地磁观测仪器测定的物理量是磁感应强度，SI制计量单位是特斯拉（Tesla）。测量范围通常不大于1×10⁵纳特（nT），灵敏度不低于10nT，甚至可达皮特（pT）或飞特（fT）级。最常用的单位是nT。绝对电磁制（CGSM）的计量单位是高斯（Gs），1T=10000Gs。

1857年，英国物理学家W.汤姆森（W.Thomson）发现了坡莫合金的各向异性磁阻效应，近40年来，据此发展起来的磁阻传感器，广泛应用于各个领域，测量地磁场的灵敏度优于10纳特。

最早用于在野外条件下观测地磁场相对变化并达到nT级的仪器出现于20世纪初。1915年阿道夫·施密特刃口式磁秤问世，30年代末出现凡斯洛悬丝式磁秤，此后逐步完成的磁变仪、偏角磁力仪、标准磁经纬仪和测定标本的无定向磁力仪等基于永久磁铁和地磁场之间相互作用制成的磁力仪，又称机械磁力仪。直到60～70年代，成为地面磁法勘探及台站观测的主要仪器设备。

1936年，美国科学家H.阿申布雷纳（H.Aschenbrenner）和G.古博（G.Goubau）基于高导磁率磁性材料磁饱和特性和电磁感应原理，发明了磁通门磁力仪（又称饱和式磁力仪）。第二次世界大战期间曾用于潜艇探测，后在航空磁测、航磁补偿、地面磁测、磁偏角测量、磁倾角测量以及军工探测、卫星磁测中得到广泛应用。

1950年，法国物理学家A.卡斯特勒（A.Kastler）首次提出光泵效应。60年代，先后研制成功氦光泵磁力仪、铷和铯光泵磁力仪。90年代，采用半导体激光器做光源的光泵磁力仪向更高灵敏度、小型化、微型化方向发展，如全光原子磁力仪的灵敏度可达10^-13特斯拉。光泵磁力仪是航空磁测的主要仪器。派生出的光泵磁梯度仪在UXO探测等领域有很好的效果。结合微机电系统（MEMS）技术的原子磁力仪的传感器体积已经可以做到1厘米³，甚至只有一粒米大小。

1954年，美国科学家M.E.帕卡德（M.E.Packard）和R.H.瓦里安（Russell H.Varian）发明了测量地磁场总强度绝对值的质子磁力仪，随着微电子学的应用，自70年代起，成为地面磁测和台站观测应用最成熟和广泛的仪器。

1960年，美国科学家L.赫尔维茨（L.Hurwitz）和J.H.尼尔森（J.H.Nelson）用亥姆霍兹线圈补偿掉H或Z分量，制成分量质子磁力仪，用以测量地磁场的垂直分量或水平分量。

1987年，中国科学家朱经武和赵忠贤等人发现了转变温度高于液氮温区（77K）的高温超导材料。2002～2003年，澳大利亚和中国研制出野外高温超导磁力仪，用于瞬变电磁法。

机械磁力仪的核心部件是一根圆柱形磁棒，其轴线可以在垂直磁子午面的平面内摆动，当地磁场的垂直分量强度变化时，磁棒的垂向偏转角度随之变化，用光学系统放大并读出偏转角的变化即可知地磁场垂直分量的变化，此类仪器只能测量地磁场垂直分量或水平分量的相对变化。

磁通门磁力仪的传感器是将高导磁率软磁材料做成的磁芯外面的激励线圈内通以使磁芯深度饱和的交变电流，在信号线圈内即感应出与外磁场成正比的偶次谐波，经放大滤波后读出二次谐波，从而测量外磁场沿磁芯轴线方向的磁感应强度，是一种矢量磁力仪。

质子磁力仪是测量地磁场总强度的仪器，传感器利用强磁场使煤油等富含氢质子的液体中的质子磁矩定向排列（极化），当瞬间去掉此强极化场后，质子磁矩就以一定的角速度绕地磁场旋进，通常称为质子旋进，如果以极高的精确度测定质子旋进的频率，即可以皮特～纳特级的分辨率测出地磁场的总强度。

动态极化质子磁力仪原理是基于欧佛豪森效应（Overhauser effect），又称作欧佛豪森磁力仪。利用游离基的电子自旋共振和质子的核磁共振这两重共振，增大核磁共振信号的强度，使强烈极化的质子绕地磁场作旋进运动，测出旋进频率，即可测出地磁场。

光泵磁力仪利用光泵作用和磁共振效应测量地磁总场。首先，利用高频放电（碱金属常需加温），使原子由基态过渡到亚稳态，这种利用光能，将原子泵激到同一能级上的过程即为光泵作用。由光泵作用排列好的原子磁矩，在特定频率的交变电磁场的作用下，又将产生共振吸收作用，打乱原子的排列情况。发生共振吸收现象的电磁场的频率与样品所在点的外磁场强度成一比例关系，故测定这一频率就可以测出外磁场的值。

超导磁力仪利用约瑟夫逊效应测量磁场。测量器件是超导材料制成的闭合环，利用器件对外磁场的周期效应和磁通变化与外磁场变化成正比原理来测量磁场。灵敏度可达飞特级。

机械磁力仪在铝制外壳内装有磁系和读数用的光学系统及操作旋钮。工作时仪器摆在三脚架上，调平、定向后才能读数。以现代电子学为基础的地面用的质子磁力仪、光泵磁力仪等，多数有一个独立的探头和手持探杆，探杆和主机（电子电路、显示器、键盘和电池等）用电缆相连，工作时手持探杆即可读数。航空、海洋磁力仪另有一些附加装置，以适合在该环境下使用。

按地磁观测仪器的发展历史，可分为：①第一代磁力仪。应用永久磁铁与地磁场之间力矩作用或旋转的感应线圈等，如机械式磁力仪或感应式航空磁力仪。②第二代磁力仪。应用核磁共振、电子顺磁共振、高导磁率磁性材料及相应的基于微电子学的各种专用电路，如质子磁力仪、光泵磁力仪、磁通门磁力仪等。③第三代磁力仪。利用近代超导、激光等技术的超导磁力仪、全光学原子磁力仪等。

按测量的地磁场参数及其量值，可分为：①相对磁力仪。如悬丝式垂直磁力仪、地面磁通门磁力仪等，都是测量地磁场的垂直分量的相对变化。②绝对测量仪器。如质子磁力仪，测定地磁场的总强度全值。

又可分为：①标量磁力仪。只测定地磁场的大小，与传感器的方向无关，如质子磁力仪。②向量（矢量）磁力仪。既测定地磁场的幅值又可测定地磁场的方向，如磁通门磁力仪和磁阻磁传感器。向量磁力仪也可做成三轴（三分量）磁力仪。矢量磁力仪也可结合光学经纬仪测定磁偏角或磁倾角，如D/I磁力仪。标量磁力仪也可通过特殊的辅助装置测定地磁垂直分量或水平分量。

从工作场合，根据灵敏度、使用要求及仪器特点，移动测量用的可分为地面、海洋、航空（机载、无人机载）、航天（星载）、井中磁力仪。固定在某一位置观测地磁场随时间变化的仪器称为台站型。虽然原理相同、但结构、操作方式、数据采集和记录方式往往有很大不同。

主要包括：①灵敏度是指磁力仪反映地磁场强度最小变化的能力，又称分辨率。②量程，即最大测量范围。③采样率是每秒读出的次数，其倒数是读数的循环时间。采样率和运载工具的速度确定了读数间的距离。④带宽表明磁力仪跟踪快速变化的磁场的能力的指标，现代磁力仪往往把多个读数加以平均或作加权处理，以降低带宽而获得更低的噪音水平。⑤绝对误差是读数与实际磁场的差值。⑥方位误差是指在均匀磁场（大小和方向处处一致的磁场）中，传感器方位改变时引起的误差，又称转向差。⑦梯度容限是指能够保持仪器正常工作时地磁场的最大梯度值，用纳特/米表示。⑧漂移是绝对误差或相对误差随时间的变化。⑨温度系数是读数受温度影响的变化率，单位为纳特/℃。⑩噪音是磁力仪传感器或（和）电子电路产生的读数的随机的波动。用纳特·(赫兹)^-1/2表示，赫兹为带宽，频带越宽噪声也会增大。⑪死区是指地磁场的方向和磁力仪传感器主轴之间的夹角，仪器不能进行正常测量的角度区间。质子磁力仪、欧佛豪森磁力仪或光泵磁力仪均有一定的死区。其他指标还有功耗、记录方式、工作温度范围、体积、重量、平均无故障工作时间、抗冲击、振动能力等。

高灵敏度。可用于测量岩石磁性的SERF（spin exchange relaxation free magnetometer）磁力仪（见图）灵敏度可高达阿特（10^-18～10^-16特斯拉）级。

SERF磁力仪的测试装置

小体积。基于激光技术和MEMS的MFAM磁力仪，灵敏度达到5皮特·(赫兹)^-1/2，体积只有10毫米×10毫米×10毫米。

低成本。集成化的3轴磁阻传感器量程±2高斯，标准分辨率3～4纳特，尺寸仅9毫米×9毫米。做成电子罗盘的分辨率0.1°，I²C接口。在每部智能手机中都有一片磁阻传感器芯片用作指南针和测量地磁场的三个分量。