RU2751577C1 - Three-axis induction magnetometer with self-calibration - Google Patents
Three-axis induction magnetometer with self-calibration Download PDFInfo
- Publication number
- RU2751577C1 RU2751577C1 RU2020133852A RU2020133852A RU2751577C1 RU 2751577 C1 RU2751577 C1 RU 2751577C1 RU 2020133852 A RU2020133852 A RU 2020133852A RU 2020133852 A RU2020133852 A RU 2020133852A RU 2751577 C1 RU2751577 C1 RU 2751577C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- induction
- magnetometer
- center
- magnetic
- cube
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
- G01R33/00—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables
- G01R33/02—Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Measuring Magnetic Variables (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области измерительной техники, а именно к устройствам для измерения переменных магнитных полей, в частности к устройствам для высокоточного измерения пространственных компонент вектора индукции магнитного поля с помощью индукционных датчиков.The invention relates to the field of measuring technology, namely to devices for measuring alternating magnetic fields, in particular to devices for high-precision measurement of the spatial components of the magnetic field induction vector using induction sensors.
Известен трехкоординатный магнитометр, в задачи которых входят юстировка взаимной перпендикулярности осей датчика и определения дрейфа нуль-пункта (патент RU №2229727, от 27.11.2002). Известны патенты, когда в трехкоординатном магнитометре задачи устранения помех решаются в процессе его калибровки (RU 2497139, от 18.05.2012). Так, например, в патенте RU №2290657 от 09.08.2005 г., калибровка осуществляется с помощью эталонной меры магнитного момента (магнитного диполя).Known three-coordinate magnetometer, the tasks of which include the adjustment of the mutual perpendicularity of the axes of the sensor and the determination of the zero-point drift (patent RU No. 2229727, from 27.11.2002). Known patents, when in a three-coordinate magnetometer, the problem of eliminating interference is solved in the process of its calibration (RU 2497139, from 18.05.2012). So, for example, in the patent RU No. 2290657 dated 09.08.2005, the calibration is carried out using a reference measure of the magnetic moment (magnetic dipole).
Наиболее близким по технической сущности является трехкоординатный магнитометр, калибровка которого осуществляется с помощью трехкомпонентной меры магнитной индукции (патент RU №2229727, от 27. 11.2002 г.).The closest in technical essence is a three-coordinate magnetometer, the calibration of which is carried out using a three-component measure of magnetic induction (patent RU No. 2229727, dated 11/27/2002).
Недостатком известных трехкоординатных магнитометров является постепенное снижение точности, стабильности и надежности работы, так как калибровка осуществляется перед началом эксплуатации датчика или проводится с некоторой периодичностью в процессе эксплуатации. В этом случае непосредственно во время эксплуатации возможно воздействия различных внешних факторов на сам датчик, которые могут существенно изменить его характеристики. Наиболее подверженным внешним влияниям является магнитная проницаемость ферромагнитного сердечника катушки индуктивности, которая существенным образом зависит от воздействия внешнего постоянного магнитного поля, наличия вблизи датчика ферромагнитных предметов, от температуры внешней среды.The disadvantage of the known three-coordinate magnetometers is a gradual decrease in accuracy, stability and reliability of operation, since the calibration is carried out before the start of operation of the sensor or is carried out with some frequency during operation. In this case, directly during operation, the impact of various external factors on the sensor itself is possible, which can significantly change its characteristics. The most susceptible to external influences is the magnetic permeability of the ferromagnetic core of the inductor, which essentially depends on the effect of an external constant magnetic field, the presence of ferromagnetic objects near the sensor, and on the temperature of the external environment.
Техническим результатом предлагаемого устройства является повышение точности, стабильности и надежности работы трехкоординатного индукционного магнитометра за счет постоянной самокалибровки индукционных датчиков магнитометра непосредственно в процессе его эксплуатации.The technical result of the proposed device is to improve the accuracy, stability and reliability of the three-coordinate induction magnetometer due to the constant self-calibration of the induction sensors of the magnetometer directly during its operation.
Технический результат достигается тем, что в отличие от известного устройства, содержащего трехкоординатный индукционный магнитометр, состоящий из шести идентичных индукционных датчиков со стержневыми ферритовыми сердечниками, причем датчики попарно соединены последовательно и расположены вдоль трех взаимно перпендикулярных осей с центральной геометрической симметрией, центр которой совпадает с магнитным центром магнитометра, дополнительно введена внутренняя трехкомпонентная мера магнитной индукции, состоящая из диэлектрического куба, центр которого совмещен с центром магнитометра, а ребра куба параллельны его осям, с нанесенными на каждую грань куба вокруг оси индукционного датчика катушки индуктивности, по меньшей мере, с одним витком.The technical result is achieved in that, in contrast to the known device containing a three-coordinate induction magnetometer, consisting of six identical induction sensors with bar ferrite cores, and the sensors are connected in pairs in series and located along three mutually perpendicular axes with a central geometric symmetry, the center of which coincides with the magnetic the center of the magnetometer, an internal three-component measure of magnetic induction is additionally introduced, consisting of a dielectric cube, the center of which is aligned with the center of the magnetometer, and the edges of the cube are parallel to its axes, with inductance coils marked on each face of the cube around the axis of the induction sensor, with at least one turn ...
Сущность изобретения заключается в том, что для самокалибровки магнитометра дополнительно в центре него установлен диэлектрик, выполненный в виде куба, а ребра куба параллельны осям магнитометра, на каждой грани куба вокруг оси индукционного датчика нанесена катушка индуктивности, по меньшей мере, с одним витком. Куб служит для фиксации катушки индуктивности, а материал из диэлектрика выбран для исключения влияния на магнитное поле. Катушки индуктивности служат для формирования собственного калибровочного магнитного поля.The essence of the invention lies in the fact that for self-calibration of the magnetometer, a dielectric made in the form of a cube is additionally installed in the center of it, and the edges of the cube are parallel to the axes of the magnetometer, on each face of the cube around the axis of the induction sensor there is an inductance coil with at least one turn. The cube serves to fix the inductor, and the dielectric material is selected to exclude the effect on the magnetic field. Inductors serve to form their own calibration magnetic field.
Диэлектрический куб с нанесенными катушками индуктивности образуют меру магнитной индукции с известными параметрами и может использоваться для калибровки трехкоординатного магнитометра.A dielectric cube with inductors applied forms a measure of magnetic induction with known parameters and can be used to calibrate a three-axis magnetometer.
Поясним возможность калибровки. Диаметр однослойной катушки и ее расположение на диэлектрическом материале относительно ферромагнитного сердечника индукционного датчика таковы, что влиянием параметров сердечника на индуктивность меры магнитной индукции можно пренебречь. В этом случае магнитное поле, создаваемое каждой одновитковой катушкой индуктивности в центре витка, будет равноLet us explain the possibility of calibration. The diameter of the single-layer coil and its location on the dielectric material relative to the ferromagnetic core of the induction sensor are such that the influence of the parameters of the core on the inductance of the measure of magnetic induction can be neglected. In this case, the magnetic field created by each single-turn inductor in the center of the turn will be equal to
где R - радиус витка, μ0=4π⋅-7 Гн/м - магнитная постоянная, Im - амплитуда переменного калибровочного тока [Иродов И.Е. Основные законы электромагнетизма. М.: Высш. шк., 1991, стр. 139]. Например, при радиусе витка R=5⋅10-3 м и силе тока Im=10-4 А с частотой 103 Гц амплитуда индукции Bm калибровочного магнитного поля будет равна 125,7⋅10-9 Тл, что уверенно может быть измерено индукционным датчиком. Например, при чувствительности датчика 10-11 Тл [Голев КМ. Трехкоординатный индукционный датчик переменного магнитного поля для магнитометрических систем навигации // И.М. Голев, Т.Н. Заенцева, Е.А. Никитина и др. Воздушно-космические силы. Теория и практика. №12, 2019, С. 91-100], точность оценки коэффициента преобразования индукционным датчиком может быть не менее 0,1%.where R is the radius of the loop, μ 0 = 4π⋅ -7 H / m is the magnetic constant, I m is the amplitude of the alternating calibration current [Irodov I.E. Basic laws of electromagnetism. M .: Higher. shk., 1991, p. 139]. For example, with a loop radius R = 5⋅10 -3 m and a current I m = 10 -4 A with a frequency of 10 3 Hz, the amplitude of the induction B m of the calibration magnetic field will be equal to 125.7⋅10 -9 T, which can be confidently measured by an induction sensor. For example, with a sensor sensitivity of 10 -11 T [Golev KM. Three-coordinate induction sensor of variable magnetic field for magnetometric navigation systems // I.M. Golev, T.N. Zaentseva, E.A. Nikitina and others. Aerospace Forces. Theory and practice. No. 12, 2019, pp. 91-100], the accuracy of the evaluation of the conversion coefficient by the induction sensor can be at least 0.1%.
Структура предлагаемого устройства приведена на фигуре, где введены обозначения: 1 - индукционный датчик; 2 - стержневой ферритовый сердечник; XYZ - трехкоординатная система; 3 - диэлектрический куб; 4 -плоская катушка индуктивности.The structure of the proposed device is shown in the figure, where the designations are introduced: 1 - induction sensor; 2 - rod ferrite core; XYZ - three-coordinate system; 3 - dielectric cube; 4 - flat inductor.
Индукционные датчики 1.1, 1.2, 1.3, 1.4, 1.5, 1.6 каждой оси намотаны на соответствующие ферритовые сердечники 2.1, 2.2, 2.3, 2.4, 2.5, 2.6, соединены последовательно и жестко зафиксированы с центральным диэлектрическим кубом 3. На все грани куба 3 нанесены плоские катушки индуктивности 4 (на фигуре представлены катушки 4.1, 4.2 и 3.3. Катушки 4.4, 4.5 и 4.6 не представлены, так как не видны). Куб 3 с плоскими катушками 4 представляет собой внутреннюю трехкомпонентную меру магнитной индукции.Induction sensors 1.1, 1.2, 1.3, 1.4, 1.5, 1.6 of each axis are wound on the corresponding ferrite cores 2.1, 2.2, 2.3, 2.4, 2.5, 2.6, connected in series and rigidly fixed with the central
Работа магнитометра аналогична работе прототипа с некоторым отличием, связанным с калибровкой индукционных датчиков магнитометра непосредственно в процессе его эксплуатации.The operation of the magnetometer is similar to that of the prototype with some difference related to the calibration of the induction sensors of the magnetometer directly during its operation.
Перед применением устройства проводится его калибровка с помощью внешней меры магнитной индукции или с помощью магнитного диполя.Before using the device, it is calibrated using an external magnetic induction measure or using a magnetic dipole.
После этой калибровки проводится калибровка с помощью внутренней трехкомпонентной меры магнитной индукции. Для этого последовательно все шесть катушек индуктивности 4 создают внутреннее эталонное переменное магнитное поле с помощью калибровочного тока, протекающего через соответствующие катушки 4. При этом производится измерение величины амплитуды этих магнитных полей трехкоординатным индукционным магнитометром. Например, поле плоской катушки 4.1 измеряется датчиком 1.1, катушки 4.2 - датчиком 1.3 и так далее. Эти измеренные значения запоминаются и считаются исходными, имея в виду, что на данный момент трехкоординатный индукционный магнитометр был уже откалиброван с помощью внешней трехкомпонентной меры магнитной индукции.After this calibration, a calibration is carried out using an internal three-component magnetic flux density standard. To do this, successively all six inductance coils 4 create an internal reference alternating magnetic field using a calibration current flowing through the corresponding coils 4. In this case, the magnitude of the amplitude of these magnetic fields is measured with a three-coordinate induction magnetometer. For example, the field of a 4.1 flat coil is measured by a 1.1 sensor, a 4.2 coil by a 1.3 sensor, and so on. These measured values are memorized and considered as initial, bearing in mind that at this point the three-axis induction magnetometer has already been calibrated using an external three-component magnetic induction measure.
В процессе эксплуатации трехкоординатного индукционного магнитометра периодически проводится его самокалибровка. Для этого результаты периодических измерений калибровочного магнитного поля, создаваемого внутренней мерой индукции, сравниваются с исходными и при необходимости производится корректировка коэффициента преобразования каждого из шести индукционных датчиков, например, путем учета при дальнейших математических вычислениях.During the operation of the three-coordinate induction magnetometer, its self-calibration is periodically carried out. For this, the results of periodic measurements of the calibration magnetic field created by the internal measure of induction are compared with the initial ones and, if necessary, the conversion coefficient of each of the six induction sensors is corrected, for example, by taking into account in further mathematical calculations.
Этим достигается указанный в изобретении технический результат.This achieves the technical result specified in the invention.
Если обнаруживается существенное изменение параметров индукционного датчика, то тогда делается вывод о невозможности его эксплуатации.If a significant change in the parameters of the induction sensor is detected, then a conclusion is made about the impossibility of its operation.
Куб должен быть выполнен из диэлектрического немагнитного материала с низким температурным коэффициентом линейного расширения и с высокими механическими свойствами, например из ситалла. В настоящее время технологически достижимы точность линейных размеров ±0,03 мм, точность углов ±3 угловых секунды [https://oltech.ru/catalog/prizmy-i-kubiki/]. Индукционный датчик трехкоординатного индукционного магнитометра выполнен в виде катушки индуктивности.The cube should be made of a dielectric non-magnetic material with a low temperature coefficient of linear expansion and with high mechanical properties, for example, from sitall. Currently, technologically achievable linear dimensions accuracy of ± 0.03 mm, angular accuracy of ± 3 arc seconds [https://oltech.ru/catalog/prizmy-i-kubiki/]. The induction sensor of the three-coordinate induction magnetometer is made in the form of an inductor.
Таким образом, предлагаемое устройство обеспечивает повышение точности, стабильности и надежности работы трехкоординатного индукционного магнитометра за счет постоянной самокалибровки индукционных датчиков магнитометра непосредственно в процессе его эксплуатации.Thus, the proposed device improves the accuracy, stability and reliability of the three-coordinate induction magnetometer due to the constant self-calibration of the induction sensors of the magnetometer directly during its operation.
Claims (1)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2020133852A RU2751577C1 (en) | 2020-10-13 | 2020-10-13 | Three-axis induction magnetometer with self-calibration |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2020133852A RU2751577C1 (en) | 2020-10-13 | 2020-10-13 | Three-axis induction magnetometer with self-calibration |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2751577C1 true RU2751577C1 (en) | 2021-07-15 |
Family
ID=77020054
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2020133852A RU2751577C1 (en) | 2020-10-13 | 2020-10-13 | Three-axis induction magnetometer with self-calibration |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2751577C1 (en) |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2262711C2 (en) * | 2003-11-14 | 2005-10-20 | Закрытое акционерное общество "МЕРА" | Method for determining the calibration matrix of a three-component magnetometer (versions) |
| RU2285931C1 (en) * | 2005-04-22 | 2006-10-20 | Борис Михайлович Смирнов | Device for determining angular position of moveable object |
| JP2014085176A (en) * | 2012-10-22 | 2014-05-12 | Nippon Soken Inc | Pointing vector measuring device |
| RU2620326C1 (en) * | 2016-06-09 | 2017-05-24 | Общество С Ограниченной Ответственностью "Феникс" | Device for contactless diagnostics of the underground pipelines technical condition with the possibility of calibration in the field conditions |
-
2020
- 2020-10-13 RU RU2020133852A patent/RU2751577C1/en active
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2262711C2 (en) * | 2003-11-14 | 2005-10-20 | Закрытое акционерное общество "МЕРА" | Method for determining the calibration matrix of a three-component magnetometer (versions) |
| RU2285931C1 (en) * | 2005-04-22 | 2006-10-20 | Борис Михайлович Смирнов | Device for determining angular position of moveable object |
| JP2014085176A (en) * | 2012-10-22 | 2014-05-12 | Nippon Soken Inc | Pointing vector measuring device |
| RU2620326C1 (en) * | 2016-06-09 | 2017-05-24 | Общество С Ограниченной Ответственностью "Феникс" | Device for contactless diagnostics of the underground pipelines technical condition with the possibility of calibration in the field conditions |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US3617865A (en) | Method and apparatus for locating a buried metallic line employing magnetic field gradient measurements | |
| Ripka | Review of fluxgate sensors | |
| US4995165A (en) | Roll-independent magneto meter system | |
| Ripka | Sensors based on bulk soft magnetic materials: Advances and challenges | |
| EP1810046B1 (en) | Sensor for measuring magnetic flux | |
| JP2698805B2 (en) | Apparatus for determining the strength and direction of a magnetic field and use of the apparatus | |
| CN102565728B (en) | Method for measuring magnetic permeability of cylindrical soft magnetic material | |
| DE3854189D1 (en) | Electromagnetic device for position measurements. | |
| US3800213A (en) | Three axis toroidal fluxgate type magnetic sensor | |
| US2861242A (en) | Magnetometer | |
| RU2586392C1 (en) | Magnetic method of measuring thermodynamic temperature in power units | |
| US5329269A (en) | Single core triaxial flux-gate magnetometer | |
| RU2751577C1 (en) | Three-axis induction magnetometer with self-calibration | |
| Abdallh et al. | A Rogowski–Chattock coil for local magnetic field measurements: sources of error | |
| Ishii et al. | Improvement of formula and uncertainty of the reference magnetic field for AC magnetometer calibration | |
| US3487459A (en) | Induced magnetic compensation for misalignment of magnetic gradiometer sensors | |
| US5270648A (en) | Single core triaxial flux-gate magnetometer | |
| US20140055131A1 (en) | Magnetic field sensor | |
| Khosravi et al. | Comparison of a designed scalar proton precession magnetometer with a scalar calibrated 3-axis fluxgate magnetometer | |
| RU2620326C1 (en) | Device for contactless diagnostics of the underground pipelines technical condition with the possibility of calibration in the field conditions | |
| JP3183187U (en) | Magnetic probe performance inspection system | |
| EP2388608A1 (en) | Fluxgate sensor circuit for measuring the gradient of a magnetic field | |
| US3430132A (en) | Magnetic thickness measuring apparatus utilizing one fixed and one movable measuring coil | |
| GB2044460A (en) | Fluxgate magnetometers | |
| Hall et al. | Best practice guide for the generation and measurement of DC magnetic fields in the magnetic field range of 1 nT to 1 mT. |