磁力儀(magnetometer)是測(cè)量磁場(chǎng)強(qiáng)度和方向的儀器的統(tǒng)稱。測(cè)量地磁場(chǎng)強(qiáng)度的磁力儀可分為絕對(duì)磁力儀和相對(duì)磁力儀兩類。主要用途是進(jìn)行磁異常數(shù)據(jù)采集以及測(cè)定巖石磁參數(shù)，從20世紀(jì)至今，磁力儀經(jīng)歷了從簡(jiǎn)單到復(fù)雜，機(jī)械原理到現(xiàn)代電子技術(shù)的發(fā)展過(guò)程。

磁力儀

磁力儀分類

磁力儀按其內(nèi)部結(jié)構(gòu)及工作原理，大體上可分為：①機(jī)械式磁力儀。如懸絲式磁秤、刃口式磁秤等；②電子式磁力儀。如質(zhì)子磁力儀、光泵磁力儀、磁通門磁力儀等。若從磁力儀使用的領(lǐng)域來(lái)看，它們可分為：地面磁力儀、航空磁力儀、海洋磁力儀以及井中磁力儀。磁力儀按其測(cè)量的地磁場(chǎng)參數(shù)及其量值，可分為：①相對(duì)測(cè)量?jī)x器，如懸絲式垂直磁力儀等，它是測(cè)量地磁場(chǎng)垂直分量的相對(duì)差值；②絕對(duì)測(cè)量?jī)x器，如質(zhì)子磁力儀等，它是測(cè)量地磁場(chǎng)總強(qiáng)度的絕對(duì)值；不過(guò)亦可測(cè)量梯度值。

絕對(duì)磁力儀測(cè)定值的準(zhǔn)確度由儀器本身確定，相對(duì)磁力儀測(cè)定值的準(zhǔn)確度與絕對(duì)磁力儀比測(cè)后才能確定。常用的磁力儀有以下幾種：

1. 地磁感應(yīng)儀。測(cè)量地磁傾角的儀器。它是W.E.韋伯于是1837年根據(jù)電磁應(yīng)原理制成的。測(cè)量精度可達(dá)數(shù)秒。

2. 磁偏計(jì)。測(cè)量地磁偏角的儀器。主要由磁系、懸絲、照準(zhǔn)望遠(yuǎn)鏡和水平度盤等組成。測(cè)量精度可達(dá)數(shù)秒。

3. 石英絲水平強(qiáng)度磁力儀。測(cè)量地磁場(chǎng)水平強(qiáng)度的相對(duì)磁力儀。它是丹麥學(xué)者D.拉庫(kù)爾于1936年根據(jù)扭力矩與磁力矩平衡的原理設(shè)計(jì)制成的。儀器的主要部分是一條精制的石英絲和磁針。這種儀器可供野外地磁測(cè)量使用，也可供地磁臺(tái)作地磁記錄的校正。使用前必須先用絕對(duì)磁力儀對(duì)它的常數(shù)進(jìn)行標(biāo)定。

4. 零點(diǎn)磁秤。測(cè)量地磁場(chǎng)垂直強(qiáng)度的相對(duì)磁力儀。它是拉庫(kù)爾于1942年根據(jù)重力矩與磁力矩平衡的原理，利用兩根磁針間的相互作用制成的。

5. 磁通門磁力儀。測(cè)量地磁場(chǎng)強(qiáng)度和方向的相對(duì)磁力儀。儀器由獨(dú)立的磁通門探頭組合而成。每一個(gè)磁通門探頭能獨(dú)立地探知某一方向上地磁場(chǎng)的強(qiáng)度，把3個(gè)探頭相互垂直地組合在一起，即可同時(shí)測(cè)出地磁場(chǎng)強(qiáng)度的3個(gè)分量。磁通門磁力儀是在第二次世界大戰(zhàn)中為了從飛機(jī)上探測(cè)敵方潛艇而發(fā)展起來(lái)的，已在地磁臺(tái)以及陸地磁測(cè)、航空磁測(cè)、衛(wèi)星磁測(cè)等方面得到廣泛應(yīng)用。

6. 質(zhì)子旋進(jìn)磁力儀。測(cè)量地磁場(chǎng)總強(qiáng)度的絕對(duì)磁力儀。強(qiáng)磁場(chǎng)使水或碳?xì)浠镏械馁|(zhì)子極化，當(dāng)強(qiáng)磁場(chǎng)突然去掉時(shí)，質(zhì)子就以角速度w繞地磁場(chǎng)旋進(jìn)。測(cè)定質(zhì)子的旋進(jìn)頻率即可算出地磁場(chǎng)總強(qiáng)度。這種儀器不怕震動(dòng)，適于裝載在船舶、氣球、飛機(jī)、人造衛(wèi)星等運(yùn)載工具上使用。

7. 光泵磁力儀。根據(jù)光泵作用原理作成的磁力儀。由光泵作用排列好的原子磁矩，在特定頻率的交變電磁場(chǎng)的作用下，將產(chǎn)生共振吸收作用，打亂原子的排列情況。發(fā)生共振吸收現(xiàn)象的電磁場(chǎng)的頻率與樣品所在點(diǎn)的外磁場(chǎng)強(qiáng)度成一比例關(guān)系，故測(cè)定這一頻率就可以測(cè)出外磁場(chǎng)的值。常用的工作元素有：鉀(K39)；銣(Rb87，Rb85)；銫(Cs133)；氦(He4，He3)等。

磁力儀的主要技術(shù)指標(biāo)

技術(shù)指標(biāo)是反映儀器總體性能的技術(shù)參數(shù)，通常包括：靈敏度、精密度、準(zhǔn)確度、穩(wěn)定性、測(cè)程范圍等等。

靈敏度 系指磁力儀反映地磁場(chǎng)強(qiáng)度最小變化的能力（敏感程度），有時(shí)也稱作分辨率。 對(duì)于用數(shù)碼顯示器讀取磁場(chǎng)值的儀器（如質(zhì)子磁力儀），在其讀數(shù)裝置上估讀的最小可辨別的變化，稱為顯示靈敏度（或讀數(shù)能力），如1nT/字，0.1nT/字等。由于儀器有一個(gè)噪聲水平問(wèn)題，因此靈敏度與顯示靈敏度在概念上是有區(qū)別的。

精密度 它是衡量?jī)x器重復(fù)性的指標(biāo)，系指儀器自身測(cè)定磁場(chǎng)所能達(dá)到的最小可靠值。由一組測(cè)定值與平均值的平方偏差表示。在儀器說(shuō)明書中稱為自身重復(fù)精度。

準(zhǔn)確度 系指儀器測(cè)定真值的能力，即與真值相比的總誤差。  在磁法勘探工作中，通常把精密度與準(zhǔn)確度不予區(qū)分，統(tǒng)稱為精度。

質(zhì)子磁力儀的組成與簡(jiǎn)要工作過(guò)程

以CZM-2型質(zhì)子磁力儀為例，該儀器采用集成電路、程序控制，具有體積小、重量輕、數(shù)字顯示、測(cè)程寬、抗干擾能力強(qiáng)、耗電量小、性能穩(wěn)定、精度高等特點(diǎn)，為我國(guó)20世紀(jì)80年代中期的產(chǎn)品。它主要供地面磁測(cè)，日變站，地震預(yù)報(bào)中地磁臺(tái)站的使用。

CZM-2質(zhì)子磁力儀

儀器的組成  質(zhì)子磁力儀一般是由儀器主機(jī)、探頭及電池盒三部分組成。主機(jī)采用半密封結(jié)構(gòu)，探頭為全密封結(jié)構(gòu)，采用防磁材料。

質(zhì)子旋進(jìn)頻率的測(cè)量  該磁力儀的量部分主要是能以2×10-5精度測(cè)量質(zhì)子旋進(jìn)訊號(hào)的數(shù)字式頻率計(jì)，其頻率范圍為1360Hz-3040Hz（相對(duì)應(yīng)磁場(chǎng)31942-71401nT）。當(dāng)按動(dòng)一次工作微動(dòng)開(kāi)關(guān)，在程序控制器的控制下，磁化系統(tǒng)開(kāi)始工作，即有磁化電流流經(jīng)探頭，探頭線圈產(chǎn)生n×103A/m的磁化磁場(chǎng)。數(shù)秒后磁化系統(tǒng)關(guān)閉，磁化場(chǎng)消失。質(zhì)子磁矩在地磁場(chǎng)T的作用下旋進(jìn)，切割線圈在探頭中產(chǎn)生感應(yīng)訊號(hào)，適當(dāng)選擇探頭配諧電容C，使其和探頭線圈電感L，諧振在旋進(jìn)頻率f上，可使選頻放大器輸入端獲得最大的訊號(hào)。經(jīng)選頻放大后，送入倍頻器，它將f倍頻128倍，再經(jīng)電子門送入計(jì)數(shù)器，由顯示器直接顯示地磁場(chǎng)T的量值。

幾種光泵磁力儀指標(biāo)對(duì)比

型號(hào)

類

測(cè)量范圍(nT)

分辨率

Absolute Accuracy

Sensitivity

采樣率

Tilt1 range

帶寬

HC2000

氦

30,000-70,000

300fT

3.0pT

15Hz

GB-4A

氦

35,000-70,000

3.6pT

10nT

10Hz

氦

19 000-74 000

74.3fT

10nT

20Hz

P2K

氦

22,302 -78,058

83.1 fT

0.3pT/√Hz

(rms.)

120Hz

G-822A

銫

20,000-100,000

3pT

0.5pT/√Hz

(rms.)

10Hz

G-823A

銫

20,000-100,000

20pT

4pT/√Hz

(rms.)

10Hz

G824A

銫

20,000-100,000

10pT

0.3pT/√Hz

(rms.)

50Hz/1000Hz

GSMP-40 V7

鉀

20,000-100,000

100fT

+/- 0.1 nT

2.5pT/√Hz(rms)

20Hz

SM-5

銫

15 000-105 000

10pT

3pT/√Hz

(rms.)

10Hz

CS-3/CS-L

銫

15,000 -105,000

2.5 nT

0.3 pT√Hz

(rms.) 

鉀

15 000 -100 000 nT

±0.02 nT

0.5 pT√Hz

1 – 1280Hz

15-80o

150 Hz

銫

20 000 - 65 000 nT

±0.2 nT

15 pT√Hz

1-10Hz

±1o

2.5 Hz

光泵磁力儀