[科普中國(guó)]-磁力計(jì)

簡(jiǎn)介

在國(guó)際單位制中描述磁場(chǎng)的物理量是磁感應(yīng)強(qiáng)度，單位是特斯拉。由于1特斯拉意味著非常強(qiáng)的磁場(chǎng)，地球科學(xué)上常用納特（nT）來(lái)作為測(cè)量單位，工程上常用的CGS制（厘米-克-秒制）中，單位則是高斯。在早期，電磁領(lǐng)域高斯單位盛行，因此磁強(qiáng)計(jì)也稱為高斯計(jì)。

磁感應(yīng)強(qiáng)度是矢量，具有大小和方向特征，只測(cè)量磁感應(yīng)強(qiáng)度大小的磁強(qiáng)計(jì)稱為標(biāo)量磁強(qiáng)計(jì)，而能夠測(cè)量特定方向磁場(chǎng)大小的磁強(qiáng)計(jì)稱為矢量磁強(qiáng)計(jì)。

原理由于地球重力場(chǎng)相當(dāng)于已知信息，因而當(dāng)載體處于平穩(wěn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，完全可以依靠采集自加表的測(cè)量信息來(lái)推算得到載體除了航向外的其它兩個(gè)姿態(tài)信息，而若將加表與其它傳感器如磁力計(jì)結(jié)合使用，就能實(shí)現(xiàn)在多種運(yùn)動(dòng)情況下測(cè)得完整的載體姿態(tài)信息。1

磁力計(jì)的基本工作原理如下：設(shè)磁力計(jì)三軸磁分量的數(shù)據(jù)為[Mbx Mby Mbz]載體的橫滾角和俯仰角分別為φ 和θ 。則有

式中Xh 為磁力計(jì)在水平方向 X 軸上的分量，Yh 為磁力計(jì)在水平方向 Y 軸上的分量，具體分量的表示如圖

方位角可以根據(jù)上面求得的兩個(gè)分量按下面的公式計(jì)算

其中，?M0 為磁方位角，載體的方位角?M 需要經(jīng)過(guò)磁偏角修正后才能得到，即?M = ?M0 ? ?0
?0 為磁偏角，可以根據(jù)地球磁場(chǎng)模型 WMM2005 以及載體所處的位置查得。

誤差磁力計(jì)是一種可以測(cè)量環(huán)境磁場(chǎng)強(qiáng)度的傳感器，本文正是通過(guò)利用磁力計(jì)測(cè)得磁場(chǎng)強(qiáng)度進(jìn)而得到所需的載體方位角信息。作為一種實(shí)用器件其存在誤差是無(wú)可避免的，目前通常將磁力計(jì)的誤差劃分為自身內(nèi)部誤差、應(yīng)用安裝誤差以及羅差。

自身內(nèi)部誤差磁力計(jì)的自身內(nèi)部誤差有零位誤差、靈敏度誤差和正交誤差。

應(yīng)用安裝誤差當(dāng)將磁力計(jì)安裝于載體上時(shí)沒有實(shí)現(xiàn)磁力計(jì)的坐標(biāo)系與載體坐標(biāo)系相互重合，這就產(chǎn)生了安裝誤差。

羅差因?yàn)殍F磁材料本身的特性會(huì)對(duì)外界磁場(chǎng)產(chǎn)生影響，因此當(dāng)它出現(xiàn)在磁力計(jì)周圍時(shí)必然會(huì)對(duì)其產(chǎn)生影響進(jìn)而引起誤差，我們把這種誤差稱之為羅差。這種影響產(chǎn)生的干擾磁場(chǎng)分為硬鐵磁場(chǎng)和軟鐵磁場(chǎng)。對(duì)于鐵磁材料和電器設(shè)備會(huì)產(chǎn)生硬鐵磁場(chǎng)，其對(duì)磁力計(jì)測(cè)量值的影響等同于在地磁場(chǎng)的測(cè)量值上附加了一個(gè)大小和方向不變的常值偏移。由于受外界磁場(chǎng)影響而產(chǎn)生的磁場(chǎng)稱為軟鐵磁場(chǎng)，其大小和方向會(huì)隨著載體姿態(tài)和位置的變化而變化。

分類能夠測(cè)量磁場(chǎng)的物理原理有很多，根據(jù)不同原理進(jìn)行分類，常見標(biāo)量磁強(qiáng)計(jì)原理有質(zhì)子旋進(jìn)磁強(qiáng)計(jì)，Overhauser磁強(qiáng)計(jì)，堿金屬光泵磁強(qiáng)計(jì)等，常見的矢量磁強(qiáng)計(jì)有磁通門磁強(qiáng)計(jì)、磁阻磁強(qiáng)計(jì)等。主要介紹磁通門磁強(qiáng)計(jì)。

磁通門磁力計(jì)是一種基于軟磁材料磁化飽和時(shí)的非線性特性而工作的一種磁力計(jì)，用以精確測(cè)量大小為千分之一T以下的穩(wěn)定或者低頻交變的磁場(chǎng)，其應(yīng)用范圍涉及空間探索和地球物理等的許多領(lǐng)域。2

是利用鐵磁體磁化時(shí)在飽和區(qū)的非線性來(lái)測(cè)量磁場(chǎng)的裝置，當(dāng)用軟磁材料做成的鐵磁體在磁化時(shí)，由于磁化的非線性，能調(diào)制外場(chǎng)，使得傳感器輸出和外場(chǎng)相關(guān)、相對(duì)調(diào)制磁場(chǎng)頻率的偶次諧波信號(hào)，檢測(cè)偶次諧波的大小就能得到外場(chǎng)的大小。