互动科普

自动精密磁强计

Shawn Carison

1999年1月，我在“业余科学家”专栏上介绍了一种用于检测地球磁场微小涨落的有趣装置。此装置实际上是一台灵敏的扭力天平。两块小的稀土磁铁固定在一根张紧的尼龙丝上，此外还有一块小反射镜也粘在尼龙丝上，反射镜把一束激光向远处的墙反射过去。用其它的磁铁对这台仪器进行零位校准以抵消地球的平均磁场以后，地球磁场的极微小变化就将使稀土磁铁转动，从而使激光束的方向偏折。

这种最初由得克萨斯州奥斯汀的Roger Baker发明的自制磁强计在业余科学家中引起一阵轰动。但是，由于此装置需要不时进行目视观察以收集数据，因此认真说来它并不适合于严肃的科研工作。不过，Baker提出了把他的装置改造为一种研究级仪器的方法。在本期：“业余科学家”专栏上，我很高兴地告诉大家，科罗拉多州福特柯林斯的化学家Joseph A. Diverdi已经出色地回应了这一挑战。

按照Baker的建议，Diverdi把他的磁强计置于一对Helmholtz线圈的中心。此线圈是一种特殊的电磁铁，可以产生极为均匀的磁场。Diverdi还设计了一个能够探测激光束位置的微小移动的探测器，并且开发出一个反馈电路，它可以使线圈中刚好通过强度合适的电流，产生出一个正好抵消外来磁场变化的反磁场。这样，为了保持光束位置不变所需要的电流就反映了磁场的变化。一台个人计算机可以直接通过一个模数转换器记录下这些测量结果。

读者们可以在Diverdi的网站上找到对Baker Diverdi磁强计的完全介绍(网址：www．xtrsystemscom／magnetometer／)。我则利用本专栏来对该装置作一番概略说明，并向读者提供某些诀窍。

在制作Helmholtz线圈时，Diverdi第一步是找两个一模一样的硬纸板筒芯，其直径约为6.5厘米(2.6英寸)，但读者也可以用圆筒形燕麦片容器剪成大一些的筒芯。把两个筒芯互相平行地安装在一个木制底座上，其分开的距离应当等于它们的直径(见图2)。

接着，在电子器材商店购买一卷30号漆包磁导线，并用这种线在每个筒心上整齐均匀地绕上40圈。用一段连续的导线绕制这两个线圈，使得流过它们的电流完全相同，而且两个线圈绕线的方向也要相同，即都是顺时针方向或都是反时针方向。用足量的热胶水把线圈固定好。

Diverdi把两段引线焊到线圈上，并用缩套管使接头绝缘，他用热胶水把缩套管粘在线圈组件的底座上，但要给引线留下一点松动的余地以免在摆弄线圈时引线折断。由于磁场在Helmholtz装置的中心处是最均匀的，因此务必让磁强计的稀土磁铁位于这个位置上。

为了测出激光束位置的微小变化，Diverdi想出了一个巧妙的办法。他把激光束投射在一块小的毛玻璃片，毛玻璃片后面几厘米远的地方放两只硫化镉光电管(Radioshack公司有售，零件号2761657)。玻璃片使激光束分散后照射在光电管上。如果激光束照射在两个光电管之的正中央，那么就有等量的光照射在每只光电管上。然而，只要光束哪怕是稍稍偏转一点，光电管的输出就将有显著的变化。

为了使磁强计不受外来的杂散光线的影响(杂散光线很容易干扰测量结果)，Diverdi用若干层红色的玻璃纸做成一个滤光器，把毛玻璃片覆盖起来。玻璃纸允许红色的激光通过，同时挡住其它多数波长的光线。

Diverdi把激光器、Helmholtz装置(包括磁强计)、调零磁铁以及探测位置的探测器一起安装在一块结实的木制底板上。为了把这一设备同室内磁场环境隔离开来，他又另做了一个木制外壳以便把此仪器安放在室外。首先他做了一个高为0.6米、比木底板略微大一些的木框架，并用钉子把层板钉在框架的四个侧面上。Diverdi还用层板做了一个可以取下的盖子。接着他用四厘米厚的建筑用保温板装在仪器的四壁以及顶盖上，并在四壁的每个角上安一根削尖了的木桩，以把整个外壳固定在土地上。最后他把仪器的所有外表面用透明的丙烯酸密封层盖住以防雨水进入。

你也应当用一个喷射罐(如Touch’n Foam)向所有接头处喷射，使这些接头都被膨胀泡沫保温层密封住。此外，为了防止环境的光线扰乱光电管的测量，还必须使这个仪器的外壳尽量不透光，并且把它的内部涂成漆黑色。

大多数精巧仪器都易受温度变化的影响，因此必须保持在可控制的环境中。由于使一团东两变热比使它冷却容易，科学家们通常给仪器安装一个加热器，使容器内的温度高于其周围环境的温度，从而保持温度的恒定。

Diverdi使用镍铬电热丝和一台计算机风扇做成一个漂亮的自加热器，但一把手持吹风机或许同样能顶用。Diverdi自己也做了个恒温电路。如果加热器只需要几节电池供电的话，那我也要自己动手做恒温电路(关于这种电路请参看本刊令年第四期上的“业余科学家”专栏)。但如果需要交流电(例如在使用吹风的情况下)，则我宁愿买现成的恒温器。康湟狄格州斯丹福的Omega丁程公司(网址www．omega．corn)出售若干种售价不到200美元的高精度温度控制器，有的还具有数字显示和编程调节温度等功能。我建议读者买一个CN8591一T1型温度控制器(售价165美元)，外加一个J型热电偶。把温度控制器和热电偶探头安装在木箱内离加热器产生的热空气流尽量远的地方。如果你在一年中随着季节的变化而定期调节温度的设定档，使容器内的温度在任一季节中都保持在比预期的最高环境温度约高摄氏8度(华氏14度)的水平上，那么你的仪器将消耗较少的电。

Diverdi在远离他的家的地方挖掘出一个不大的浅坑(大约6厘米深)，把他的磁强计部分地埋进坑里。他用一块尺寸比坑大的乙烯塑料片把坑盖住，在塑料片上割出几条缝，然后通过这几条缝把木制外壳的尖桩敲进地里。然后他在一个等边三角形的三个预点的位置上把另外三根尖桩敲进地里(该等边三角形应当位于仪器外壳的内部)，作出一个三点水平面。接着他用花生式包装用塑料泡沫隔开地面，把装有激光器、Helmholtz装置、调零磁铁以及探测位置的探测器等部件的木制底板放在尖桩上。底板是稳定的，但不能防水，因此你必须选择一处具有良好排水能力的地方来安装磁强计。Diverdi还把整个木箱都用一块防水塑料布遮盖起来，以进一步保护仪器免遭风吹雨打。

如果你想用你的家庭计算机监控仪器内部的温度，则可以把热电偶信号从温度控制器的输入中分离出来。不过，首先你必须在每根引线上用一个场效应晶体管(FET)运算放大器——如LF4llCN等具有较低偏置电流的运算放大器——作为缓冲。你可以通过网上购物的方式从克利夫兰的Pi0neer-Standard电子器件公司购得这种放大器，价格为l美元(该公司的网址为Www.pios.com)。

但是热电偶的复杂性令人难以对付，因此，新手应当使用配有内置硬件以解读热电偶信号的模数转换器。奥斯汀的全国仪器公司(网址：www．.ni.com)和俄勒冈州波特兰的Vernier软件公司(网址：www.vernie.corn)出售这类系统。

Diverdi使用他的装置获得了一些给人以深刻印象的结果。如果他的榜样启发你起而仿效，请通过业余科学家协会的网页让广大读者分享你的体验。

[郭凯声／译冉隆华／译]

图1在这台高精度的仪态中，可以通过跟踪一个反射激光来位置的微小变动来监测地球磁场的变化。

图2 Helmholtz装置由两个电磁线圈构成，它们在磁强计周围维持一个均匀的磁场。磁强计的反射镜反射激光柬。

图3探测位置的探测器使用两个光电管探测反射激光束的微小偏移。