車曉芳

(蘭州商學(xué)院，甘肅 蘭州 730020 )

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

一、磁場(chǎng)測(cè)量的方法及其發(fā)展

磁場(chǎng)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(chǎng)，磁體間的相互作用是以磁場(chǎng)為媒介的。磁場(chǎng)是由運(yùn)動(dòng)電荷或變化電場(chǎng)產(chǎn)生的。磁場(chǎng)測(cè)量主要利用磁測(cè)量?jī)x器進(jìn)行，對(duì)磁場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量可以促進(jìn)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，提高為人民物質(zhì)生活水平，帶動(dòng)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，實(shí)現(xiàn)磁測(cè)量的高準(zhǔn)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(jìn)行測(cè)量的儀器可以分為兩類，一類是磁強(qiáng)計(jì)式，第二類就是電動(dòng)式。磁力法是通過被測(cè)磁場(chǎng)中能夠產(chǎn)生電場(chǎng)的物體和被測(cè)磁場(chǎng)之間相互作用的力矩來進(jìn)行磁場(chǎng)測(cè)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(chǎng)測(cè)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(chǎng)測(cè)量?jī)x器叫做“磁強(qiáng)計(jì)”，利用這種磁強(qiáng)計(jì)不僅可以對(duì)磁針處在水平面內(nèi)運(yùn)動(dòng)的震動(dòng)周期和偏轉(zhuǎn)角進(jìn)行測(cè)量，還可以計(jì)量出不規(guī)則的磁場(chǎng)，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，這種測(cè)量磁場(chǎng)的方法已經(jīng)普遍被采用，人們對(duì)磁場(chǎng)測(cè)量?jī)x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(yīng)法

電磁感應(yīng)法是以磁石導(dǎo)電性、導(dǎo)磁性和介電性的差異為物質(zhì)基礎(chǔ)，應(yīng)用電磁感應(yīng)原理[2]，通過觀測(cè)和研究人工或天然形成的電磁場(chǎng)的空間分布和時(shí)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(yīng)法磁強(qiáng)針的傳感器就是探測(cè)線圈，鐵心材料的磁導(dǎo)率、線圈的大小都影響著它的靈敏度。根據(jù)電磁感應(yīng)強(qiáng)度大小的關(guān)系，又可以將電磁感應(yīng)法大致可分為固定線圈法、旋轉(zhuǎn)線圈法、移動(dòng)線圈法和震動(dòng)線圈法。這種測(cè)量方法測(cè)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(cè)磁場(chǎng)中的鐵磁材料磁芯，在交變磁場(chǎng)的飽和激磁下其磁感應(yīng)強(qiáng)度與磁場(chǎng)強(qiáng)度的非線性關(guān)系來進(jìn)行測(cè)量磁場(chǎng)的一種方法。在20世紀(jì)30年代，這種方法就被運(yùn)用于地磁測(cè)量。磁飽和是磁性材料的一種物理特性，指的是導(dǎo)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(chǎng)飽和法可分為諧波選擇法和非選擇法，通過對(duì)被測(cè)磁場(chǎng)的磁場(chǎng)強(qiáng)度呈現(xiàn)的非線性關(guān)系的精密測(cè)量[3]，可以針對(duì)一些弱磁場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量。

(四)電磁效應(yīng)法

電磁效應(yīng)是利用導(dǎo)體或半導(dǎo)體中的電流在磁場(chǎng)作用下產(chǎn)生的電磁效應(yīng)，在磁生電，電生磁這個(gè)反復(fù)的過程中進(jìn)行有效的測(cè)量。日常通用的電磁效應(yīng)有霍爾效應(yīng)跟磁阻效應(yīng)。

霍爾效應(yīng)是指當(dāng)垂直于外磁場(chǎng)方向的電流通過導(dǎo)體時(shí)，在垂直磁場(chǎng)和電流方向的導(dǎo)體兩個(gè)端面之間出現(xiàn)的電勢(shì)差的現(xiàn)象。霍爾效應(yīng)的本質(zhì)是固體材料中的載流子在外磁場(chǎng)運(yùn)動(dòng)的時(shí)候，由于受到洛倫茲力的作用從而使軌跡發(fā)生偏移，同時(shí)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(chǎng)，在載流子受到的洛倫茲力和電場(chǎng)排斥力達(dá)到平衡狀態(tài)時(shí)，就會(huì)在兩側(cè)建立起一個(gè)穩(wěn)定的電勢(shì)差。

磁阻效應(yīng)法是指能夠帶電的導(dǎo)體或半導(dǎo)體的電阻值隨著外磁場(chǎng)的變化而變化的現(xiàn)象。同霍爾效應(yīng)一樣，磁阻效應(yīng)也是由于載流子在磁場(chǎng)中受到洛倫茲力而產(chǎn)生的。當(dāng)磁力與電場(chǎng)排斥力達(dá)到平衡狀態(tài)時(shí)，載流子在兩端就聚集從而產(chǎn)生電場(chǎng)，比電場(chǎng)速度慢的載流子就會(huì)向電場(chǎng)力方向偏移，在比電場(chǎng)速度快的載流子就會(huì)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(qiáng)，這種方法在醫(yī)學(xué)方面應(yīng)用的比較多。

在20世紀(jì)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(cè)量恒定磁場(chǎng)，還可以對(duì)不均勻，變化速度快的磁場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量。薄膜磁阻磁強(qiáng)針的體積小、功耗低、靈敏度高，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，這一技術(shù)還將會(huì)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(cè)量磁場(chǎng)的一種方法，磁共振測(cè)量的對(duì)象一般都是均勻的恒定磁場(chǎng)。固體在恒定磁場(chǎng)和高頻交變電磁場(chǎng)的作用下，在某一頻率附近產(chǎn)生對(duì)高頻電磁場(chǎng)的共振吸收現(xiàn)象，在恒定外磁場(chǎng)作用下固體發(fā)生磁化，固體中的元磁矩都繞外磁場(chǎng)運(yùn)動(dòng)，但是由于存在阻力，這種進(jìn)動(dòng)會(huì)很慢，如果在垂直于外磁場(chǎng)的方向上加一個(gè)高頻電磁場(chǎng)，當(dāng)其頻率跟進(jìn)度頻率一致時(shí)，就會(huì)從交變電磁場(chǎng)中吸收能量維持進(jìn)動(dòng)，由于頻率測(cè)量可以做到非常準(zhǔn)確，所以利用磁共振法可以提高磁場(chǎng)測(cè)量的準(zhǔn)確度。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，磁通門通用的磁強(qiáng)計(jì)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(chǎng)上的進(jìn)度和準(zhǔn)確度得到更大的提升， 在國(guó)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(guó)內(nèi)還首次利用磁通門梯度計(jì)和微機(jī)相結(jié)合，研制了CJX1型肺磁測(cè)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(dòng)補(bǔ)償?shù)卮艌?chǎng)，進(jìn)行輸出力和存儲(chǔ)?？梢钥焖俚拇蛴〕龌颊叩姆未艌D，這將對(duì)早期診斷肺病有著重要的意義。

(六)超導(dǎo)效應(yīng)法

超導(dǎo)效應(yīng)法是利用外部磁場(chǎng)和導(dǎo)體中超導(dǎo)電流間的函數(shù)關(guān)系從而對(duì)恒定磁場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量的一種方法，這種測(cè)量方法的靈敏度和分辨力相當(dāng)高，這一方法不僅可以用來測(cè)量磁通量的變化，同時(shí)還可以測(cè)量到磁場(chǎng)梯度、磁感應(yīng)的強(qiáng)度。超導(dǎo)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(huì)有很大的損耗，而利用超導(dǎo)體則可最大限度地降低損耗，但由于臨界溫度較高的超導(dǎo)體還未進(jìn)入實(shí)用階段，從而限制了超導(dǎo)輸電的采用。隨著技術(shù)的發(fā)展，新超導(dǎo)材料的不斷涌現(xiàn)，超導(dǎo)技術(shù)將會(huì)取得更好的發(fā)展，現(xiàn)有的高溫超導(dǎo)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(duì)超導(dǎo)研究的熱潮。隨著物理、電子及計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，磁場(chǎng)測(cè)量不再局限于原始的磁場(chǎng)測(cè)量，從東漢時(shí)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(chǎng)測(cè)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(dǎo)現(xiàn)象，在當(dāng)時(shí)掀起了一股“超導(dǎo)”的研究熱潮，點(diǎn)接觸的 RF SQUID技術(shù)的研發(fā)使得這一技術(shù)應(yīng)用于液氮溫區(qū)的磁通測(cè)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(dǎo)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(xué)等單位利用直流濺射法研發(fā)的DC SQUID，隨著人們對(duì)“超導(dǎo)”熱潮的研究，SQUID技術(shù)已經(jīng)取得相當(dāng)好的成就。

二、磁場(chǎng)測(cè)量技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域

(一)在國(guó)防和軍事中的應(yīng)用

隨著科技、軍事的不斷發(fā)展，在國(guó)防和軍事方面，采用磁測(cè)量技術(shù)是相當(dāng)必要的。我國(guó)集中人力、物力、財(cái)力對(duì)磁的測(cè)量進(jìn)行大規(guī)模的研究，加深在國(guó)防和軍事方面的磁測(cè)量工作，有助于國(guó)家經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和安定。

(二)在人造衛(wèi)星宇宙工程方面的應(yīng)用

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，在人造衛(wèi)星中采用磁通門法、超導(dǎo)量子干涉法對(duì)微型外層空間以及星際磁場(chǎng)進(jìn)行測(cè)試，便于對(duì)人造衛(wèi)星和火箭發(fā)射的控制。通過磁通門法、感應(yīng)線圈法可以更好的測(cè)量空間磁場(chǎng)，通過對(duì)空間磁場(chǎng)的了解，可以更好的在地震預(yù)測(cè)、指針勘察等方面進(jìn)行研發(fā)工作，及時(shí)的了解一些地質(zhì)災(zāi)害，提早的做好防災(zāi)工作。

(三)在工業(yè)方面的應(yīng)用

在進(jìn)行磁場(chǎng)測(cè)量時(shí)由于磁場(chǎng)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(yīng)用，如數(shù)字式羅盤、交通車輛檢測(cè)、導(dǎo)航系統(tǒng)、偽鈔檢別、位置測(cè)量等。利用磁通門法和光泵法制成的儀器可以探測(cè)地下管道及電纜接頭，通過電勢(shì)差的方法在信號(hào)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(cè)器、各種電負(fù)載的電流檢測(cè)以及發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和曲轉(zhuǎn)角度傳感器等方面應(yīng)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(xué)和醫(yī)學(xué)方面的應(yīng)用

加大對(duì)生物和人周圍的環(huán)境磁場(chǎng)可以提高人類生活環(huán)境的質(zhì)量，加強(qiáng)對(duì)生物周圍磁場(chǎng)的測(cè)量可以利用磁化水促進(jìn)農(nóng)作物的生長(zhǎng)，為有機(jī)生物的成長(zhǎng)提供更好的環(huán)境。

三、結(jié)語(yǔ)

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，人們?cè)诖艤y(cè)量技術(shù)上面的研究也日益突出，磁性材料的發(fā)展，磁測(cè)量的應(yīng)用和磁場(chǎng)測(cè)量方法的更新，使得研究者對(duì)磁測(cè)量技術(shù)的要求也越來越高，尤其是在對(duì)磁測(cè)儀器測(cè)量的精度、分辨力、靈敏度。因此在科學(xué)技術(shù)發(fā)展的前提下，運(yùn)用新技術(shù)，探討新的磁效應(yīng)，制定新的磁傳感器，利用科學(xué)的判斷方法進(jìn)行測(cè)量有助于提高技術(shù)的發(fā)展和更新。進(jìn)一步完善各種磁計(jì)量的標(biāo)準(zhǔn)、方法和裝置，才能使測(cè)量在精度上更加優(yōu)化，一個(gè)測(cè)量精度高、測(cè)量范圍寬、測(cè)量對(duì)象廣的自動(dòng)化程度高的測(cè)磁儀器是非常好的，具有針對(duì)性的制作一些滿足各種需要的儀器也勢(shì)在必行。在科技不斷創(chuàng)新的時(shí)代，落后就要挨打，要想不被淘汰，就必須加強(qiáng)對(duì)科技的研發(fā)，不斷結(jié)合自身的條件，引進(jìn)先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)，開展磁測(cè)量基礎(chǔ)理論的研究，建設(shè)一支強(qiáng)有力的科研隊(duì)伍，為實(shí)現(xiàn)我國(guó)科技經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展再添動(dòng)力。

參考文獻(xiàn)：

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