁場測量儀器，不斷的發(fā)現(xiàn)和創(chuàng)新才能使磁場測量技術(shù)朝著更好的方向發(fā)展。

一、磁場測量的方法及其發(fā)展

磁場是能夠產(chǎn)生磁力的空間，是一種特殊的物質(zhì)，磁體周圍存在著磁場，磁體間的相互作用是以磁場為媒介的。磁場是由運動電荷或變化電場產(chǎn)生的。磁場測量主要利用磁測量儀器進行，對磁場進行測量可以促進科學技術(shù)的發(fā)展，提高為人民物質(zhì)生活水平，帶動國民經(jīng)濟的發(fā)展，實現(xiàn)磁測量的高準確度、高分辨率、數(shù)字化以及智能化的轉(zhuǎn)變。

(一)磁力法

利用磁力法進行測量的儀器可以分為兩類，一類是磁強計式，第二類就是電動式。磁力法是通過被測磁場中能夠產(chǎn)生電場的物體和被測磁場之間相互作用的力矩來進行磁場測量。這種方法比較古老，是以磁力為原理，在現(xiàn)代，許多的地磁場測量、地磁研究上還在使用這種方法。

通常把能夠使磁針發(fā)生偏轉(zhuǎn)而構(gòu)成的磁場測量儀器叫做“磁強計”，利用這種磁強計不僅可以對磁針處在水平面內(nèi)運動的震動周期和偏轉(zhuǎn)角進行測量，還可以計量出不規(guī)則的磁場，隨著科學技術(shù)的發(fā)展，這種測量磁場的方法已經(jīng)普遍被采用，人們對磁場測量儀器的不斷創(chuàng)新，使得這一技術(shù)得到飛速發(fā)展。

(二)電磁感應法

電磁感應法是以磁石導電性、導磁性和介電性的差異為物質(zhì)基礎(chǔ)，應用電磁感應原理[2]，通過觀測和研究人工或天然形成的電磁場的空間分布和時間(或頻率)的變化規(guī)律，從而尋找解決有關(guān)的各類地質(zhì)問題的一組電法勘查的重要分支方法。電磁感應法磁強針的傳感器就是探測線圈，鐵心材料的磁導率、線圈的大小都影響著它的靈敏度。根據(jù)電磁感應強度大小的關(guān)系，又可以將電磁感應法大致可分為固定線圈法、旋轉(zhuǎn)線圈法、移動線圈法和震動線圈法。這種測量方法測量出來的結(jié)果誤差都比較小。

(三)磁飽和法

磁飽和法是指利用被測磁場中的鐵磁材料磁芯，在交變磁場的飽和激磁下其磁感應強度與磁場強度的非線性關(guān)系來進行測量磁場的一種方法。在20世紀30年代，這種方法就被運用于地磁測量。磁飽和是磁性材料的一種物理特性，指的是導磁材料由于物理結(jié)構(gòu)的限制，所通過的磁通量無法無限增大，從而保持在一定數(shù)量的狀態(tài)。磁場飽和法可分為諧波選擇法和非選擇法，通過對被測磁場的磁場強度呈現(xiàn)的非線性關(guān)系的精密測量[3]，可以針對一些弱磁場進行測量。

(四)電磁效應法

電磁效應是利用導體或半導體中的電流在磁場作用下產(chǎn)生的電磁效應，在磁生電，電生磁這個反復的過程中進行有效的測量。日常通用的電磁效應有霍爾效應跟磁阻效應。

霍爾效應是指當垂直于外磁場方向的電流通過導體時，在垂直磁場和電流方向的導體兩個端面之間出現(xiàn)的電勢差的現(xiàn)象?；魻栃谋举|(zhì)是固體材料中的載流子在外磁場運動的時候，由于受到洛倫茲力的作用從而使軌跡發(fā)生偏移，同時在材料的兩端產(chǎn)生電荷積累，形成與電流方向垂直的電場，在載流子受到的洛倫茲力和電場排斥力達到平衡狀態(tài)時，就會在兩側(cè)建立起一個穩(wěn)定的電勢差。

磁阻效應法是指能夠帶電的導體或半導體的電阻值隨著外磁場的變化而變化的現(xiàn)象。同霍爾效應一樣，磁阻效應也是由于載流子在磁場中受到洛倫茲力而產(chǎn)生的。當磁力與電場排斥力達到平衡狀態(tài)時，載流子在兩端就聚集從而產(chǎn)生電場，比電場速度慢的載流子就會向電場力方向偏移，在比電場速度快的載流子就會向著洛倫茲力方向偏移，這種偏移就睡的載流子的漂移路徑增加，從而使得電阻增加。由于磁阻器件的靈敏性較強，這種方法在醫(yī)學方面應用的比較多。

在20世紀70年代研發(fā)的薄膜技術(shù)，磁阻效用這一方法取得了較大的發(fā)展，這種方法處理不僅能測量恒定磁場，還可以對不均勻，變化速度快的磁場進行測量。薄膜磁阻磁強針的體積小、功耗低、靈敏度高，隨著科學技術(shù)的不斷發(fā)展，這一技術(shù)還將會取得更廣闊的前景。

(五)磁共振法

磁共振法是利用物質(zhì)量子狀態(tài)變化而精密測量磁場的一種方法，磁共振測量的對象一般都是均勻的恒定磁場。固體在恒定磁場和高頻交變電磁場的作用下，在某一頻率附近產(chǎn)生對高頻電磁場的共振吸收現(xiàn)象，在恒定外磁場作用下固體發(fā)生磁化，固體中的元磁矩都繞外磁場運動，但是由于存在阻力，這種進動會很慢，如果在垂直于外磁場的方向上加一個高頻電磁場，當其頻率跟進度頻率一致時，就會從交變電磁場中吸收能量維持進動，由于頻率測量可以做到非常準確，所以利用磁共振法可以提高磁場測量的準確度。隨著科學技術(shù)的不斷發(fā)展，磁通門通用的磁強計已經(jīng)由來的分辨率力1nT左右提高到0.5—0.1nT左右。這種技術(shù)上的革新使得磁場上的進度和準確度得到更大的提升， 在國內(nèi)“七五”期間，磁通門技術(shù)取得了快速發(fā)展，隨著磁通門分辨力的不斷精確，在工業(yè)方面的研究水平也越來越高了，其次，在國內(nèi)還首次利用磁通門梯度計和微機相結(jié)合，研制了CJX1型肺磁測試系統(tǒng)，利用這一技術(shù)不但可以控制病床床面水平位置，還可以自動補償?shù)卮艌?，進行輸出力和存儲?？梢钥焖俚拇蛴〕龌颊叩姆未艌D，這將對早期診斷肺病有著重要的意義。

(六)超導效應法

超導效應法是利用外部磁場和導體中超導電流間的函數(shù)關(guān)系從而對恒定磁場進行測量的一種方法，這種測量方法的靈敏度和分辨力相當高，這一方法不僅可以用來測量磁通量的變化，同時還可以測量到磁場梯度、磁感應的強度。超導材料零電阻的特性可以用來輸電和制造大型磁體。超高壓輸電會有很大的損耗，而利用超導體則可最大限度地降低損耗，但由于臨界溫度較高的超導體還未進入實用階段，從而限制了超導輸電的采用。隨著技術(shù)的發(fā)展，新超導材料的不斷涌現(xiàn)，超導技術(shù)將會取得更好的發(fā)展，現(xiàn)有的高溫超導體還處于必須用液態(tài)氮來冷卻的狀態(tài)，但是這一技術(shù)拉開了對超導研究的熱潮。隨著物理、電子及計算機科學技術(shù)的發(fā)展，磁場測量不再局限于原始的磁場測量，從東漢時期的司南，到用于航海的指南針再到現(xiàn)代的磁通門技術(shù)，磁場測量技術(shù)也取得了顯著的成就。其主要表現(xiàn)在現(xiàn)代磁通門技術(shù)、高溫SQUID技術(shù)。

1986年拜德諾茲和莫拉發(fā)現(xiàn)了鋇鑭銅氧系化合物的高溫超導現(xiàn)象，在當時掀起了一股“超導”的研究熱潮，點接觸的 RF SQUID技術(shù)的研發(fā)使得這一技術(shù)應用于液氮溫區(qū)的磁通測量，結(jié)合SQUID技術(shù)的靈敏度，研究者又研發(fā)了CJ16型液氮超導量子干涉儀，早液氮溫度下，SQUID技術(shù)的噪聲系數(shù)非常小。北京大學等單位利用直流濺射法研發(fā)的DC SQUID，隨著人們對“超導”熱潮的研究，SQUID技術(shù)已經(jīng)取得相當好的成就。

二、磁場測量技術(shù)的應用領(lǐng)域

(一)在國防和軍事中的應用

隨著科技、軍事的不斷發(fā)展，在國防和軍事方面，采用磁測量技術(shù)是相當必要的。我國集中人力、物力、財力對磁的測量進行大規(guī)模的研究，加深在國防和軍事方面的磁測量工作，有助于國家經(jīng)濟的發(fā)展和安定。

(二)在人造衛(wèi)星宇宙工程方面的應用

隨著科學技術(shù)的發(fā)展，在人造衛(wèi)星中采用磁通門法、超導量子干涉法對微型外層空間以及星際磁場進行測試，便于對人造衛(wèi)星和火箭發(fā)射的控制。通過磁通門法、感應線圈法可以更好的測量空間磁場，通過對空間磁場的了解，可以更好的在地震預測、指針勘察等方面進行研發(fā)工作，及時的了解一些地質(zhì)災害，提早的做好防災工作。

(三)在工業(yè)方面的應用

在進行磁場測量時由于磁場磁力的靈敏度，在工業(yè)、交通、儀器儀表、醫(yī)療器械、探礦等領(lǐng)域得到廣泛應用，如數(shù)字式羅盤、交通車輛檢測、導航系統(tǒng)、偽鈔檢別、位置測量等。利用磁通門法和光泵法制成的儀器可以探測地下管道及電纜接頭，通過電勢差的方法在信號傳感器、ABS系統(tǒng)中的速度傳感器、汽車速度表、里程表、液體物理檢測器、各種電負載的電流檢測以及發(fā)動機轉(zhuǎn)速和曲轉(zhuǎn)角度傳感器等方面應用可以更好的提供信息的可信度，使得數(shù)據(jù)更加的合理、精確。

(四)在生物學和醫(yī)學方面的應用

加大對生物和人周圍的環(huán)境磁場可以提高人類生活環(huán)境的質(zhì)量，加強對生物周圍磁場的測量可以利用磁化水促進農(nóng)作物的生長，為有機生物的成長提供更好的環(huán)境。

三、結(jié)語

隨著科學技術(shù)的不斷發(fā)展，人們在磁測量技術(shù)上面的研究也日益突出，磁性材料的發(fā)展，磁測量的應用和磁場測量方法的更新，使得研究者對磁測量技術(shù)的要求也越來越高，尤其是在對磁測儀器測量的精度、分辨力、靈敏度。因此在科學技術(shù)發(fā)展的前提下，運用新技術(shù)，探討新的磁效應，制定新的磁傳感器，利用科學的判斷方法進行測量有助于提高技術(shù)的發(fā)展和更新。進一步完善各種磁計量的標準、方法和裝置，才能使測量在精度上更加優(yōu)化，一個測量精度高、測量范圍寬、測量對象廣的自動化程度高的測磁儀器是非常好的，具有針對性的制作一些滿足各種需要的儀器也勢在必行。在科技不斷創(chuàng)新的時代，落后就要挨打，要想不被淘汰，就必須加強對科技的研發(fā)，不斷結(jié)合自身的條件，引進先進的科學技術(shù)，開展磁測量基礎(chǔ)理論的研究，建設(shè)一支強有力的科研隊伍，為實現(xiàn)我國科技經(jīng)濟的快速發(fā)展再添動力。

參考文獻：

[1]馬平,楊濤,謝飛翔,聶瑞娟.高溫超導量子干涉磁強計的發(fā)展現(xiàn)狀與應用[J].現(xiàn)代儀器， 2010，11(5):25～26.

[2]潘啟軍,馬偉明,趙治華,康軍.磁場測量方法的發(fā)展及應用[J].電工技術(shù)學報，2012，05(3):126～127.

[3]陳林,李敬東,唐躍進,任麗.超導量子干涉儀發(fā)展和應用現(xiàn)狀[J].低溫物理學報，2011，01(11):105～107.