CN103033786A - 一种三轴矢量磁强计正交校准方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种三轴矢量磁强计正交校准装置及方法，该装置用于磁强计正交校准过程中的标准磁场与基准方向的对准，所述装置包含：屏蔽筒、螺线管线圈、圆柱形探头安装平台及工作台；所述屏蔽筒放置在工作台上，所述螺线管线圈利用支架穿过屏蔽筒中心同轴放置，所述螺线管线圈用于提供标准磁场；所述螺线管线圈紧贴其内壁同轴套设所述探头安装平台，该探头安装平台可移动且可位于所述螺线管线圈内部和螺线管线圈轴线外部的延长线上；所述探头安装平台上部中心位置处还设置有一放置磁强计探头的凹槽，当校准时磁强计探头可随探头安装平台沿螺线管线圈轴线外部的延长线移动至其内部的均匀磁场区内。

Description

一种三轴矢量磁强计正交校准方法及装置

技术领域

本发明涉及仪器测量领域，具体涉及一种三轴矢量磁强计正交校准方法及装置。 

背景技术

三轴矢量磁强计一般是以三个单方向分量磁传感器(如磁通门传感器、磁阻传感器)正交布局构成，如果假定三个传感器的磁轴完全正交，且方向已知，那么三个传感器探测到的是矢量磁场的三个正交分量，可以根据已知的方向变换坐标系到任意坐标系下。但是实际上三个传感器的磁轴方向不可见、不可测，因此应用中往往以三个传感器机械轴指代它们的磁轴，而由于磁强计的结构加工、安装以及传感器制作等误差都会使传感器的磁轴和传感器的机械轴不一致，且传感器机械轴与磁强计探头骨架正交轴向不一致，因此磁强计探头的正交性无从保证。这种非正交性对于矢量磁场探测的误差影响很大，举个例子，即使正交度1”的正交度误差在地磁场下造成的磁场分量投影测量误差会达到0.2nT，因而目前主流磁强计大多号称的0.1nT的精度指标根本毫无意义，综上所述可知正交度校准属于精密三轴矢量磁通门的一个重要测量过程。 

而目前三轴矢量磁强计的正交度测量目前采用的方法主要是借助无磁转台和数据处理的方法实现的。德国有文献记载的方法是利用绝对标量磁场探测器，通过非线性拟合的方法标定三轴矢量磁强计的方法。它将矢量磁场测量值与磁场标量建立数学关系，并考虑到所有可能的干扰因素，包括零点偏移、比例系数和正交度误差，而磁场标量可以利用质子旋进或者光泵这类量子原理的磁力仪进行测量，理论上依靠量子参数的磁力仪测量的是绝对磁场，可以保证准确度。这种方法是一种间接的标定方法，对绝对标量磁场探测器精度要求很高，对转台的设计要求也很高，试验实施和数据处理较为复杂，但理论上可以得到较好的标定结果，只是对于测量精度的评估较为困难。这种方的缺点主要是：虽然能够准确将三轴数据校准到一个特定的正交系中，但是这个正交系的方向不可准确获知，导致采用该方法的仪器经校准后在未来的使用中并不能获得准确的指向。 

国内现有技术的正交度测量方法，都是假定地磁场稳定，并假定能够使探头传感器磁轴与地磁场方向对齐，实际上这两个假定在高精度的测试中均难以保证，因此导致采用基于上述两个假设的正交度测量方法得到的测量值误差较大。这是由于， 一方面，第一个假定，虽然地磁场稳定难以做到，但是通过三轴亥姆霍斯线圈是可以在实验室中实现的，另一方面第二假定，即假定可以通过某些措施使探头传感器磁轴与磁场方向对准，而这个实际操作是十分困难的，现有技术的对准一般是利用三自由度的无磁转台或测量读数最大值法进行人工调整。这种实验操作本身无法保证严格对准，而实验过程中的人的干扰，转台的精度等等因素也会带来影响，因此国内现有技术提供的由于基于上述第二个不合理的假设进行的正交度测量只能将测量精度精确到0.01度，但是这个精度在高精度的矢量磁场探测中是远远达不到标准的。 

综上所述，现有技术中正交校准时都是传感器磁轴作为测量基准，缺陷是：没有技术手段能够保证对准；以磁轴为基准的矫正，在使用中仍无法明确方向，因为磁轴在探头外部不可测量。 

本发明改进了第一方面的假设的实现，同时基于第一方面假设的改进也改进了第二方面的假设，从而使基于该假设的正交度测量方法得到的测量精度得到很大提高，能够用于高精度的矢量磁场探测中。 

与本发明利用探头结构坐标系下的机械轴作为测量基准进行正交校准的方法相比现有技术均采用传感器磁轴作为基准，导致这种方法一致存在的原因包含：缺乏需求驱动，由于没有高精度矢量磁场测量精度的要求，低精度的正交校准能够满足大多数用户要求，但是随着科技的发展，国家对于磁场测绘需求的日益强烈，对矢量磁场探测精度要求越来越高，尤其是未来开展的航空航天矢量磁场测绘，对矢量磁场探测精度都会达到秒级，因此对高精度的三轴矢量磁强计的正交校准需求也更加迫切。另一方面，目前的做法均试图进行一步到位的正交校准，由于前面分析的原因采用这种采用传感器磁轴作为基准的技术手段存在缺陷，且难以克服。 

发明内容

本发明的目的在于，为克服现有技术的三轴矢量磁强计正交度校准方法的校准度不高，不能能满足高精度矢量磁场探测的需求，如航天、航空磁场测绘领域的需要，从而提出一种三轴矢量磁强计正交校准方法及装置。 

为实现上述目的，本发明提供一种三轴矢量磁强计正交校准装置，该装置用于提高磁强计正交校准过程中的标准磁场与基准方向的对准精度，所述基准方向为磁强计探头结构坐标系坐标轴向，所述正交度校准装置包含：屏蔽筒、磁强计探头、螺线管线圈、圆柱形探头安装平台及工作台。 

所述屏蔽筒放置在工作台上，用于屏蔽外部磁场。所述螺线管线圈穿过所述屏 蔽筒中心同轴设置，且通过位于工作台上支架进行固定，该螺线管线圈用于提供标准磁场，所述基准方向为磁强计探头结构坐标系的轴向。 

紧贴所述螺线管线圈内壁同轴套设所述探头安装平台，该探头安装平台可沿所述螺线管线圈内部轴线及外部轴线的延长线移动；所述探头安装平台上部中心位置处还设置有一放置磁强计探头的凹槽，当正交校准时该磁强计探头可随探头安装平台沿螺线管线圈轴线外部的延长线移动至其内部的均匀磁场区内。 

其中，所述螺线管线圈长度远大于其直径，所述螺线管线圈形成的均匀区的直径大于所述磁强计探头体积直径的1.5倍；所述工作台的平面度要优于0.04mm。 

可选的，所述探头安装平台通过其尾部的长螺杆驱动发生移动，该长螺杆一端与所述安装平台固定相连，另一端固定于工作台远离螺线管线圈端的一端的挡板上；所述凹槽采用柔软材料作为接触面与采用压紧方式压紧的待测探头相接触。所述探头安装平台采用防止变形的硬质材料。所述探头安装平台采用光学方法标定准直、平面和垂直。所述屏蔽筒由2～4层坡莫合金构成。 

优化的，所述螺线管管线圈产生的磁场至少60000nT。 

可选的，如果要达到1角秒测量精度时，上述装置的各个部件的精度要求为：当所述螺线管线圈内径为300mm，长度为2000mm时，其内径圆柱度优于0.002mm；当所述螺线管线圈直径为300mm，长度为2000mm时，其外径圆柱度优于0.002mm；所述凹槽的底面和侧面与所述螺线管线圈外径圆柱面的轴向切线平行度优于0.01mm；所述磁强计探头的安装面与所述凹槽的底面和侧面分别垂直，垂直度优于0.002mm。本领域技术人员可以根据具体测量精度值的需要调整以上的各参数。 

基于上述装置本发明还提供一种三轴矢量磁强计正交校准方法，该方法基于权利要求1所述装置，用于磁强计正交校准过程中的标准磁场与基准方向的对准，所述方法包含：用于利用大于60000nT的磁场在非正交轴上的小量磁场投影计算角度关系；用于以机械轴作为测量基准测量三轴矢量磁强计正交校准矩阵；其中，所述上述步骤中还采用单轴螺线管线圈结合磁屏蔽筒进行三轴矢量磁强计正交度标定。 

所述正交校准矩阵采用如下方法获取： 

步骤1，安装三轴矢量磁强计，该磁强计包含的三个传感器磁轴与探头结构坐标系对应，通过粗标定确定三轴矢量磁强计每个方向的正反向和测量值与磁场值的初步的比例系数。 

步骤2，利用光学测量方式进行检定，测量探头安装平台的各个位置的正交度误差，该误差作为评估正交校准精度的依据。 

步骤3，对屏蔽筒进行消磁。 

步骤4，在探头安装平台上利用压紧方式固定磁强计探头，保证待测方向X与螺线管线圈的轴向一致，所述正交度误差为三轴矢量磁强计结构坐标轴X与与螺线管轴向对齐误差。 

步骤5，将探头安装平台移入所述屏蔽筒，放置在磁场屏蔽均匀区内。 

步骤6，在所述螺线管线圈上施加电流，产生至少60000nT磁场。 

步骤7，采集三轴矢量磁强计测量值，根据粗标定得到的比例关系计算三个轴向的测量磁场值。 

步骤8，计算磁轴Y’，Z’与机械轴X的角度关系。 

步骤9，重复若干次，分别将机械轴Y和Z与螺线管线圈？方向对齐进行试验，分别计算X’、Z’与机械轴Y的角度关系，计算X’，Y’与机械轴Z的角度关系。 

步骤10，数据处理，可以计算磁场X’、Y’、Z’在探头结构坐标系下正交校准矩阵。 

所述粗标定得到的比例系数在5％的误差内。 

与现有技术相比，本发明的技术优势在于： 

1.这种方法采用的探头结构坐标系的轴向(可由机械加工保证精度较高的正交度)与螺线管结构轴向之间的对准(螺线管线圈的磁轴与螺线管中心轴向一致)，对准操作具备精确测量的条件。而且这种方法标定之后，探头使用时采用探头结构坐标系，可以依靠正交校准矩阵直接得到在这一坐标系下的结果。 

2.设备依靠机械精加工，误差可测可控，提高轴向对准精度。 

3.在磁场测量过程无需人工干预，避免其他微小磁场干扰，避免了使用转盘而带来的测量误差。 

4.测量过程以机械加工、测量误差和传感器测量误差为主，所有误差可测量、可传导、可估计，对于提高正交度测量精度有很大帮助。 

附图说明

图1是本发明的方法流程图； 

图2是本发明的正交转换方法示意图； 

图3-a是本发明的试验装置正面视图； 

图3-b是本发明的试验装置包含的探头安装平台的正面视图； 

图3-c是本发明的实验装置包含的探头安装平台的俯视图； 

图3-d是本发明装置的实景图。 

附图标识： 

1、屏蔽筒    2、磁场屏蔽均匀区    3、探头安装平台 

4、螺纹    5、磁强计探头    6、工作台 

7、螺线管线圈 

具体实施方式

下面结合附图和具体的实施方式对本发明的技术方案作进一步详细描述。 

本发明借助精密加工的螺线管和探头固定工装实现探头基准方向与外部磁场方向的对准，克服了以往手动或者借助无磁转台调整对准无法控制误差的困难。以三轴矢量磁强计探头机械轴，即磁强计探头结构坐标系轴向，作为探头的基准方向，实现校准后的矢量磁场方向可以测量。 

本发明的几个名词的解释：探头结构坐标系：三轴矢量磁强计探头外部标称的，以结构为基准的正交坐标系，是在磁强计使用中的实际参考坐标系。探头结构坐标轴：探头结构坐标系中的坐标轴。探头传感器磁轴：探头测量时每个传感器实际测量磁场的方向。螺线管磁轴：螺线管线圈内部磁场方向，它与螺线管的结构轴向一致。 

本发明解决的问题： 

1、利用磁场投影法，测量正交偏差角度，计算正交校准矩阵，解决将探头传感器测量的数据校准到一个正交坐标系内的问题； 

正交校准的计算过程是利用探测数据与正交校准矩阵进行矢量乘法。 

B_校准过＝MB_校准前

其中，M是正交校准矩阵。 

2、保证这个坐标系是探头结构坐标系，使在未来磁强计探头使用中能够准确知道校准后的磁场的矢量方向。 

利用本发明设计的正交校准装置实现探头结构坐标系轴向与螺线管磁轴对齐，解决正交校准过程中标准磁场与基准方向对准的问题。 

本发明提出的正交校准测量装置如图3-a、图3-d和图3-c所示，包含：屏蔽筒1、探头安装平台3、螺纹4、磁强计探头5、工作台6和螺线管线圈7等。 

其中螺线管线圈7提供标准磁场，方案中的螺线管线圈7长度远大于直径，内部磁场均匀区直径大于磁强计探头5体积直径的1.5倍。屏蔽筒1由2～4层(屏蔽筒研制要求，保证内部磁场屏蔽均匀区内磁场低于10nT，且均匀区内变化小于0.1nT)坡莫合金构成，用于屏蔽外部磁场；所述装置借助现有的光学***进行调整，用于保证测量过程探头安装平台轴向与螺线管磁轴一致。探头安装平台利用机械精密加工制造，采用硬质材料确保机械变形可忽略，安装平台平面利用光学方法精确标定准直、平面和垂直。 

工作台6需经过平面度检验要求平面度优于0.04mm。屏蔽筒1放置在工作台6 上，螺线管线圈7利用支架穿过屏蔽筒1放置，螺线管线圈7的中心与屏蔽筒1的中心一致，误差不超过1cm。磁强计探头5的探头安装平台3的外径与螺线管线圈7内径大小一致。安装时保证探头安装平台3与螺线管线圈7紧密配合，所述探头安装平台3通过其尾部的长螺杆驱动在螺线管线圈7的内部和延长线的轴线上前进和后退。探头安装平台3的中心为磁强计探头5的放置平台，对这一区域加工的形状误差要求严格，图3-b和3-c中给出了需要保证的误差，主要包括一些线面的平行度和垂直度。 

当正交校准的精度误差要求为1角秒时，螺线管线圈骨架内壁，在螺线管内径为300mm，长度为2000mm的情况下，内径圆柱度优于0.002mm。探头安装平台在直径300mm，长度2000mm的情况下，外径圆柱度优于0.002mm。探头安装平台中部安装探头位置的底面和侧面，与外径圆柱面的轴向切线平行度，平行度优于0.01mm。探头安装平台的安装探头位置的头部安装面与，底面和侧面分别垂直，垂直度优于0.002mm。 

实际操作时，探头安装平台3推出螺线管线圈7，露出探头安装区域，对磁强计探头5采用柔弱材料(如聚四氟乙烯)作为接触面的压紧方式安装，然后将探头安装平台3推进螺线管线圈，待测探头5矢量磁强计应完整进入磁场屏蔽均匀区。 

图1是本发明的方法具体实施的步骤流程图，其中粗标定是指，磁强计标定时传感器磁轴与参考磁场方向夹角小于5度时的标定结果，针对该图描述如下： 

1.由于磁强计安装过程中可以保证三个传感器磁轴与探头结构坐标系基本对应，因此磁强计探头满足粗标定条件，通过粗标定确定磁强计每个方向的正反向和测量值与磁场值的初步的比例系数。测量磁强计磁轴方向可以帮助正交校准数据处理算法去除虚解，比例系数在正交校准没有测试之前无法完全测量准确，粗标定可以得到近似结果，在正交校准处理算法中粗标定得到的比例系数在5％的误差内，不影响正交校准精度。 

2.利用光学原理或者其他原理的测量设备，测量正交校准装置如图3-b和图3-c所特别强调的形位误差，作为未来评估正交校准精度的依据之一。 

3.在探头安装平台上利用压紧方式固定磁强计探头，保证待测方向X与螺线管轴向一致，前面测量的安装平台的误差决定了磁强计结构坐标轴X与与螺线管轴向对齐误差。 

4.移动探头安装平台使其进入磁场屏蔽均匀区内，并通过螺线管线圈产生60000nT磁场。 

5.采集磁强计测量值，根据粗标定得到比例关系计算三个轴向的测量磁场值，并计算磁轴Y’，Z’与机械轴X的角度关系 

6.重复前面步骤4～8两次，分别将机械轴Y和Z与螺线管方向对齐进行试验，分别计算X’、Z’与机械轴Y的角度关系，计算X’，Y’与机械轴Z的角度关系 

7.数据处理，可以计算磁场X’、Y’、Z’在探头结构坐标系下正交校准矩阵。 

图2是本发明的方法坐标系关系图。按照本发明方法，图中所示，外部磁场与Z轴吻合，由于正交误差，在X’和Z’上会有投影。根据几何关系，可以进一步推导出探头正交校准矩阵。 

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。 

Claims (10)

1.一种三轴矢量磁强计正交校准装置，该装置用于提高磁强计正交校准过程中的标准磁场与基准方向的对准精度，所述基准方向为磁强计探头结构坐标系坐标轴向，所述正交度校准装置包含：屏蔽筒、磁强计探头、螺线管线圈、圆柱形探头安装平台及工作台；

所述屏蔽筒放置在工作台上，用于屏蔽外部磁场；

所述螺线管线圈穿过所述屏蔽筒中心同轴设置，且通过位于工作台上支架进行固定，该螺线管线圈用于提供标准磁场；

紧贴所述螺线管线圈内壁同轴套设所述探头安装平台，该探头安装平台可沿所述螺线管线圈内部轴线及外部轴线的延长线移动；所述探头安装平台上部中心位置处还设置有一放置磁强计探头的凹槽，当正交校准时该磁强计探头可随探头安装平台沿螺线管线圈轴线外部的延长线移动至其内部的均匀磁场区内；

其中，所述螺线管线圈长度远大于其直径，所述螺线管线圈形成的均匀区的直径大于所述磁强计探头体积直径的1.5倍；所述工作台的平面度要优于0.04mm。

2.根据权利要求1所述的三轴矢量磁强计正交校准装置，其特征在于，所述探头安装平台通过其尾部的长螺杆驱动发生移动，该长螺杆一端与所述安装平台固定相连，另一端固定于工作台远离螺线管线圈端的一端的挡板上；

所述凹槽采用柔弱材料作为接触面与采用压紧方式压紧的待测探头相接触。

3.根据权利要求1所述的三轴矢量磁强计正交校准装置，其特征在于，所述工作台上表面、支架以及探头安装平台均采用防止变形的硬质材料；

所述螺线管线圈长度与其直径比大于5。

4.根据权利要求1或3所述的三轴矢量磁强计正交校准装置，其特征在于，所述探头安装平台采用光学方法标定准直、平面和垂直。

5.根据权利要求1所述的三轴矢量磁强计正交校准装置，其特征在于，所述屏蔽筒由2～4层坡莫合金构成。

6.根据权利要求1所述的三轴矢量磁强计正交校准装置，其特征在于，所述螺线管管线圈产生的磁场至少60000nT。

7.根据权利要求1所述的三轴矢量磁强计正交校准装置，其特征在于，当所述对准精度为1角秒时，

所述螺线管线圈内径为300mm，长度为2000mm时，其内径圆柱度优于0.002mm；

当所述螺线管线圈直径为300mm，长度为2000mm时，其外径圆柱度优于 0.002mm；

所述凹槽的底面和侧面与所述螺线管线圈外径圆柱面的轴向切线平行度优于0.01mm；

所述磁强计探头的安装面与所述凹槽的底面和侧面分别垂直，垂直度优于0.002mm。

8.一种三轴矢量磁强计正交校准方法，该方法基于权利要求1所述装置，用于磁强计正交校准过程中的标准磁场与基准方向的对准，所述方法包含：

用于利用大于60000nT的磁场在非正交轴上的小量磁场投影计算角度关系；

用于以磁强计探头结构坐标系的轴向作为测量基准，测量三轴矢量磁强计正交校准矩阵；

其中，所述上述步骤中还采用单轴螺线管线圈结合磁屏蔽筒提供稳定的外部参考标准场。

9.根据权利要求8所述的三轴矢量磁强计正交校准方法，其特征在于，所述正交校准矩阵采用如下方法获取：

安装三轴矢量磁强计，该磁强计包含的三个传感器磁轴与探头结构坐标系对应，通过粗标定确定三轴矢量磁强计每个方向的正反向和测量值与磁场值的初步的比例系数；

利用光学测量方式进行检定，测量探头安装平台的各个位置的正交度误差，该误差作为评估正交校准精度的依据；

对屏蔽筒进行消磁；

在放置平台上利用压紧方式固定磁强计探头，保证待测方向X与螺线管线圈的轴向一致，所述正交度误差为三轴矢量磁强计结构坐标轴X与与螺线管轴向对齐误差；

将探头安装平台移入所述屏蔽筒，放置在磁场屏蔽均匀区内；

在所述螺线管线圈上施加电流，产生至少60000nT磁场；

采集三轴矢量磁强计测量值，根据粗标定得到的比例关系计算三个轴向的测量磁场值；

计算磁轴Y’，Z’与机械轴X的角度关系；

重复若干次，分别将机械轴Y和Z与螺线管线圈？方向对齐进行试验，分别计算X’、Z’与机械轴Y的角度关系，计算X’，Y’与机械轴Z的角度关系；

数据处理，可以计算磁场X’、Y’、Z’在探头结构坐标系下正交校准矩阵。

10.根据权利要求9所述的三轴矢量磁强计正交校准方法，其特征在于，所述 粗标定得到的比例系数在5％的误差内。 

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