测磁仪器（测量仪器）

磁力测量仪器的基本原理

早期用于勘探的测量仪器有弦式、尖端机械磁力仪、感应磁力仪等。以及第二代磁力仪，它由高导磁率软磁合金和复杂的电子电路组成，应用核磁共振特性。直到20世纪80年代，提出了质子旋进磁力仪和磁通门磁力仪。质子旋进磁力仪地磁场测量灵敏度达到0.1 nT(CZM-2B型)；光泵磁力仪包括氦跟踪磁力仪和铯自激光泵磁力仪。20年后至90年代，仪器测量灵敏度达到0.003 nT(HC-90机载磁力仪)，地面磁力仪HC-95灵敏度为0.01 nT。根据要求，实验室有航空磁力仪、地面磁力仪、钻孔磁力仪、海洋磁力仪和高灵敏度磁力仪。根据磁力仪测得的地磁场参数及其数值，可分为相对测量仪器(如悬线垂直磁力仪等。即测量地磁场垂直分量Z的相对差)和绝对测量仪器(如质子旋进磁力仪等。测量地磁场总强度的绝对值，也可以测量相对值或梯度值)。4.4.1.1磁通门磁力计坡莫合金是一种高磁导率、低矫顽力的软磁合金。在外磁场的作用下(磁滞延长线窄而陡)，迅速达到饱和磁化，所以磁通门也叫饱和磁力仪。即外部磁场变化很小，感应磁场强度变化很大，仪器非常灵敏。将坡莫合金制成闭合磁路；外部激励磁线圈和信号接收绕组周围的输出脉冲电压与外部磁场成正比。这些磁力仪的种类很多，有航空磁力仪、地面磁力仪、磁化率仪等。4.4.1.2质子旋进磁力仪在一个可以产生磁场的螺线管中充满了富氢液体(如水)。通电产生磁场时，被激发的氢核(质子)自旋产生磁矩，磁矩沿螺旋方向平行排列，出现顺磁宏观磁矩。当垂直于地磁场的螺线管磁场停止时，氢核的宏观磁矩作绕总地磁场强度(F)方向的拉莫尔进动。岁差频率与地磁场(F)的关系是《环境地球物理学概论》中说明，岁差频率F与F成正比，仪器产生激励磁场的线圈也是接收线圈，调谐到岁差频率F，因此，一定强度地磁场中质子岁差的磁矩会在线圈中产生感应电压，这就是地磁场强度信号。4.4.1.3光泵磁力仪的原理是原子在获得能量后被激发，它们从低能级跃迁到高能级。光泵磁力仪利用氦(4He)的原子灯发出波长为1.08m的光，发出与地磁场(被测磁场)同方向的平行光束。通过充满4He的吸收室后，4He吸收1.08微米的光，形成正离子，然后从低能级跃迁到高能级(称为光泵作用)。这些4He原子的磁矩平行排列，形成宏观磁场。磁矩频率f0与地磁场T的关系是对环境地球物理学的介绍。因为公式中的f0远高于(4.4.1)中的F，有利于提高仪器的灵敏度。仪器在吸收室处，加入一个垂直于光入射方向的调制磁场，使入射磁场的频率自动跟踪地磁场的变化，实现自动测量。4.4.1.4超导磁强计是由约瑟夫森于1962年提出的，并通过实验证实了在两块超导体之间夹一层10 ~ 30 A的绝缘层，使超导电子可以畅通无阻地通过，绝缘层两端没有电压降。这个绝缘层被称为超导隧道结

超导磁力仪是20世纪60年代中期利用超导技术发展起来的高灵敏磁力仪。其灵敏度比其他磁力仪高几个数量级(可达10-6nT)，可测量10-3nT的磁场。测量范围宽，磁场频率响应高，观测数据稳定可靠。在地磁学中，用于研究地磁场的扰动。在大地电磁法和电磁法中，用来测量微弱的磁场变化。在岩石物理学中，用于岩石磁学研究。由于该仪器的探头需要低温条件，通常采用杜瓦中的氦气冷却，设备复杂，价格昂贵，目前主要用于实验室。但是，随着超导技术研究的不断进展，相信在不久的将来，它在环境地球物理中的应用会越来越多。

磁测仪器和磁法勘探野外工作方法

(1)磁力仪磁力仪有很多种，大致可以分为两大类，即机械磁力仪和电磁磁力仪。磁法勘探早期主要勘探磁性较强的固体矿产，使用的仪器主要是机械磁力仪(也称磁尺)。机械磁力仪可分为刃口磁力仪和吊线磁力仪两种，每种又可分为垂直磁力仪(测量磁场强度的垂直分量)和水平磁力仪(测量水平分量)。仪器的灵敏度一般为n10nT，主要用于地磁测量。随着磁法勘探研究深度和空间范围的不断扩大，近年来已转向地壳深部和微磁、弱磁地质体的勘探。不仅拓展了磁法勘探在油气藏、地热、煤田等弱磁场领域的应用，在考古、环境污染、灾害预测等方面也有应用。这就要求磁测量仪器具有很高的灵敏度，因此加快了磁测量仪器的发展速度。第一代磁力仪使用永磁体或感应线圈，如机械磁力仪；第二代磁力仪利用高磁导率材料或原子、原子核的特性和复杂的电子电路，如质子旋进磁力仪和光泵磁力仪。第三代磁力仪是利用低温量子效应制成的超导磁力仪。同时，磁参数的综合利用方法也从单一的磁导率参数和磁参数的研究发展到了磁梯度和磁各向异性三个分量的综合研究和利用。在我国，随着质子旋进磁力仪的出现，出现了许多新型磁力仪。

出现了光泵式、感应式、低温超导式和高温超导式磁力仪。随着电子技术和计算机技术的飞速发展，促进了地球物理仪器的更新换代，弱磁测量仪器的灵敏度不断提高（n×10nT，1nT，0.1nT，0.001nT，10-6nT）。高精度的弱磁测量可以带来新的地质信息，取得新的地质效果，促进磁法研究向深层次发展。电磁式（高灵敏度）磁力仪主要包括磁通门磁力仪、质子旋进磁力仪、光泵磁力仪、感应类磁力仪和超导类磁力仪等。这些高灵敏度磁测量仪器由于其工作范围较宽（动态范围大），除可用于微弱磁信号的检测，如航空磁测、海洋磁测和井中磁测外，还可用于对磁测精度要求不高的地面磁法勘探中。下面介绍几种电磁式（高灵敏度）磁力仪。1.质子磁力仪质子旋进又称核子旋进（核旋）、核子（质子）自由旋进。这种磁力仪是核磁共振现象的理论和实验研究所取得的成果在地学仪器中的成功应用。其工作原理是：测磁探头内注有煤油、水、酒精、苯等富含氢原子的溶液，在强磁场的作用下，氢原子核，即质子的磁矩出现顺磁性，呈现宏观磁矩，在强磁场方向下做走向排列，这称为样品的极化。磁场越强，作用时间越长，极化作用越大。垂直地磁场的磁化场停止后，宏观磁矩绕地磁场总强度T做拉莫尔旋进，旋进频率和地磁场T的关系经过换算为T=23.4872f（nT）旋进讯号频率f和T成正比，T越大，讯号越强。目前质子磁力仪的测程一般州握是20000～100000nT。20000nT以下的讯号太弱，测量困难。目前质子旋进磁力仪的灵敏度约为0.1nT。2.光泵磁力仪光泵磁力仪是一种高灵敏度和高精度的磁测设备，它是以元素的原子能级在磁场中产生蔡曼分裂为基础，再加上光泵技术和磁共振技术而制成。现在以氦（He4）光泵磁力仪为例说明其原理。所谓光泵作用，是用氦灯照射气压较低的氦（He4）吸收室，产生亚稳态正氦的原子，这里原子都存在磁矩，光泵作用的结果是使原子的磁矩达到定向排列。对于氦光泵磁力仪而言，磁矩和外磁场F的磁共振频率，有如下关系：F=0.03568426f0（nT）显然，f0的频率比核旋的频率高得多。光泵磁力仪的灵敏度可达0.01nT。3.磁通门磁力仪早期最原始的磁通门磁力仪，是激励线围绕在最里面，外面绕讯号线圈，反馈线圈为单片坡莫合金。这种探头的缺点是基波分量大，所以，后来变成双片的。这种探头，激励线圈顺接，讯号线围绕在外面。所以，没有外磁场存在时，两边的基波分量是抵消的，这就突出了二次谐波分量。必须记住，磁通门只有激励到饱和，才有讯号，讯号和磁场成比例。这种双片的典型探头，现在还在使用。探头后来发展成闭合磁路，就是现在磁通门探头用的。最新研制的磁通门探头如图4-2所示。探头只有一组线圈，激励从两端加入，中心抽头既是讯号，又是反馈。所以，这一组线圈起到激励、讯号、反馈三种作用。如果两边的圈数相等，电感相等，分布电容相等，两边的干扰（包括册段庆基波分燃陆量）可以抵消。所以这种探头灵敏度虽低（2～4μV/nT），但非常稳定，1.8cm的探头，当激励频率为0.1～10Hz，噪声水平在1nT值。若用方波或正弦波激励，噪声水平还可以降低一些。用这种探头做成的磁力梯度仪，已经成功。图4-2 磁通门探头磁通门磁力仪的灵敏率为0.2nT。4.超导量子磁力仪超导磁力仪是现代磁力仪中灵敏度最高的仪器。它是以磁通量子为基准的磁力仪，Φ0称为磁通量量子。有Φ0=h/2e=2.07×10-15（Wb）=2.07×10-2（nT·cm2）（4-7）上式中：e为电子电荷量；h为普朗克常数；Φ0只能取整数。磁通的分辨率高达10-4Φ0。利用超导电性技术、超导量子干涉器件SQUID制成的磁力仪，灵敏度可高达10-6nT，是对零磁测量的最好手段。可以测定心磁、脑磁、神经磁，是生物磁测的有力武器。超导磁力仪的量程也宽，可到几个特斯拉。另一特点是响应频率高，可从零到几十兆赫，所以，可测电磁波的磁分量，在地球物理学中，利用这种特性可制成航空磁梯度仪，可用于大地电磁法和磁测深中。在岩石磁学和古地磁学中，可以测定磁性十分微弱的岩石标本，分辨率为5×10-8电磁单位。这种仪器的探头，需要液氦的低温条件，因此费用昂贵。20世纪末，高温超导弱磁测量也得以开展。高温超导量子干涉器HTcrf·SQUID测弱磁技术已经达到了170fT的水平。超导磁力仪的灵敏度可达0.1pT。5.磁性测定仪器磁性测定有剩磁和感磁。测定剩磁的仪器现在主要是磁通门磁力仪，美国的DSM-1数字旋转式磁力仪，英国的Mini-spin都属于磁通门磁力仪。无定向磁力仪剩磁和感磁都能测。在这里，感磁主要是指磁化率。磁化率测量仪由主机、电源及探头组成。野外探测器呈长杆形，装有振荡电路。振荡电路在长杆末端探头（传感器）的线圈里产生交变磁场，磁场强度较弱，不到100A/m。探头同时又接收处于磁场影响之内的物质返回的信息，而这一信息又是与物质的磁化率成比例的。信息以脉冲的形式传回主机，主机则显示其为磁化率值。主机可接上微机，进行数据处理。野外测量的探头有两种类型：一种探头的传感器做成环形，直径近20cm，与探雷器相似，探测时需接触地面，有效探测深度约10cm；另一种探头的端部为尖形，直径1.5cm，必须与探测目标直接接触，或用钻头在表土上钻一小孔，把探头插入孔中测量。想要测量地表以下更深一点地方介质的磁化率，就需使用另一种野外磁化率测量仪器，它是由发射器、接收器、电子仪器和控制系统组成的。发射器和接收器分别装在水平横杆的两端，它们的中间是电子仪器和控制系统。发射器发射的变化磁场（一次磁场）在地下介质中产生电流，而电流反过来又产生磁场（二次磁场），并为接收器所接收，由此可得磁场的虚、实分量。所谓某磁场分量的虚分量是指该分量与一次磁场相位相差90°时的那部分磁场的振幅，而与一次磁场同相的那部分磁场的振幅，称为实分量。所以前者又称为异相分量，后者又称为同相分量。这种仪器在低频（4kHz左右）工作时，测量实分量，可求得介质的磁化率；而在高频（40kHz左右）工作时，测量虚分量，可求得介质的电导率。横杆的长度可以变化，亦即改变发射器与接收器之间的距离，相应地也就改变了探测的深度。（二）野外工作方法1.测网的布置及野外观测方法磁法勘探一般分为普查、详查和精测三种。野外测网密度主要取决于所探测的目标，由工作比例尺来决定。普查是用于了解区域构造地质特征，划分大的岩体或了解局部构造的位置、范围及产状等，一般采用1∶20万或1∶10万的比例尺布置测网。详查是用来了解构造形态及地质体的分布状况，一般采用1∶5万或1∶1万的比例尺进行工作。精测是为了具体查清某构造或地质体的产状及赋存情况等，一般采用1∶500或1∶5000的比例尺，测点距可加密到2m×5m。布置测网的原则是测线必须大致垂直构造走向和探测体长轴方向，对于近似等轴状探测体的勘探可采用方格网。密度要求一般要有2～3条测线，每条测线要有3～5个点通过异常。磁测精度一般用均方误差来衡量，我国磁测工作采取三级精度标准：高精度，均方误差小于5nT；中精度，均方误差为6～15nT；低精度，均方误差可大于15nT。一个工区的磁测精度，通常都是通过系统重复观测确定的，在非异常区计算均方误差，异常区和磁场梯度大的地区采用平均相对误差。在水文、工程地质工作中，磁测精度要求一般应在中等精度以上。磁测野外工作，由于磁力仪比较轻便，一般采用两人一个台组，在布置好的测网上逐点进行观测。在测区附近必须设立基点观测站，每天在出工和收工时要进行基点测量，其作用是将测区内的观测结果换算到统一的水平（校正）。另外，还应设立日变观测站，以便消除地磁场短周期扰动的影响。基点和日变观测站应选择在干扰噪音小的地方。2.观测结果的整理磁测取得的数据必须进行整理，以求出磁性体在各测点产生的磁异常值。在强磁区工作时，只要算出测点相对于基点的磁场增量就可以认为是测点的异常值。在弱磁区工作或精密磁测时，还要对计算的结果进行各种改正。一般改正的项目有：1）日变改正，目的是消除地磁场日变对观测的影响。2）温度改正，目的是消除因温度变化引起磁力仪性能改变而使读数受到的影响。3）零点改正，目的是消除因仪器性能不稳所产生的零点漂移。在磁测精度要求较低时，上述三项改正可一并考虑，采用“混合改正”，测区较大时，还要进行纬度改正。由于高精度磁测仪器无零点漂移和温度的影响，故无须做温度改正和零点改正。考虑到环境及工程测量中所调查的范围不是太大，一般也不进行纬度改正。最后将改正后的数据绘制成各种图件，如剖面图、剖面平面图、等值线平面图等，以供定性、定量解释时使用。3.航空磁测工作方法简介在航空磁测中，磁力仪装在飞机上，多测量ΔT值，仪器是连续自动记录的。飞行高度、测网密度依工作比例尺不同而定。飞行时首先按基线飞行，然后进入测线飞行。测量结果要进行各项改正（日变、零点漂移、纬度、偏向、零线位置改正等），最后绘制成各种比例尺的ΔT剖面平面图和等值线平面图。

磁敏传感器的工作原理

一， 传统的磁检测中首先被采用的是电感线圈为敏感元件。特点正是无须在线圈中通电，一般仅对运动中的永磁体或电流载体起敏感作用。后来发展为用线圈组成振荡槽路的。 如探雷器， 金属异物探测器，测磁通的磁通计等. (磁通门，振动样品磁强计)。 二, 霍尔传感器 霍尔传感器是依据霍尔效应制成的器件。 霍尔效应：通电的载体在受到垂直于载体平面的外磁场作用时，则载流子受到洛伦兹力的作用， 并有向两边聚集的倾向,由于自由电子的聚集(一边多一边必然少)从而形成电势差， 在经过特殊工艺制备的半导体材料这种效应更为显著。从而形成了霍尔元件。早期的霍尔效应的材料Insb(锑化铟)。为增强对磁场的敏感度,在材料方面半导体IIIV 元素族都有所应用。近年来，除Insb之外，有硅衬底的，也有砷化镓的。霍尔器件由于其工作机理的原因都制成全桥路器件，其内阻大约都在150Ω~500Ω之间。对线性传感器工作电流大约在2~10mA左右，一般采用恒流供电法。 Insb与硅衬底霍尔器件典型工作电流为10mA。而砷化镓典型工作电流为2 mA。作为低弱磁场测量，我们希望传感器自身所需的工作电流越低越好。（因为电源周围即有磁场，就不同程度引进误差。另外，目前的传感器对温度很敏感，通的电流大了，有一个自身加热问题。（温升）就造成传感器的零漂。这些方面除外附补偿电路外，在材料方面也在不断的进行改进。 霍尔传感器主要有两大类，一类为开关型器件，一类为线性霍尔器件，从结构形式（品种）及用量、产量前者大于后者。霍尔器件的响应速度大约在1us 量级。 三，磁阻传感器 磁阻传感器，磁敏二极管等是继霍尔传感器后派生出的另一种磁敏传感器。采用的半导体材料于霍尔大体相同。但这种传感器对磁场的作用机理不同，传感器内载流子运动方向与被检磁场在一平面内。（顺便提醒一点，霍尔效应于磁阻效应是并存的。在制造霍尔器件时应努力减少磁阻效应的影响，而制造磁阻器件时努力避免霍尔效应（在计算公式中，互为非线性项）。在磁阻器件应用中，温度漂移的控制也是主要矛盾，在器件制备方面，磁阻器件由于与霍尔不同，因此，早期的产品为单只磁敏电阻。由于温度漂移大，现在多制成单臂（两只磁敏电阻串联）主要是为补偿温度漂移。目前也有全桥产品，但用法（目的）与霍尔器件略有差异。据报导磁阻器件的响应速度同霍尔1uS量级。 磁阻传感器由于工作机理不同于霍尔，因而供电也不同，而是采用恒压源（但也需要一定的电流）供电。当后续电路不同对供电电源的稳定性及内部噪声要求高低有所不同。 四， 磁敏器件应用的问题 磁敏器件（单元）体积问题： 在磁敏元件作为检测磁场而设计和制造的 ，一般检测的概念是：测量磁场中某一点的磁性。作为点的定义在几何学中是无限小的。在磁场检测中，由于磁场的面积、体积、缝隙大小等都是有限面积（尺寸），因此我们希望磁敏元件之面积与被测磁场面积相比也应该是越小越准确。在磁场成像的技术中，元件体积越小，在相同的面积内采集的像素就愈多。分辨率、清晰度越高。在表面磁场测量与多级磁体的检测中，在磁栅尺中，必然有如此要求。从磁敏元件工作机理看，为提高灵敏度在几何形状处于磁场中的几何尺寸都有相应要求，这与“点”的要求是相矛盾的。在与国外专家技术交流中得知，1999年俄罗斯专家说他们制成了体积0 .6mm得探头（是几个研究所合作搞成的）。美国也有相应的产品，售价约70美元一只。是否是目前最高水平，未见其它报导。 在二维场和三维场的测量中探头的封装垂直度的要求也有很大的难度。>