柳月 
1、磁力计概述
磁力计指的是各种用于测量磁场的仪器，也称磁强计、高斯计。在国际单位制中描述磁场的物理量是磁感应强度，单位是特斯拉。由于1特斯拉意味着非常强的磁场，地球科学上常用纳特（nT）来作为测量单位。在早期，电磁领域高斯单位盛行，因此磁力计也称为高斯计。磁感应强度是矢量，具有大小和方向特征，只测量磁感应强度大小的磁力计称为标量磁力计，而能够测量特定方向磁场大小的磁力计称为矢量磁力计。能够测量磁场的物理原理有很多，根据不同原理进行分类，常见的矢量磁力计有磁通门磁力计、磁阻磁力计等。
2、地球磁场
地球的磁场像一个条形磁体一样由磁南极指向磁北极。在磁极点处磁场和当地的水平面垂直，在赤道磁场和当地的水平面平行，所以在北半球磁场方向倾斜指向地面。用来衡量磁感应强度大小的单位是Tesla或者Gauss（1Tesla=10000Gauss）。随着地理位置的不同，通常地磁场的强度是0.4-0.6 Gauss。需要注意的是，磁北极和地理上的北极并不重合，通常他们之间有11度左右的夹角。一个普通的手机喇叭相距2厘米时仍会有大约4高斯的磁场，一个手机马达在相距2厘米时会有大约6高斯的磁场，这一特点使得针对电子设备表面地球磁场的测量很容易受到电子设备本身的干扰。
3、磁通门磁力计
磁通门磁力计是利用某些高导磁率的软磁性材料(如坡莫合金）作磁芯，以其在交直流磁场作用下的磁饱和特性及法拉第电磁感应原理研制的测磁装置。这种磁敏传感器的最大特点是适合在零磁场附近工作的弱磁场进行测量。传感器可做的体积小，重量轻、功耗低，不受磁场梯度影响，测量的灵敏度可达0.01 nT。
3.1磁通门磁力计的物理基础
铁磁性材料的静态磁滞回线，如下图所示。在图中当磁化过程由完全退磁状态开始，若磁化磁场等于零，则对应的磁感应强度也为零。随着磁化磁场H的增大，磁感应强度B亦增大，扭曲线OA段所示。但当H增加到某一值Hs之后，B就几乎不随H的增加而增强，通常将这种现象称作磁饱和现象。开始饱和点所对应的Bs、Hs分别称作饱和磁感应强度和饱和磁场强度。
静态磁滞回线示意图
当H增加到Hs后，如使H逐渐减小下来，磁感应强度也就随之减小下来。但实践证明，一般这种减小都不是按照AO所示的规律减小，而是按照AB所示的轨迹进行，并且当磁场H减小到零时，磁感应强度B并不等于零，也就是说磁感应强度的变化滞后于磁场H的变化，这种现象称为磁滞现象。当H由HS减小到零时，B所保留的值Br被称作最大剩磁，之所以叫最大剩磁是由于H从小于Hs的不同值减小到零，其所对应的剩磁也是不同的，但以H从Hs减小到零时所对应的剩磁Br最大。欲使剩磁去掉，就需加一个与原磁化磁场相反的磁场，如OC段所示。线段OC即表示使磁感应强度B恢复到零时所需要的反向磁场强度，这一场强通常称为矫顽力，并用Hc表示。最大剩磁Br饱和磁感应强度Bs饱和磁场强度Hs及矫顽力Hc是磁性材料的四个重要参数，在设计制造磁力仪器时，必须予以重视。通常磁通门式磁力计使用软磁性材料。所谓软磁性材料，是指那些Hc小的磁性材料，特点是易去磁。软磁性材料在仪器中是工作在周期性变化的磁场（一般为正弦交变磁场）中的，故其磁化过程是周期性进行的，其结果便形成动态磁滞回线（它与上图静态磁滞回线形状大致相同，面积比静态磁滞回线面积大些），由于动态磁滞回线的面积等于反复磁化一周所损耗的能量，所以动态磁滞回线的形状和大小随磁化磁场频率而变。在动态磁场作用下，除磁滞损耗之外，还有涡流损耗和其它损耗。这些损耗均与磁化磁场的频率有关。
磁通门式磁力计设计中所用到的磁滞回线是动态饱和磁滞回线，（即磁滞回线中最大的一条回线）。动态磁滞回线上各点对应的斜率，μd=dB/dH叫做该点的动态导磁率。
磁通门磁力计是利用具有高导磁率的软磁铁芯在外磁场作用下的电磁感应现象测定外磁场的仪器。它的传感器的基本原理是基于磁芯材料的非线性磁化特性。其敏感元件是由高导磁系数、易饱和材料制成的磁芯，有两个绕组围绕该磁芯;一个是激励线圈，另一个则是信号线圈。在交变激励信号f的磁化作用下，磁芯的导磁特性发生周期性饱和与非饱和变化，从而使围绕在磁芯上的感应线圈感应输出与外磁场成正比的信号，该感应信号包含f、2f及其它谐波成分，其中偶次谐波含有外磁场的信息，可以通过特定的检测电路提取出来。
坡莫合金与一般的铁磁性物质比较，具有很高的导磁率(u=dB/dH)，比如国产IJ86型的坡莫合金，起始导磁率u0=150000CGSM单位。很小的矫顽磁力(Hc)和很小的饱和磁场(Hs)，因此坡莫合金的磁滞回线窄而且陡，但是一般的铁磁性物质的磁滞回线宽而且缓，如图2和图3所示。
分析坡莫合金的磁滞迥线可以知道，当外磁场有微弱变化时候，就会引起磁感B的显著变化，可以说磁感应强度B对外磁场H的变化有放大的作用，或者说坡莫合金对外磁场感觉灵敏。由于坡莫合金磁滞迥线所包含的面积很小，可以近似地看成一条曲线，B随H的变化特点就与一般铁磁性物质所表现者有所不同了。
3.2磁通门磁力仪的主要性能
分辨率
磁通门磁力仪的分辨率(对微弱信号变化量的反应能力)相当高，一般可以达到1—10nT，相当于地磁场强度的0.00001—0.0001倍。特殊制造的磁通门磁力仪的分辨率可以达到0.001nT，因此可以用于测量地磁脉动。卫星载磁通门式向量磁力仪的分辨率因量程而异，在测量弱磁场的时候分辨率可以达到0.002nT。限制分辨率的主要因素是电子线路前置放大器的噪声以及探头的灵敏度和噪声。
测量范围
磁通门磁力仪的测量范围是—65000到65000nT之间。为了提高灵敏度和免受磁化产生永久磁场，磁通门磁力仪的探头铁芯由高导磁率软磁材料制作。这些材料的饱和磁场强度Hs只有0.0001T左右。如果待测磁场达到或超过这个强度，激励磁场的调制功能就明显受限，被测磁场更强时，甚至可以将铁芯磁化，必须退磁才能消除剩磁。所以，磁通门磁力仪被认为只适用于弱磁场的测量，
频率响应
磁通门磁力仪频率响应范围大约在10Hz以内，一般适用于测量缓慢变化的稳恒磁场。监测交变，脉动或扰动磁场时，需要特殊制作的磁强计。
4、磁阻磁力计
磁阻磁力计通常采用各向异性磁致电阻（Anisotropic Magneto-Resistance）材料来检测空间中磁感应强度的大小。这种具有晶体结构的合金材料对外界的磁场很敏感，磁场的强弱变化会导致AMR自身电阻值发生变化。在制造过程中，将一个强磁场加在AMR上使其在某一方向上磁化，建立起一个主磁域，与主磁域垂直的轴被称为该AMR的敏感轴，如下图所示，为了使测量结果以线性的方式变化，AMR材料上的金属导线呈45º角倾斜排列，电流从这些导线上流过。由初始的强磁场在AMR材料上建立起来的主磁域和电流的方向有45º的夹角。
AMR材料示意图
45º角排列的导线
当有外界磁场Ha时，AMR上主磁域方向就会发生变化而不再是初始的方向了，那么磁场方向和电流的夹角θ也会发生变化，如下图所示。对于AMR材料来说，θ角的变化会引起AMR自身阻值的变化，并且呈线性关系。
磁场方向和电流方向的夹角
θ-R特性曲线
利用惠斯通电桥检测AMR阻值的变化，如下图所示。R1/R2/R3/R4是初始状态相同的AMR电阻，但是R1/R2和R3/R4具有相反的磁化特性。当检测到外界磁场的时候，R1/R2阻值增加∆R而R3/R4减少∆R。这样在没有外界磁场的情况下，电桥的输出为零；而在有外界磁场时电桥的输出为一个微小的电压∆V。
惠斯通电桥
当R1=R2=R3=R4=R，在外界磁场的作用下电阻变化为∆R时，电桥输出∆V正比于∆R，这就是磁阻磁力计的基本工作原理。
