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航海仪器

¡基本要求

磁的基础知识/船用磁罗经/磁罗经检查保管与安装/磁罗经自差原理/罗经自差校正

基本要求

1．掌握磁的基本知识和地磁三要素。

2．熟练掌握磁罗经的结构组成及磁罗经的正确使用方法。

3．熟练掌握磁罗经的四个检查与调整项目。

4．掌握自差的特点及自差公式，掌握自差的测定方法，了解自差表的计算方法5．掌握消除自差的基本原则，了解消除自差的方法（顺序）及注意事项

磁的基础知识

一、库仑定律

磁量为m1和m2两磁极所产生的相互作用力为：

F＝K×（m1×m2）/r2

＝（m1×m2）/r2

（在真空，K＝1）

Ø单位磁量：

若在真空中，m1=m2,r=1cm,F=1dyn，则该磁量称为单位磁量

Ø磁场强度H：

在磁场中某点处，单位正磁量所受到的作用力，称为该点的磁场强度

H=m/r2（奥）

Ø磁感应强度

磁感应强度等于磁化场的场强Hº和铁磁体被磁化后产生的附加磁场H´之和，即B=Hº+H´（高）B=µHµ—磁导率

Ø均匀磁场

若在一定范围内各点的场强大小相等，方向平行则称此范围内的磁场为均匀磁场

二、磁铁

1．磁量和磁矩

磁量（m）：

表示磁极的磁性强弱，规定北磁极的磁量为正，反之为负。

磁矩（M）：

表示整根磁棒的磁性大小

M=2ml

磁极：

磁铁磁性最强处，磁极距端点处为L/12

如何保持磁铁磁性：

避免高温振动和恒定磁场干扰；异名极相靠

三、磁铁的磁场

1.磁铁在磁轴延长线上某点场强

单位正磁量位于磁轴延长线上P点，S极在A点作用力为FS＝m/（r-l）2

N极在A点作用力为FN＝－m/（r+l）2

则在A点的场强为：

H1=FN+FS

=m/（r-l）2－m/（r+l）2

=4rlm/（r2-l2）2

当r>>l时，

H1＝2M/r3

H1指向：

由S指向N

2.在磁轴垂直平分线上某点场强

N极和S极在B点作用力FN和FS大小相等，方向对称，即：

FN＝FS＝m/（r2+l2）FN和FS在水平方向上合力为：

H2的指向：

平行于磁铁轴，从N指向S极，当与磁铁中心距离r不变时，位于磁轴延长线上场强比位于磁轴垂直平分线场强大一倍

四.磁性物质的磁化

1.自然界物质按导磁能力可分为：

Ø磁性物质：

铁，镍，钴及其合金等材料，磁导率μ>>1；

Ø非磁性物质：

铜，铝，木，纸，橡胶,等，磁导率μ≈1

Ø磁性物质可被磁化：

磁力线进端，呈现S极；磁力线出端，呈现N极

Ø非磁性物质不能被磁化

2．磁性物质依据其保留磁性程度可分为：

软铁：

可在弱磁场中被磁化，但其磁性不固定，随外界磁化场的变化而变化，矫顽力Hc≤50奥；如船上的隔板等－－－感应船磁

硬铁：

须在较强磁场中磁化，被磁化后可较长期保留磁性，矫顽力Hc﹥50奥。

如船壳体－－－永久船磁

3.磁滞回线

Ø矫顽力Hc：

使B（磁感应强度）减小至零的反向磁场Hc称为矫顽力。

Ø剩磁Br：

当H变为零时，铁磁体所具有的磁感应强度Br称为剩磁。

Ø硬铁：

Br大，Hc大，磁滞回线面积大，Hc通常大于50奥，如碳钢等。

Ø软铁：

Br很小，Hc很小，磁滞回线面积狭小，Hc通常小于几奥，如矽钢等

磁障:

把一个环行软铁放在磁场里，使环面与磁力线平行，则铁环就被磁化，磁力线几乎全部通过铁质部分，铁环的当中部分成为一个磁场强度几乎等于零的区域（如图4－8），若把铁磁物质放在这个区域内，则没有磁感应作用。

这就是铁环对放在环内的物体起了防磁的作用。

五、地磁

1．地磁极

ØN,S地磁极位于地球深处，与地理N，S极不重合。

Ø

地磁极位置不固定，绕地理N，S极缓慢移动。

Ø磁北极具有负磁量磁南极具有正磁量。

Ø磁力线由南指向北

2．地磁要素

Ø地磁总力T：

沿磁力线切线方向。

Ø磁倾角θ：

地磁总力T与水平面之间的夹角，在北纬：

＋θ，在南纬：

－θ

Ø地磁水平分力和垂直分力：

H＝TcosθZ＝Tsinθ

Ø磁差Var：

磁子午面与地理子午面间水平夹角。

有东西磁差之分

Ø磁赤道：

磁倾角θ为零点的连线

Ø地磁三要素：

H，θ，Var

地磁总力的水平分力H，垂直分力Z

磁倾角

磁差Ｖar

地磁要素

地磁极处

磁赤道处

H（指北力）

0

Hmax＝0.4奥

Z

Zmax=0.7奥

0

θ

±90°

0°

Var

变化范围0°－180°

有东西磁差之分

船用磁罗经

一.定义及特点

磁罗经定义：

在罗盘磁针与地磁场相互作用下，罗盘能指向磁北极的航海指向仪器。

特点：

结构简单，性能可靠，不依赖任何外界条件可独立工作。

但受船磁场的影响，罗盘偏离磁北会产生自差。

1997年，IMO通过安装磁罗经的决议，凡大于150总吨以上船舶均应安装:

1）一台标准磁罗经2）一台操舵磁罗经；若标准磁罗经为投影或反射式的，可免装操舵罗经3）标准罗经与操舵位置间有可靠联络手段4）备用一台标准罗经5）正确校正磁罗经自差，并有剩余自差表和自差曲线

磁罗经作用：

指向及定位，与陀螺罗经一起相辅相成保证船舶安全航行

二.分类

按用途与分类分：

Ø标准罗经：

装于驾驶台露天甲板上的船首尾线上，因安装位置较高，受船磁影响小，故称为标准罗经。

Ø操舵罗经：

装于驾驶台内操舵轮的正前方，用于读取船舶航向。

Ø太平（应急）罗经：

装于船尾应急舵前面，用于应急时操舵用。

如装有陀螺罗经则用其分罗经作应急罗经。

Ø救生艇罗经：

每个救生艇内都有一个，供操纵救生艇时用，内有油灯，可用10小时。

按直径分：

　190mm型，165mm型，127mm型

按罗盆内有无液体分：

Ø液体罗经：

罗盆内充满液体，由于液体的阻尼作用，故稳定性好；且由于浮力的作用，减少轴针与轴帽的摩擦力，提高灵敏度。

罗经性能优良，故被广泛使用。

Ø干罗经：

罗盘支在轴针上，当船舶摇摆时罗盘稳定性能差，该种罗经已被淘汰

Ø三.结构

Ø组成:

罗经盆，罗经柜，自差校正器,方位圈

Ø1.罗经柜

Ø罗经柜：

由木料、黄铜或铝合金等非磁性材料制成，用于放置罗经盆和自差校正器。

Ø顶部：

罗经盖

Ø左右两侧：

软铁球或软铁片――象限自差D

Ø减震装置：

常平环，用于放置罗盆

Ø柜内有：

　　佛氏铁－－软（次）半圆自差　　纵磁棒－－半圆自差B　　横磁棒－－半圆自差C　　垂直磁棒－－倾斜自差

2.罗盆:

由盆体、支承液和罗盘组成

罗盘：

　起指向作用，是磁罗经的核心部分。

　组成：

刻度盘、浮室、磁钢和轴帽（支承罗盘）

Ø刻度盘由铜片、云母、环氧玻璃等非磁性材制作，上面刻有0－360度刻度和方向点。

Ø浮室：

为水密空气室以增加罗盘浮力减小轴针与轴帽之间的摩擦力。

Ø轴帽：

轴帽中心处嵌有宝石，轴针尖端由铱金等硬金属制成，以减小与轴帽间的摩擦力。

Ø磁钢：

磁钢轴线与刻度盘0－180度对称平行罗盘磁钢有条形磁棒和环形磁钢两种类型

盆体：

由非磁性的金属材料（铜）制成，用来储存液体。

①分上、下两室，之间用毛细管连通，当温度变化时可调节盆内液体。

②盆内盛液体（45％酒精，55％蒸馏水），减少罗盘的转动摩擦力。

酒精的作用为降低冰点（-26℃）.

③侧面有注液孔：

用于排除罗盆内的气泡。

④前后装有首基线：

供读取航向用

采取防止液体热膨胀冷缩措施

1）罗盆底部为铜皱片

2）罗盆分为上下两室由毛细管连通，通过罗盆内的压力来调节。

为保持罗盆的稳定性

1）降低罗盆的重心，在罗盆底部加配重。

2）罗盆架在常平环上

三.方位圈

1.观测物标方位

观测物标方位时，从照门孔通过照准线观测物标，当测者看到物标、照准线和照门孔三者在一直线上时，即从照准架下的三棱镜中读出黑线所对应的度数就

是物标的罗

2.观测天体方位

观测太阳方位时，使反射镜对准太阳，然后俯仰反射镜，使太阳反射到反光棱镜中，太阳光通过反光棱镜将在罗盘上出现一道很细的光线，该光线所指的刻度就是太阳方位。

测星或测月亮方位时，使照门孔、照准线与黑色反射镜反射的天体成一直线后，在照准架下的棱镜中读出方位。

四.磁罗经自差校正器

类型

放置位置

校正自差

硬铁

垂直磁棒

（Heeling）

罗盆中心正下方垂直铜管内

倾斜自差

纵向磁棒

（Fore&aft）

罗经柜内左右水平纵向架子

半圆自差（纵向硬铁力）

横向磁棒

（Athwardship）

罗经柜内水平横向架子

半圆自差（横向硬铁力）

软铁

软铁球（片）（softironphere

罗经柜左右正横支架上

象限自差

佛氏铁

（Flindersbar）

罗经柜正前方竖直筒内

软铁半圆自差（水平纵向软铁力）

磁罗经检查保管与安装

检查与调整项目

（1）罗盘灵敏度的检查：

应<±0.2°

（2）罗盘磁力的检查（罗盘摆动周期）：

在地极时由于H＝0故无磁力

（3）罗盆内气泡的排除：

主原因是罗盆不水密或浮室进水或毛细管失效。

（4）检查罗盘是否水平：

当目测出罗盘倾斜时罗经就不能用了，原因是浮室进水

（5）方位圈及自差校正器的检查

罗盘灵敏度

Ø该项检查实际上是检查轴针与轴帽间摩擦力的大小；

Ø检查方法：

用小磁铁将罗盘从原平衡位置（原航向）向左和向右分别引偏2－3°，然后移去小磁铁，视罗盘是否恢复原航向；

Ø要求与原航向读数相差小于（3/H）°

罗盘半周期检查

Ø测量罗盘的摆动半周期来检查罗盘磁力大小。

Ø检查方法：

用磁铁将罗盘从原来平衡位置（原航向）分别向左右引偏40°，移去磁铁，用秒表测量罗盘上原航向刻度两次通过首基线的时间即为摆动半周期，取其平均值。

（不小于（2600/H）1/2秒）

罗盆气泡的排除

1）气泡产生的原因：

a.因胶皮垫圈老化导致罗盆密封处漏水；

b.浮室漏水。

2）罗盆内有气泡，会影响观测航向和方位，应及时予以排除。

3）消除气泡方法：

a.先鉴别罗盆内是何种液体；

b.配制相同的液体；

c.注液孔朝上，用注射器注入液体，直至气泡完全消除为止

d.自差校正器的检查

e.1）硬铁校正器：

应无锈，磁棒的极性应与标记相符；

f.2）软铁校正器：

应不含永久性磁性；

g.软铁球：

将球贴近罗经柜原位转动，若基线所指的度数发生了变化，说明软铁球含有永久性磁性。

h.佛氏铁：

船位于东或西航向上，将佛氏铁分段正反向放入筒中，若航向发生变化，说明佛氏铁含有永久磁性.可采用敲击，加热的方法退磁

i.磁罗经的使用注意事项

j.

（1）定期检查罗经的灵敏度和半周期，及时排除气泡。

k.

（2）保持校正器无锈，且磁棒应异名端相靠，避免高温、振动及其它磁场的影响。

l.（3）罗经附近不应放置磁性物体（烟囱6～10m；雷达2～3m），使用者不得带铁器。

m.

（4）不得随意改变罗经柜上校正器的位置。

n.（5）平时要加盖、套好

罗经的安装

Ø首先用尺测量将罗经安放在船首尾面内

Ø利用方位圈，借助位于船首尾内的桅杆和烟囱等目标，校对罗经的基线是否准确

Ø罗经基线误差小于0.º5

磁罗经自差原理

一.自差概念和泊松方程

自差：

指罗北偏离磁北的角度δ。

自差产生的原因：

由船磁力（硬铁船磁力和软铁船磁力）产生。

1.坐标系（右手直角坐标系）：

ox：

向船首为正；

oy：

向右舷为正；

oz：

向下为正。

2．地磁力对罗经的作用

地磁水平分力H和地磁垂直分力Z。

作用于罗盘的这两

个力在罗经坐标轴上的投影为

式中：

X——H在x轴上的投影力；Y——H在y轴上的投影力；——船的磁航向。

因H力和Z力是随磁纬度而变化的，故X力和Y力除了随磁纬度变化外，还随船航向而变化。

3.永久船磁对罗经的作用力

（1）船硬铁力F在三坐标轴上投影力为：

ox：

P

oy：

Q

oz：

R

（2）相对于罗经坐标系，硬铁力的大小和方向固定不变，取决于造船时船首方向及罗经安装位置

3.软铁船磁力对罗经的作用

◆软铁本身没有磁性。

◆船上软铁可分解成纵向，横向和垂直向的软铁杆，它们分别被地磁力投影力X，Y和Z磁化后，才获得磁性，即对罗经产生作用力

◆设纵软铁受X力磁化后产生的力为：

lX

◆横软铁受Y力磁化后产生的力为：

mY

◆垂直软铁受Z力磁化后产生的力为nZ

那么将它们分解在罗经坐标系上为:

泊松方程：

X´＝X+aX+bY+cZ+P

Y´＝Y+dX+eY+fZ+Q

Z´＝Z+gX+hY+kZ+R

其中：

a、d、g为纵软铁系数　　　

b、e、h为横软铁系数　　　

c、f、k为垂直软铁系数

当船造好，罗经安装好后，只要船软铁不改变，这九个系数的符号、大小也不变。

一般地

系数a，e

◆船体结构可分解为很多纵横向软铁因此a，e系数较大；

◆大部分纵横向软铁是沿船首尾和左右舷连续的，因此a，e均为负值；

◆因为横软铁两端磁极比纵向软铁两端磁极至罗经的距离近。

故|e|>|a|。

系数c

船上罗经总是安装在顶甲板的前方，与烟囱较为接近，故系数c较大，且为负值。

系数k

因罗经位置较高，位于罗经下面的垂直软铁较多，故系数k较大，且为正值。

系数g

系数g较小，其符号随罗经安装位置而定

系数b，d，f，h

因船舶结构都是左右舷对称的，所以安装在船首尾面上的罗经系数b，d，f，h都是正负值同时存在，几乎可相互抵消，因此，一般船上的软铁系数b，d，f，h约为零。

因此，泊松方程可简写为：

X´＝X+aX+cZ+P

Y´＝Y+eY+Q

Z´＝Z+gX+kZ+R

二.船舶正平时自差

罗盘平面上作用力

船正平时，只有泊松方程中的X‘和Y’两个力对罗经产生影响，

为避免地磁力X和Y随航向发生变化以及合并性质相同的自差力，把X‘和Y’分别投影到磁子午线上和垂直磁子午线方向上。

在磁子午线上的投影：

在垂直磁子午线上投影为

2.A‘λH力

令Bˊ=Cˊ=Dˊ=Eˊ=0,有:

Hˊcosδ=λH,Hˊsinδ=AˊλH

两式平方相加得:

H’2=λH2+（AˊλH）2可知：

A‘λH力垂直于λH

由A′λH力产生的自差

称为恒定自差

δA=A’

3.B‘λH力

◆

B‘>0，B’λH指向船首。

B‘<0，B’λH指向船尾。

◆δB与罗经航向成正弦函数关系，

◆δB称为半圆自差（航向每变化半个圆自差变号一次）

◆δB随纬度发生变化

◆δB=B'sin'

4.C‘λH力

◆C‘λH指向±90°

◆

C’>0,C‘λH指向右舷

◆C‘<0,C’λH指向左舷

◆δc与罗航向成余弦函数关系

◆δc称为半圆自差

◆δc随纬度发生变化

◆δc＝C'cos'

5.D‘λH力

◆D'λH指向2或2±180°

◆D'>0,D‘λH指向2;

◆D'<0,D‘λH指向2±180°

◆δD不随磁纬度发生变化

δD＝D'sin2

6.E‘λH力

◆E'λH指向2±90°

◆E'>0，E'λH指向2+90°

◆E'<0，E'λH指向2–90°

◆δE随2倍罗航向余弦关系变化

◆δE称为象限自差

◆δE不随磁纬度发生变化

◆δE＝E'cos2'

◆正平时自差自差公式：

◆磁罗经在某航向上的自差应是各种自差的总和，即自差公式：

◆δ＝δA＋δB＋δC＋δD＋δE

◆＝A＋Bsin'＋Ccos'＋Dsin2'+Ecos2'

◆自差公式应用的条件是自差较小

◆要求：

误差小于0.1°时，δ<3°

误差小于0.2°时，δ<5°

三倾斜自差

1.倾斜自差产生原因

船倾斜时，罗盘仍保持水平

磁化软铁的地磁力投影力发生变化，船软硬铁力相对于罗盘的作用方向也发生变化

罗盘水平面上作用力与正平时相比发生了变化

△δi＝δiδ

2.横倾时的自差力和自差

对于装在首尾面的罗经，软铁系数b、d、f、h几乎为零，泊松方程式为：

船向右舷倾斜一角度i后

横向0Yi上Yi=Ycosi+Zsin

垂直0Zi上Zi=Zcosi-Ysini

对Oxiyizi坐标系的泊松方程式为

此时，罗经平面上的作用力为

Ox轴上的作用力：

Xi″=Xi′

Oy轴上的作用力：

Yi″=Yi′cosi-Zi′sini

以Xi′Yi′Zi′代入上式，并略去较小的项得：

Xi″=X+aX+cZ+P

Yi″=Y+eY+Q-（R+kZ-eZ）i

与船正平时的泊松方程相比

多了一个横向附加力﹣[R+（k-e）Z]i令J′=[R+（k-e）Z]/λH有：

Δδi=-J′icos′

相类似的，当纵倾角度为i时，有纵向力比船正平时多了一个附加力﹣[R-（k-a）Z]i倾斜自差为：

Δδi=-J″isin′式中J"=[R+（k-a）Z]/λH

倾斜自差性质

◆随航向变化，N，S航向，横倾自差最大；E，W航向，纵倾自差最大。

◆随船所在磁纬度变化，因J'和J''中H，Z均随磁纬度变化。

◆与船的倾斜角度成正比，通常罗盘均偏向高舷。

因船左右摇摆具有周期性，故倾斜自差不用东或西表示，而用偏向哪一舷来表示。

罗经自差校正

1.校正自差的必要性

Ø自差较大，使用磁罗经航行危险；

Ø由于自差较大，罗盘可能无法克服摩擦力而不能指示方向；

Ø或在某些航向上罗盘出现“呆滞”现象；或在船舶转向后，罗盘大幅度摆动。

2.校正原则

Ø大小相等，方向相反，性质相同

Ø3.需要校正自差的时机：

Ø

（1）磁罗经安装在新船上，或罗经安装位置移动后；

Ø

（2）修船之后（无论大修、中修或小修）；

Ø（3）船舶受到剧烈振动后；如碰撞、搁浅、触礁、炮火袭击、雷击或强电流影响后；

Ø（4）驾驶室周围进行过大面积的电焊，或拆换磁罗经附近的甲板和设备等；

Ø（5）船舶在某一固定航向上停泊一个月以上；

Ø（6）装运大量磁性货物卸货后；

Ø（7）不计恒定自差A，标准罗经自差大于土3°，操舵罗经自差大于土5°时；

Ø（8）在正常情况下，船舶必须每年校正一次磁罗经自差并重新编制自差表。

4.倾斜自差校正

1.校正原理

Ø船倾斜后，罗盘平面上将产生：

横向附加力：

－[R+（k-e）z]i

纵向附加力：

－[R+（k-a）z]i

Ø要抵消纵，横向附加力，可使

R＝0，k＝e，k＝a

Ø若D'＝=0

则a＝e，即可使R＝0，k＝e。

Ø船正平时，Z‘＝Z＋gX＋kZ＋R

若在E，W航向上：

gX＝0，则

Z'EW＝Z＋kZ＋R

Ø在船正平时，调整垂直磁铁，

若使Z'EW中的R=0，k=e则：

Z'EW=Z+eZ=（1+e）Z=（1+a/2+e/2-a/2+e/2）Z

=（λ-λD'）Z=λZ

Ø只要使罗盘的垂直作用力Z'EW=λZ，

即不产生倾斜自差。

2.校正方法

1）船正平时校正方法

Ø将倾差仪置于岸上，无磁性干扰的地

方，离地一米以上，移动滑重，使磁

针水平，测得地磁力Z的格数n。

Ø将倾差仪带回船上，将滑重移至n‘处，n’＝Z‘EW＝λZ＝λn

（λ标＝0.8-0.9λ操＝0.6-0.8）

Ø船正平，航向为E或W，用倾差仪取代罗盆，倾差仪磁针与罗盘磁针在同一水平面上。

Ø调垂直磁铁直至倾差仪磁针水平。

Ø恢复罗盆

Ø2）船摇摆时校正方法：

Ø当船在风浪中航行，若随着船的摇摆，罗盘也左右或前后来回摆动，可直接调整垂直磁铁的位置，直至罗盘稳定为止。

5.半圆自差校正

Ø半圆自差力B'λH＝cZ＋P

C'λH＝fZ＋Q一般船上fZ＝0，近似用佛氏铁消除cZ≈0则

B'λH＝P

C'λH＝Q

Ø

抵消P，Q两力，采用爱利法，即在四个主航向上通过观测自差，用纵横磁铁分别抵消P，Q产生的自差。

1）抵消C'λH＝Q力

1）当＝0°时，

调整横向磁铁使δN=0，

F＝（A'＋E'）λH＋C'λH

令F＝f1＋f2，则f1＝C'λH，

f2＝（A'＋E'）λH

不能用硬铁力f2去抵消

软铁力（A‘＋E’）λH，

为消除多余的f2力，

将船转至＝180°

（2）抵消B'λH＝P力

1）在＝90°

用纵向磁铁力F将自差

δE校为零，即：

F＝（A'－E'）λH＋B'λH

令F＝f1＋f2则f1＝B'λH，

f2＝（A'＋E'）λH

不能用硬铁力f2去抵消

软铁力（A‘–E’）λH，

为消除多余的f2力

将船转至＝270°

2）＝270°

自差δW是由大小

相等，方向相同的软铁力（A‘–E’）λH和硬铁力f2共同产生的

调整纵向磁铁，消除

一半自差，即抵消了硬铁力f2，而仅由纵向磁

铁产生f1力抵消了B'λH力.

3）校正口诀：

东东上，西西上，东西下，西东下口诀中第一字表示自差的东或西；

第二字表示磁棒红端的朝向；

第三字“上”表示磁棒上移或增加磁棒；“下”表示磁棒下移或减少磁棒；口诀亦可简化为：

同名上，异名下。

（4）为节省校正时间，校正自差可采取顺时针或逆时针的顺序。

6.象限自差校正

（1）校正原理

象限自差力D‘λH＝（a-e）H/2

E’λH＝

因商船上，E‘λH约为零，故只消除D'λH力。

●因商船上系数a<0，e<0，且|e|>|a|.故

D'0＝>0。

若校正软铁的象限自差系数

●D1'<0时，当使D'0+D'1＝0，象限自差为零。

●

铁球或软铁片对罗经

产生–a和＋e系数，

其象限自差系数

为：

D'1＝

故满足消除象限

自差的要求。

（2）校正象限自差方法

在校正半圆自差后进行,在两相邻的象限航向上校正

1）＝45°当用软铁力F把自差δNE消除为零时，F＝A‘λH＋D’λH令F＝f1＋f2则f1＝D'λH，f2＝A'λH因f2为象限自差校正力，A‘λH为船磁固定自差力，故f2为多余的力，为去掉f2力，将船转至SE航向

2）＝135°

δSE是由大小相等，方

向相同的多余软铁力f2

和A‘λH力共同产生的

调整校正软铁，去掉一半自差