CN104049228A - 一种磁传感器的动态模型标定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种磁传感器的动态模型标定方法，包括：将一长直导线置于磁屏蔽筒的中心轴线上，并且选用一高精度磁传感器置于所述磁屏蔽筒内，为信号源提供反馈信号；测量所述待标定磁传感器的位置参数；所述信号源发出一典型信号，采集相应的输出信号；通过所述位置参数计算所述待标定磁传感器的激励输入磁场，处理所述激励输入磁场和所述磁场响应输出信号，标定待标定磁传感器的动态特性。本发明解决了现有技术中，由于无法为待标定的磁传感器提供标准的高频交变输入激励磁场，而导致被测磁场信号动态变化条件下，由于磁传感器对被测磁信号响应迟滞、失真现象最终导致上述方法无法满足测量精度的要求的问题。

Description

一种磁传感器的动态模型标定方法

技术领域

本发明属于磁传感器的标定技术领域，具体涉及一种磁传感器的动态模型标定方法。

背景技术

磁传感器测磁精度不仅受到标度因素影响，而且还受到磁传感器动态响应模型的影响，由此，在磁信号探测领域中，精确检测动态磁信号显得尤为重要。然而，现有磁传感器标定主要集中在静态特性测试标定方面，而对其动态特性标定较少，究其原因，为目前的标准磁场发生器是基于电流源和线圈组合方案，由于受到线圈高频阻抗的影响，其难于产生标准的高频交变磁场。申请号为201010172592.7和申请号为201110343444.1的专利分别公开了一种基于遗传算法的惯性/地磁传感器标定方法和一种三轴磁传感器标定用的方法，但是此两种方法均属于静态环境下标定标度因素上提高了测磁精度。在被测磁场信号动态变化条件下，由于磁传感器对被测磁信号响应迟滞、失真现象最终导致上述方法无法满足测量精度的要求。

发明内容

本发明的一个目的是提出一种磁传感器的动态模型标定方法，以解决现有技术中，由于无法为待标定的磁传感器提供标准的高频交变输入激励磁场，而导致被测磁场信号动态变化条件下，由于磁传感器对被测磁信号响应迟滞、失真现象最终导致上述方法无法满足测量精度的要求的问题。

本发明的技术方案为：提供一种磁传感器的动态模型标定方法，所述用于标定的方法包括：将一长直导线置于磁屏蔽、筒的中心轴线上，所述长直导线经测试电阻与信号源导通；选用一高精度磁传感器置于所述磁屏蔽筒内，所述高精度磁传感器实时检测所述长直导线产生的磁信号，并将所述磁信号转换为电信号，作为负反馈量反馈给所述信号源；将待标定磁传感器置于所述磁屏蔽筒内与所述长直导线具有一定距离的位置处；测量所述待标定磁传感器的位置参数；所述信号源为所述长直导线提供典型信号；采集所述测试电阻两端的电压信号和所述待标定磁传感器的磁场响应输出信号；计算所述待标定磁传感器的激励输入磁场；处理所述激励输入磁场和所述磁传感器响应输出信号，标定待标定磁传感器的动态特性。

在一些可选的实施例中，所述测量所述待标定磁传感器的位置参数包括：所述信号源为所述长直导线提供直流激励信号；采集所述测试电阻两端的电压信号和所述待标定磁传感器的输出电压信号；由毕奥-萨伐尔定律计算所述位置参数。

在一些可选的实施例中，所述位置参数包括所述待标定磁传感器与所述长直导线的垂直距离，以及所述待标定磁传感器敏感轴与所述长直导线的夹角。

在一些可选的实施例中，所述信号源为所述长直导线提供的典型信号扫频信号，通过所述位置参数，计算得出所述待标定磁传感器的激励输入磁场。

在一些可选的实施例中，所述信号源为所述长直导线提供的典型信号为阶跃激励信号，通过所述位置参数，计算得出所述待标定磁传感器的激励输入磁场。

在一些可选的实施例中，所述高精度磁传感器与所述长直导线的垂直距离小于所述磁屏蔽筒直径的0.1倍，所述高精度磁传感器与所述磁屏蔽筒口部的水平距离为所述磁屏蔽筒长度的二分之一。

在一些可选的实施例中，所述待标定磁传感器与所述长直导线的垂直距离小于所述磁屏蔽筒直径的0.1倍，所述待标定磁传感器与所述磁屏蔽筒口部的水平距离为所述磁屏蔽筒长度的二分之一。

本发明的另一个目的是提出一种用于实现磁传感器的动态模型标定方法***，包括磁屏蔽筒、长直导线和待标定磁传感器，所述长直导线置于所述磁屏蔽筒的中心轴线上；所述长直导线经测试电阻与所述信号源导通，所述磁屏蔽筒内还放置有用于为所述信号源提供负反馈量的高精度磁传感器；所述***还包括用于检测所述测试电阻两端电压与所述待标定磁传感器输出响应信号的采集装置。

在一些可选的实施例中，所述磁屏蔽筒为材料选用高磁导率的坡莫合金、镍铁合金等制作而成的圆柱面的筒。

在一些可选的实施例中，所述磁屏蔽筒1的长度为0.5米至1米。

有益效果：采用高磁导率的屏蔽套管和长直导线产生为磁传感器提供所述磁传感器标定过程中所需要的标准高频交变激励磁场，满足了磁传感器在动态环境下测量精度的要求，结构简单。

附图说明

下面结合具体附图对本发明做进一步的详细说明。

图1是本发明一种磁传感器的动态模型标定方法的流程示意图；

图2是当待标定磁传感器输入信号为阶跃信号时的输出的阶跃响应曲线；

图3是高精度磁传感器负反馈原理示意图；

图4是当待标定磁传感器输入信号为扫频信号时的幅频特性；

图5是当待标定磁传感器输入信号为扫频信号时的相频特性；

图6是本发明用于实现磁传感器的动态模型标定方法的***示意图；

图7是本发明用于说明具体计算过程所建立的坐标系示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。如图1所示，该方法包括：

101：将一长直导线置于磁屏蔽筒的中心轴线上，所述长直导线经测试电阻与信号源导通，当所述信号源为所述长直导线提供电流后，所述长直导线周围即可产生磁场，而所述磁屏蔽筒可屏蔽地磁场及外界环境磁场的干扰。

102：选用一高精度磁传感器置于所述磁屏蔽筒内，所述高精度磁传感器实时检测所述长直导线产生的磁信号，并将所述磁信号转换为电信号，作为负反馈量反馈给所述信号源。

采用所述高精度磁传感器实时检测目的是为了使整个磁场产生装置是闭环***，以便更为精确的控制长直导线中的电流，例如，温度等因素会产生一定的影响，致使所述长直导线的电流减小或增大，从而导致磁场减小或增大，设置负反馈后，当温度升高时，所述信号源会增大其电流从使产生的磁场稳定，达到产生标准交变磁场的目的，如图3所示。

优选的，所述高精度磁传感器与所述长直导线的垂直距离小于所述磁屏蔽简直径的0.1倍，以防止由于所述磁屏蔽筒对其内部磁场的聚磁效应而产生影响。所述高精度磁传感器与所述磁屏蔽筒口部的水平距离为所述磁屏蔽筒长度的二分之一，因为在二分之一处的磁场是最标准的。

103：将待标定磁传感器置于所述磁屏蔽筒内与所述长直导线具有一定距离的位置处。

优选的，所述待标定磁传感器与所述长直导线的垂直距离小于所述磁屏蔽筒直径的0.1倍，所述待标定磁传感器与所述磁屏蔽筒口部的水平距离为所述磁屏蔽筒长度的二分之一。以防止由于所述磁屏蔽筒对其内部磁场的聚磁效应而对标定产生影响，并且在二分之一处的磁场是最标准的。

104：测量所述待标定磁传感器的位置参数，为后续计算所述待标定磁传感器的激励输入磁场做准备。包括：

1041：所述信号源为所述长直导线提供直流激励信号，所述长直导线周围产生稳定的磁场。

1042：采集所述测试电阻两端的电压信号和所述待标定磁传感器的输出电压信号。

1043：计算所述待标定磁传感器的位置参数。事先可测量所述磁屏蔽套筒的长度，并且由步骤1042可得到待标定磁传感器所处位置的磁感应强度，带入毕奥-萨伐尔定律公式，即可得到相应的位置参数。

105：所述信号源为所述长直导线提供典型信号，同时采集所述测试电阻两端的电压信号和所述待标定磁传感器的输出电压信号，可通过双通道信号采集***或者双踪示波器实现对相应信号的采集。

107：通过采集的信号和所述待标定磁传感器的位置参数，通过毕奥-萨伐尔定律可计算得出所述待标定磁传感器的激励输入磁场，处理所述激励输入磁场和采集到的所述磁场响应输出信号，标定待标定磁传感器的动态特性。

其中，可通过***辨识方法处理所述激励输入磁场和所述磁场响应输出信号，获取模型参数，完成对所述待标定磁传感器的标定，***辨识方法属于现有技术，这里不再赘述。

下面结合具体公式进一步说明计算所述待标定磁传感器的位置参数的过程。首先建立如图7所示的坐标系，由毕奥-萨伐尔定律：

式1： $B=\frac{{\mathrm{\μ}}_{0}I}{4\mathrm{\πr}}{\∫}_{{\mathrm{\θ}}_1}^{{\mathrm{\θ}}_2}\sin \mathrm{\θd\θ}=\frac{{\mathrm{\μ}}_{0}I}{4\mathrm{\πr}}(\cos {\mathrm{\θ}}_1-\cos {\mathrm{\θ}}_2)$

式2： $\begin{array}{cc}\cos {\mathrm{\θ}}_1=\frac{x}{\sqrt{x^2+r^2}}& \cos {\mathrm{\θ}}_2=-\frac{L-x}{\sqrt{{(L-x)}^2+r^2}}\end{array}$

由式1和式2得到：

式3： $B=\frac{{\mathrm{\μ}}_{0}I}{4\mathrm{\πr}}(\frac{x}{\sqrt{x^2+r^2}}+\frac{L-x}{\sqrt{{(L-x)}^2+r^2}})$

其中μ₀＝4π×10^-7N/A^-2，r表示待标定磁传感器到长直导线的垂直距离；θ₁、θ₂分别表示所述待标定传感器与所述磁屏蔽筒横截面中心轴之间的夹角；I表示长直导线的电流，L为所述磁屏蔽筒的长度。由式3得知当x已知、长直导线中的电流I已知，B与r是一次函数关系B＝f(r)，而其中电流I可通过所述采集装置采集到的所述测试电阻两端的电压经过计算得到，而所述待标定磁传感器所处位置的磁感应强度可同样通过所述采集装置得到，由此可计算出所述待标定磁传感器与所述长直导线的垂直距离。

如图6所述，位置参数还包括所述待标定磁传感器敏感轴与所述长直导线的夹角θ，设所述待标定磁传感器处的标准磁场源为B，磁传感器测得的磁场为B’，则cosθ=B’/B。

如图2所示，当所述信号源为所述长直导线提供一阶跃激励信号，所述采集装置采集测试电阻端的电压信号和所述待标定磁传感器的输出电压信号。利用式3，其中L和x，可事先测量得到，根据已计算得出r和θ求出所述长直导线在磁传感器测量点处的磁场，该磁场为一典型阶跃信号，所述待标定的磁传感器的输出信号即为阶跃磁场响应曲线，通过***辨识方法处理分析获得所述待标定磁传感器的时域动态特性模型。

所述扫频信号可为正弦波、三角波、方波等，当所述信号源为所述长直导线提供的典型信号为正弦扫频信号，采用所述采集装置测量测试电阻两端电压信号和所述待标定磁传感器输出信号，利用毕奥-沙法尔定律，以及r和θ求出所述长直导线在所述待标定磁传感器测量点处的变化磁场，该磁场为相应的正弦扫频交流磁场信号。所述待标定磁传感器的输出信号即为正弦扫频交流磁场的响应曲线。对各种频率不同正弦交流磁场作用下，分析所述待标定磁传感器的稳态响应的频率、幅值和相位与激励磁场的关系，可获得所述待标定磁传感器的频率响应特性，对扫频交流磁场作用下，分析所述待标定磁传感器的输出信号，也可获得磁传感器的频率响应特性，如图4和图5所示，图中实验数据是指实际对所述待标定传感器测量的值，拟合数据是指通过所述***辨识手段拟合出的曲线。如图6所示，一种用于实现所述的标定方法的***，包括磁屏蔽筒1、长直导线2和位于所述磁屏蔽筒1内部的待标定磁传感器3，所述长直导线2置于所述磁屏蔽筒1的中心轴线上。所述长直导线2经测试电阻4与所述信号源5导通，所述磁屏蔽筒1内还放置有用于为所述信号源5提供负反馈量的高精度磁传感器6。所述***还包括用于检测所述测试电阻4两端电压与所述待标定磁传感器3输出响应信号的采集装置7。

优选的，所述高精度磁传感器与所述长直导线的垂直距离小于所述磁屏蔽筒直径的0.1倍，以防止由于所述磁屏蔽筒对其内部磁场的聚磁效应而产生影响。所述高精度磁传感器与所述磁屏蔽筒口部的水平距离为所述磁屏蔽筒长度的二分之一，因为在二分之一处的磁场是最标准的。

优选的，所述待标定磁传感器与所述长直导线的垂直距离小于所述磁屏蔽筒直径的0.1倍，所述待标定磁传感器与所述磁屏蔽筒口部的水平距离为所述磁屏蔽筒长度的二分之一。以防止由于所述磁屏蔽筒对其内部磁场的聚磁效应而对标定产生影响，并且在二分之一处的磁场是最标准的。

在一些可选的实施例中，所述采集装置7为双通道信号采集***或者双踪示波器。

在一些可选的实施例中，所述磁屏蔽筒为材料选用高磁导率的坡莫合金、镍铁合金等制作而成的圆柱面的筒，所述磁屏蔽筒长度为0.5米至1米最佳，产生的高频交变磁场更加标准。

本领域技术人员还应当理解，结合本文的实施例描述的各种说明性的逻辑框、模块、电路和算法步骤均可以实现成电子硬件、计算机软件或其组合。为了清楚地说明硬件和软件之间的可交换性，上面对各种说明性的部件、框、模块、电路和步骤均围绕其功能进行了一般地描述。至于这种功能是实现成硬件还是实现成软件，取决于特定的应用和对整个***所施加的设计约束条件。熟练的技术人员可以针对每个特定应用，以变通的方式实现所描述的功能，但是，这种实现决策不应解释为背离本公开的保护范围。

Claims (10)

1.一种磁传感器的动态模型标定方法，其特征在于，所述用于标定的方法包括：

将一长直导线置于磁屏蔽筒的中心轴线上，所述长直导线经测试电阻与信号源导通；

选用一高精度磁传感器置于所述磁屏蔽筒内，所述高精度磁传感器实时检测所述长直导线产生的磁信号，并将所述磁信号转换为电信号，作为负反馈反馈给所述信号源；

将待标定磁传感器置于所述磁屏蔽筒内与所述长直导线具有一定距离的位置处；

测量所述待标定磁传感器的位置参数；

所述信号源为所述长直导线提供典型信号，采集所述测试电阻两端的电压信号和所述待标定磁传感器的磁场响应输出信号；

通过所述位置参数计算所述待标定磁传感器的激励输入磁场，处理所述激励输入磁场和所述磁传感器响应输出信号，标定待标定磁传感器的动态特性。

2.如根据权利要求1所述一种磁传感器的动态模型标定方法，其特征在于，所述测量所述待标定磁传感器的位置参数包括：

所述信号源为所述长直导线提供直流激励信号；

采集所述测试电阻两端的电压信号和所述待标定磁传感器的输出电压信号；

由毕奥-萨伐尔定律计算所述位置参数。

3.根据权利要求2所述一种磁传感器的动态模型标定方法，其特征在于，所述位置参数包括所述待标定磁传感器与所述长直导线的垂直距离，以及所述待标定磁传感器敏感轴与所述长直导线的夹角。

4.根据权利要求3所述一种磁传感器的动态模型标定方法，其特征在于，所述信号源为所述长直导线提供的典型信号为扫频信号，通过所述位置参数，计算得出所述待标定磁传感器的激励输入磁场。

5.根据权利要求3所述一种磁传感器的动态模型标定方法，其特征在于，所述信号源为所述长直导线提供的典型₁信号为阶跃激励信号，通过所述位置参数，计算得出所述待标定磁传感器的激励输入磁场。

6.根据权利要求4或5所述一种磁传感器的动态模型标定方法，其特征在于，所述高精度磁传感器与所述长直导线的垂直距离小于所述磁屏蔽筒直径的0.1倍，所述高精度磁传感器与所述磁屏蔽筒口部的水平距离为所述磁屏蔽筒长度的二分之一。

7.根据权利要求6所述一种磁传感器的动态模型标定方法，其特征在于，所述待标定磁传感器与所述长直导线的垂直距离小于所述磁屏蔽筒直径的0.1倍，所述待标定磁传感器与所述磁屏蔽筒口部的水平距离为所述磁屏蔽筒长度的二分之一。

8.一种用于实现如权利要求1所述的标定方法的***，其特征在于，包括磁屏蔽筒(1)、长直导线(2)和待标定磁传感器(3)，所述长直导线(2)置于所述磁屏蔽筒)1)的中心轴线上；所述长直导线(2)经测试电阻(4)与所述信号源(5)导通，所述磁屏蔽筒(1)内还放置有用于为所述信号源(5)提供负反馈量的高精度磁传感器(6)；所述***还包括用于检测所述测试电阻(4)两端电压与所述待标定磁传感器(3)输出响应信号的采集装置(7)。

9.如权利要求8所述***，其特征在于，所述磁屏蔽筒(1)为材料选用高磁导率的坡莫合金、镍铁合金等制作而成的圆柱面的筒。

10.如权利要求9所述***，其特征在于，所述磁屏蔽筒(1)的长度为0.5米至1米。