吸引眼球的磁测量工具

　　磁场的测量需要专用的传感器和物理与电子知识。你可以使用多种仪器，包括高斯计、特斯拉计、磁通表和磁力计，这些设备的价格可以很便宜，也可能高达数十万美元。看看哪种传感器能适合您的应用。

　　提示
　　* 所有的磁力计测量的都是 B 场，而不是 H 场。
　　* 用不同传感器测量交流和直流场。
　　* 有些仪器只能作单轴测量。
　　* 霍尔效应传感器具有多功能和良好的分辨率，但它们会随时间和温度而漂移。
　　* 仪器可以很便宜，也可能高达数十万美元。

　　早先海员曾使用天然磁石（磁化的磁铁矿）来探测地球的磁场，这是最早的磁场测量方法之一。今天，数千种的应用都要用到测量磁场。仪器测量的都是 B 场，工程师把它叫做磁通密度，而物理学家则把它叫做磁场。按照美国物理家兼诺贝尔奖获得者 Melvin Schwartz 的说法：“习惯上称 B 为磁感，而 H 为磁场强度。我们反对这种习惯，因为 B 是真实的原始磁场，而 H 是人为的附属概念。”（参考文献 1）

　　AlphaLab 电磁仪器公司是一家诊断与实验室产品供应商，其所有人 Bill Lee 博士说：“磁力计无法区别出磁场间的这种人为的区别，即哪个是由线圈产生的磁场，哪个是线圈再加上内部电流循环，例如线圈内的钢片产生的总磁通密度。钢片中旋转的电子会产生磁场。任何一种磁力计测量的都是总磁通密度，它无法区别出线圈产生的量和铁芯产生的量。”磁场测量的另一个基础问题是测量的到底是直流场还是交流场，还有，你是只在一个轴上测量，还是同时测量多个轴。

　　从医用到军用

　　磁场测量有很多应用。例如，汽车中的传感器利用地球磁场来帮助导航，而路线传感器则检测旁边通过汽车的磁性标记，确定汽车的类型及方向（参考文献 2 和图 1）。在其它应用中，地质学者和地球科学研究人员可以通过精确绘制的磁场，探测铁矿和其它矿产异常。地质学者通过探测岩石中经年累积的隐蔽磁场，可以追踪到地球磁场的变化点或多次的反转（参考文献 3 和图 2）。有些地质学探测采用的是一种磁通计，它是连接到积分器上的一个简单的感应传感器。当研究人员将磁性材料穿过磁通计并通过线圈时，仪器中的积分器计算出直流电场。

　　磁场测量有一种重要的军事用途，那就是探测潜艇。例如，Orion P3C 军用反潜机有一个长长的尾梁，装有远离引擎和其它干扰源的磁力计。磁场测量的其它军事应用还包括在开发测距引信时对小口径炮弹的测量（参考文献 4）。炮弹内的仪器会在炮弹穿过地球磁场时，计算其旋转。由于磁力计知道炮管膛线的圈数比，引信电路就可以计算出弹壳通过的距离，然后在目标点起爆。依靠发射后时间延迟的方法没有这种方法精确，因为弹丸速度会随填充的火药与枪械情况而变化。

　　在工业、科学和医疗领域还有无数的其它应用。工业客户可能只需核准电机上所用磁铁的南北极。磁场传感器供应商 Magnetic Sciences 公司所有人 Paul Elliot 说，输油管安装公司需要对油管作测量，以确保钢材料中没有残留的磁场。很多工业应用都必须测量磁场，以保证磁场强度的稳定，其它工业应用如验证船舶集装箱的辐射磁场是否超过规定限度。

　　磁场测量的科学应用包括对磁盘驱动器读取头的研究。高强度磁场中的材料行为是一个活跃的研究领域，在研究中，经常需要测量常导、室温和超导磁体产生的高密度磁场。

　　磁场测量在医疗方面的最常见应用之一是校准 MRI（磁共振成像）中的磁场均匀度。在一台 MRI 机隧道内的磁场均匀度需达百万分之一量级。灵敏的仪器可以在一个点上测量这种磁场，但更有用的是采用一种排列成弧形的传感器阵，它由 24 至 32 个传感器构成。技术人员在 MRI 机的隧道内旋转这些传感器，使传感器组在一个球上扫过。如果磁场在球面上是均匀的，则球内任何点的均匀度只会更佳。另外，MRI 周围的磁传感器会屏蔽经过的车辆或电梯的磁场。传感器将信号反馈给一只 3D Helmholtz 线圈，该线圈产生一个近似均匀的磁场区，可保证外部场不会影响到 MRI 隧道的内部场。

　　医学研究的另一个领域是人类对我们周围磁场的敏感性。这个领域的研究有较多的争论，因为电力线和电动汽车都会辐射出约 1 mG（毫高斯）的磁场，而地球的磁场是 500 mG。当然，MRI 机器还涉及操作人员健康的问题。传感器分销商与集成商 GMW Associates 销售副总裁 Ian J Walker 称，ICNIRP（国际非电离辐射保护委员会）有关职业静态磁场的指导意见是：连续暴露的磁场为 200 mT（特斯拉）；短时间全身为 2000 mT；手臂与腿的暴露为 5000 mT。他说：“这些场强都很高，也说明了缺乏直流场对生物体作用的证据。”（参考文献 5） [page]

　　在家中用高斯计测量磁场是另一种有价值的应用。60 Hz 电场的家庭经常有接线错误，例如直流接线的中性脚通过地线或水管返回。电流导体距离很远，构成了一个回路，因此它们产生的磁场远大于正常接线的磁场。磁场本身是否会造成损害尚无定论，但最好还是让电源通过墙内电线而不是家里的水管[U2]。

　　检测与“可检测性”

　　多种磁场测量阵列的可用性需要对传感器的广泛选择，以正确地确定磁场的特性（参考文献 6 和图 3）。最基本的一种是一个简单的电感传感器，包括一个有磁芯的线圈。它可以测量交流场，也可以拾取电场。磁芯材料的响应亦限制了传感器可以探测的最高频率。这些类型传感器用于低价的高斯计，通常面向保健市场。

　　电感传感器的最大缺点是它们不能测量直流场。霍尔效应传感器解决了这个问题。霍尔效应传感器会产生一个与磁场强度成正比的输出电压。霍尔效应传感器只工作在一个轴，但供应商可以将三只器件装在一起用于三轴测量，提供足够的信息来探测地球的磁场，或从感兴趣的实际直流场中减掉地球磁场。这些传感器的缺点是会随时间、温度而漂移，因此难以做精密测量。

　　磁通门传感器可指示地球磁场的方向，它也可以测量直流场，并且比霍尔效应器件更灵敏。磁通门传感器采用交流电流扫描导磁磁芯的磁饱和曲线。磁芯的特性决定了需要多少安匝（电流流过一个线圈所产生的磁力）才能达到饱和。磁芯中存在的直流场降低了一个磁力方向上实现饱和所需要的电流量，并增加了当试图沿磁力相反方向驱动磁芯时所需的电流。测量小电流很简单，因此就可能测量小磁场（参考文献 7）。如果你足够快地激励磁通门，它就能很容易地测量 60 Hz 场，以及直到音频范围的其它交流场。

　　德州仪器公司的 Burr-Brown 分公司提供 DRV401 芯片，它可以激励并测量一个磁感式磁力计（与一个磁通门相似）中的线圈响应。将磁芯驱动到某个电流，然后再反转，部件就会建立一个自然振荡。不施加磁场时，振荡的占空比是精确的 50%。当有一个外部场时，占空比会变化，表示出所需加磁场的幅度与方向。这种技术的频率范围可延伸到 100kHz。该芯片为磁产品制造商 Vacuumschmelze 的电流传感器提供磁场检测。

　　大量的磁传感器采用了磁阻原理。磁阻材料会在磁场中改变自己的阻抗。爱尔兰物理学家兼工程师 William Thomson（普遍知道的是 Lord Kelvin）在 1856 年发现了这一现象的理论基础，之后开发了一些技术，用沉积金属的薄膜普及了这些传感器。由于磁场直接改变电阻，这类传感器可以同时测量直流场和交流场，并且由于传感器是阻性的，可以将其用于高频率，这表明它们可以用于磁盘驱动器。这些传感器可以采用 AMR（各向异性磁阻）、GMR（巨磁阻）或 TMR（隧道磁阻）技术。日本物理学家Terunobu Miyazaki 在 1995 年发现，你可以在室温下使用 TMR 技术。由于这一突破，磁盘读写头的制造商用 TMR 传感器达到了现在磁盘所需要的快速响应和高码率。Honeywell 和其它公司的 AMR 传感器获得了从指南针到轮齿检测的广泛应用。

　　例如，Maxim 提供基于 16 bit RISC 微控制器的 MAXQ-7665 智能数据采集系统，它与磁阻传感器接口；它还集成了一个模拟前端、一个可编程增益放大器，以及桥接激励。该器件可在汽车应用中测量方向盘的转向角和牵引控制。Maxim 的资深工程师 Mike Mellor 称，微处理器核心有一个乘法/累加指令，使器件能完成计算与 DSP 型过滤。该器件亦集成了一个 CAN（控制器局域网）总线和 UART。

　　传感器采用测量原子性质的 NMR（核磁共振）技术，因此它们高度精准，你可以用它们作为首要标准。它们的分辨率接近于十亿分之一，其共振是基于氢原子核内一个质子的旋转状态。质子旋进磁力计将水或其它富氢样品放入一个强磁场中，然后使磁场快速衰退，由第二个感应器测量质子的弱共振。地球磁场会产生一个 1.5 kHz 的共振频率。Overhauser 型NMR 传感器用接近 45 MHz 的 RF 能量激励水中的氢原子，传感器吸收共振能量，这个频率与磁场成正比。测量很精确，没有漂移，并且测的是三轴磁场，因为这个作用是无方向性的。但是这些传感器要比其它类型要贵，而且有特有的不足：水在低温下会结冰，毁坏内部容器，GMW Associates 的总裁 Brian Richter 如是说。例如，用户将传感器留在冰雪天的飞机跑道上就会出现此情况。NMR 传感器还要求通过测量容器中的场为统一场，并且它们只用于直流场和慢速交流场。

　　最灵敏的磁力计是 SQUID（超导量子干涉仪器件）。AlphaLab 的 Lee 说：“它们可以很容易检测你大脑或心脏中神经脉冲的磁场。你必须对它们作良好的屏蔽，因为半英里外开过的一辆卡车都会引入更多的磁场。”

　　权衡你的选择

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　　感性测量器件售价不到 300 美元，最为经济（图4）。这些器件用于测量交流源的磁场，如电力线和电机。这些仪器还可以协助寻找断线点，因为遇到断线时磁场会崩溃。感性传感器同时有单轴与三轴版。例如，Sypris Test and Measurement 的 FW Bell 部门提供 4100 系列表，可以测量三轴高于 25 Hz 的交流场。该系列中的一款 Bell-4180 售价为 324 美元。

　　如果你的应用需要高灵敏度，可能希望考虑一种磁通门传感器。例如，Bartington Instruments 的 Mag-03MC 磁通门磁力探头有70?T 到 1000?T 的灵敏度；这种三轴的直流至 3 kHz 仪器精度为 ±0.5%。GMW Associates 的探头价格为 3190 美元，并能与 Mag-03DAM 数字化仪相连接，后者售价为 5750 美元。Mag-03DAM 为这些设备和其它磁力计提供 National Instruments LabView 驱动程序。

　　霍尔效应传感器更通用，而它们的价格（单轴器件为 500美元至 800 美元，而三轴单元大于 1000 美元）也反映了这种特性。FW Bell 5100 系列霍尔效应传感器可测量直流场，有 2% 的精度，可以在 1G 至 20 kG 时测量高达 20 kHz 的频率。5180 型精度为 1.1%，测量频率高达 30 kHz，范围达 30 kG。它还有峰值保持、相对模式，以及模拟与 USB 输出。5180 的售价为 1325 美元，该系列中的另一型号 5170 价格为 985 美元。FW Bell 也制造两款台式仪器。6010 型霍尔效应高斯计售价为 2492 美元，而 7010 单通道高斯计/特斯拉计价格为 4365 美元（图 5）。7010 精度为 ±0.5% dc ±2%，可以同时测量并显示磁通密度、频率、温度、最小值、最大值、峰值和低谷值参数。三通道 7030 型高斯计/特斯拉计售价为 6864 美元。

　　你可以使用 AlphaLab 公司 380 美元的 10000G DC 磁力计，它在 30°F 至 110°F 时对直流与交流测量的总精度为 ±2%（图 6）。该设备有一个伪均方根响应，工作在 45 Hz 至 2000 Hz。另外还有一个高稳定版。磁力计带有一个 NIST（国立标准与技术学会）的可追踪校准证书。Hirst Magnetic Instruments 的高斯计是另外一个系列，它包括霍尔效应 VGM01，通过 RS-232 接口连接到 PC。Metrolab 公司价格 3980 美元的 THM1176 传感器在一个 IC 中集成了三个正交的霍尔效应元件（图 7）。USB 仪器提供 0 至 20T 磁场范围，DC 至 1 kHz 通带，三轴霍尔效应传感器，全部集成在193.54mm3 空间内，一个 USB 接口就先可以与一台售价为 1730 美元的可选 PDA（个人数字助理）相连接。传感器和 PDA 都包括软件，现在可从 GMW Associates 获得。

　　Chen Yang Technologies 的 CYHT-201 可测量直流或交流磁场。该仪器的直流精度为±2%，交流精度为 ±5%，可测量 DC 至 200 kHz 的磁场，有一个 4 位半数字 LCD 屏。该公司也提供价格为 350 美元，带有一个霍尔效应探头的 CYHT-T08A 高斯计。另外还有来自 Tel-Atomic 的手持式特斯拉计。TeslaMeter 2000 价格为 719 美元，带有一个横波探头。霍尔效应器件的测量灵敏度达 2T。直流测量精度为 ±0.5%，交流测量为 ±0.2%。该公司也提供一种 150 美元的同轴探头，并正在开发一种三轴探头。Lake Shore Cryotronics 提供价格为 590 美元的 410 型手持高斯计，用于 0.1G 至 20 kG（0.01 mT 至 2T）的磁场测量。该设备可将测量结果显示为高斯或特斯拉，以及交流或直流场的值，分辨率达 100 mG，功能包括最大值保持、滤波器、相对读数、探头归零和声音报警。DC 满量程精度为 ±0.1%，交流为 5%，频率响应可延伸到 10 kHz。对于需要便宜的小型 DC 高斯计的用户，Carlsen Melton 提供价格为 329 美元的 GM-200A，它能以 2% 的精度测量到 10000G，分辨率小于 1G。一个校准证书价格为 50 美元。

　　在霍尔效应表价格区间的另一端，Group3 Technology 售价 4390 美元的 DTM-151 特斯拉计有 20 bit 分辨率，对直流场或慢交流场都有 ±0.01% 的满量程精度。对那些要求不太高的应用，价格为 2380 美元、有数字线性校正功能的 DTM-133 精度为0.03%，分辨率为 10 ppm，且有 100 ppm/°C 的温度稳定性。两种设备都可自 GMW Associates 买到。由于这些霍尔效应器件的漂移高于 NMR 设备，客户有时要购买一台 NMR 仪器，用于校准这些廉价的霍尔效应表。

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　　Micro Magnetics 的 TMR 传感器可以伸入极小的区域。该公司度量衡项目经理 Ben Schrag 称，片芯尺寸为 1.9 mm×1.9 mm，但用于探测磁场的实际面积只有几个微米见方。他还指出，可以在一个片芯上做出一个传感器阵列，将结果平均以得到更高的灵敏度。STJ-020 磁场微传感器价格为 325 美元，有双极、线性输出，场灵敏度为 5 nT。由于电路只包含电阻，因此该传感器的频率响应高达 5 MHz。较低电阻的传感器频响能超过 100 MHz。

　　Metrolab 的 NMR 型 PT 2025 传感器广泛应用于医疗 MRI 应用（图 8）。该特斯拉计实现了 5 ppm 的绝对精度，以及 0.1T (1mG) 的分辨率，可测量或映射 0.043T 到 13.7T (430G 到 137 kG) 的均匀磁场。可选配的探头复用器能够读出多达 64 个探头。该仪器用于 MRI 和磁能谱仪映射、精密的磁场控制，以及磁传感器校准。PT 2025 仪器用于直流或缓慢的低频率，价格为 20650 美元，可从 GMW Associates 买到。31580 美元的 MFC 3045D-32 NMR 探头阵列也可从 GMW Associates 买到，它扫描一个球形，确定 MRI 场强的一致性。

　　AlphaLab 的直流毫高斯磁力计用磁阻传感器测量微弱的直流磁场。该仪器的分辨率为 0.01 mG (1 nT)，量程为 ±2000 mG (200 mT)。在固定温度下，可重复性为 ±0.01 mG (1 nT)，偏移与增益的温度系数分别小于 0.01 mG/°C 和 0.0015%/°C。价格为 490 美元的设备增益精度为 ±0.5%，表的偏移为 ±0.5 mG。Chen Yang 公司 4.95 美元的 CY-MVF555 磁场指示仪不需要接电，就能直接观察到磁场（图 9）。这种能力可以测出一个磁组件的多个磁极，或指示磁场的均匀度，或围绕一个磁体的边缘磁场。

　　如果你正在寻找北极方向，或水下的潜艇，磁场测量很重要。磁性测量仪器可以检测各种量级的磁场强度。你应知道自己需要测量的是直流场还是交流场，以及单轴与三轴测量的限制，这样有助于完成自己的工作。如果了解了各种传感器和仪器类型的限制，就可以保证以最有性价比的方式，得到一个精确的测量结果。无论你的仪器值 50 美元还是 5 万美元，它都是物理、电子，甚至光学技术的完美结合。

参考文献
1. Schwartz, Melvin, Principles of Electrodynamics, Dover Publications, October 1987, ISBN-10: 0486654931, ISBN-13: 978-0486654935.
2. Caruso, Michael J, and Lucky S Withanawasam, “Vehicle Detection and Compass Applications using AMR Magnetic Sensors,” Honeywell Inc, May 1999.
3. Roach, John, “Why Does Earth’s Magnetic Field Flip?” National Geographic News, Sept 27, 2004.
4. Yoon, Sang-Hee, Seok-Woo Lee, Young-Ho Lee, and Jong-Soo Oh, “A Miniaturized Magnetic Induction Sensor Using Geomagnetism for Turn Count of Small-Caliber Ammunition,” Sensors, July 24, 2006, pg 712.
5. “Guidelines for Limiting Exposure to Time-Varying Electric, Magnetic, and Electromagnetic Fields (Up to 300 GHz),” International Commission on Nonionizing Radiation Protection, 1998, pg 494.
6. Caruso, Michael J; Tamara Bratland; Carl H Smith, PhD; and Robert Schneider, “A New Perspective on Magnetic Field Sensing,” Honeywell Inc, May 1998.
7. Rako, Paul, “Measuring nanoamperes,” EDN, April 26, 2007, pg 42.