一种磁强计正交性标定测试方法及标定测试装置

摘要

本发明提供一种磁强计正交性标定测试方法及标定测试装置，方法包括将所述磁强计放置在标定设备中，所述磁强计位于所述标定设备的交流磁场的均匀区域；在所述交流磁场中转动所述磁强计，所述磁强计在所述交流磁场中转动多个不同的方位；在记录时间内记录所述磁强计在每个所述方位上探测的所述交流磁场的输出数据，采用线圈给定的所述交流磁场的磁场模量对所述磁强计的交流正交性进行标定测试。本申请的方法及装置能够标定测试磁强计的交流正交性，填补了磁强计，尤其是三轴磁强计交流标定测试领域的空白。本发明对磁强计交流正交性的标定测试，标定测试结果准确。本发明的标定测试装置的操作简单、计算方便，能够完成全部误差项的标定。

说明书

技术领域

本发明涉及三轴磁强计的标定领域，具体涉及一种磁强计正交性标定测试方法及标定测试装置。

背景技术

由于三轴磁强计的制造误差和装配误差，以及外界铁磁物体对磁场的干扰，其测量地磁场的精度较低。磁强计的误差来源于环境干扰和磁强计的自身误差。环境干扰包括硬磁干扰和软磁干扰，磁强计自身的主要误差包括零偏误差、标度因子误差、非正交误差、安装对准误差。这些误差严重影响磁强计应用于航向确定和姿态测量的精度，需要进行标定，得到误差系数，进而补偿磁强计原始输出。

目前标定方法有很多，主要包括：

1.磁强计在水平面内转动一周，利用磁强计输出的最大值和最小值完成2轴磁强计的标度因子误差和零偏误差的标定。但是，此方法只能完成2轴的磁强计标定，且只能标定部分误差项，精度低。

2.通过三维空间内旋转磁强计的椭球拟合标定方法，其无法标定由软磁干扰、非正交误差、安装误差造成的旋转误差项，补偿效果有限，且通过最小二乘法的椭球拟合过程计算量大。

3.利用高精度无磁转台确定方向，并通过更高精度的磁强计获取磁场数据，通过实验确定误差系数，其校正精度高，但对设备要求高，且操作复杂。

4.将磁强计固定在正方体内，通过12个不同的摆放方位，对磁强计的误差系数进行求解。然而此方法对12个摆放朝向的准确度要求高，且依赖的数据点较少，在随机噪声较大时，容易产生较大的标定误差。

总的来说，目前相关的标定方法具有设备要求高、操作复杂、计算复杂、只完成部分误差项的标定或者只适用于2轴磁强计的标定等缺点。

发明内容

为了克服现有技术中磁强计尤其是三轴磁强计标定方法所存在的不足及缺陷，本发明提供了一种磁强计交流正交性标定测试方法及标定测试装置。

根据本发明的实施例，提供了一种磁强计交流正交性标定测试方法，包括：

将所述磁强计放置在标定设备中，所述磁强计位于所述标定设备的交流磁场的均匀区域，所述交流磁场中任意一点的总的磁场强度B²与三个磁场分量的关系如方程式(1)所示：

在所述交流磁场中转动所述磁强计，所述磁强计在所述交流磁场中转动多个不同的方位，分别在每个方位上测量所述交流磁场的三个磁场分量，由于所述磁强计的三轴的不正交性，所述交流磁场的三个磁场分量的测量值B'_x、B'_y、B'_z分别如方程式(2)-(3)所示：

B'_x＝S_x+B_x+x₀(2)，

B'_y＝S_y(B_ycos(ρ)+B_xsin(ρ))+y₀(3)，

根据所述磁强计测得的所述交流磁场的所述三个磁场分量B'_x、B'_y、B'_z的多组测量值，获得系数S_x、S_y、S_z、x₀、y₀、z₀、ρ、及λ；

在记录时间内记录所述磁强计在每个所述方位上探测的所述交流磁场的输出数据，采用线圈给定的所述交流磁场的磁场模量对所述磁强计的交流正交性进行标定测试；

其中，S_x、S_y、S_z是所述磁场的三个所述磁场分量的标度因子误差；

x₀、y₀、z₀是所述交流磁场的零点；

ρ表示测量值B'_y在y方向上的偏离角；表示测量值B'_z在z方向上的偏离角；λ表示测量值B_z在x方向上的偏离角。

可选地，根据所述方程式(2)-(4)，获得系数S_x、S_y、S_z、x₀、y₀、z₀、ρ、及λ还包括如下步骤：

将所述方程式(2)-(4)联立得到B_x、B_y、B_z，代入所述方程式(1)得到如下方程式(5)：

其中，系数A1、B1、C1、D1、E1、F1、G1、H1、I1及J1是S_x、S_y、S_z、x₀、y₀、z₀、ρ、及λ的函数，通过多组所述测量值B'_x、B'_y、B'_z，采用最小二乘法拟合出所述系数A1、B1、C1、D1、E1、F1、G1、H1、I1及J1。

可选地，所述交流磁场的幅值范围介于0nT～100000nT，频率介于0.0001Hz～100kHz。

可选地，所述磁强计在所述交流磁场中转动至少9个不同的所述方位，所述记录时间不少于1min。

可选地，将所述磁强计放置在所述标定设备中之后，还包括对所述磁强计进行预热的步骤，其中所述磁强计的预热时间不少于15min。

可选地，所述交流磁场的输出数据包括磁场峰峰值或者功率谱值。

可选地，所述标定设备包括三轴磁场线圈、磁场干扰消除系统以及三路恒流电源，所述磁场干扰消除系统包括三轴补偿线圈、光泵磁力仪以及干扰磁场补偿控制系统，

将所述磁强计放置在所述标定设备中之后，向所述三轴磁场线圈施加电流形成所述交流磁场，同时所述磁场干扰消除系统工作，消除环境磁场对所述磁场的干扰。

可选地，在将所述磁强计放置在所述标定设备之前，还包括将所述磁强计固定在无磁三轴转台上，所述无磁三轴转台放置于所述三轴磁场线圈中。

可选地，所述无磁三轴转台包括：

水平设置的转盘α；

位于所述转盘α的上方，同样水平设置的转盘γ；以及

垂直于所述转盘α及所述转盘γ设置的转盘β；

其中，所述转盘α及所述转盘γ相互平行地间隔设置，所述转盘β包括至少一对相对设置的转盘，所述转盘β的中心设置在所述转盘γ的边缘外侧并且所述转盘β支撑所述转盘γ，所述转盘α的边缘与所述转盘β的边缘连接以支撑所述转盘β。

可选地，所述无磁三轴转台还包括支撑架，所述支撑架包括支撑面以及用于固定并支撑所述支撑面的支撑柱，所述转盘α可转动地设置在所述支撑架的所述支撑面上。

可选地，所述磁强计固定在所述转盘γ的中心位置，所述磁强计的中心与所述转盘γ的中心重合并且随所述转盘γ的转动而转动。

根据本发明的另一实施例，提供了一种磁强计交流正交性标定测试装置，包括：

标定设备，用于产生交流磁场；

无磁三轴转台，用于固定所述磁强计，将固定有所述磁强计的无磁三轴转台放置在所述交流磁场的均匀区域，所述无磁三轴转台带动所述磁强计在所述交流磁场中转动多个不同的方位；

数据处理单元，与所述磁强计电连接，用于在记录时间内接收所述磁强计的在每个所述方位上探测的所述交流磁场的输出数据，并对所述输出数据进行分析处理。

可选地，所述标定设备产生的所述交流磁场的幅值范围介于0nT～100000nT，频率介于0.0001Hz～100k Hz。

可选地，所述标定设备包括所述标定设备包括三轴磁场线圈、磁场干扰消除系统以及三路恒流电源，

其中，向所述三轴磁场线圈施加电流以形成所述交流磁场；

所述磁场干扰消除系统包括三轴补偿线圈、光泵磁力仪以及干扰磁场补偿控制系统，所述磁场干扰消除系统用于消除环境磁场对所述磁场的干扰。

可选地，所述无磁三轴转台包括：

水平设置的转盘α；

位于所述转盘α的上方，同样水平设置的转盘γ；以及

垂直于所述转盘α及所述转盘γ设置的转盘β；

其中，所述转盘α及所述转盘γ相互平行地间隔设置，所述转盘β包括至少一对相对设置的转盘，所述转盘β的中心设置在所述转盘γ的边缘外侧并且所述转盘β支撑所述转盘γ，所述转盘α的边缘与所述转盘β的边缘连接以支撑所述转盘β。

可选地，所述无磁三轴转台还包括支撑部，所述支撑部包括支撑面以及用于固定并支撑所述支撑面的支撑柱，所述转盘α可转动地设置在所述支撑架的所述支撑面上。

可选地，所述磁强计固定在所述转盘γ的中心位置可随所述转盘γ的转动而转动。

如上所述，本发明的磁强计交流正交性标定测试方法及标定测试装置具有如下技术效果：

本申请的方法及装置能够标定测试磁强计的交流正交性，填补了磁强计，尤其是三轴磁强计交流标定测试领域的空白。本发明对磁强计交流正交性的标定测试，标定测试结果准确。

本发明的标定测试装置的操作简单、计算方便，能够完成全部误差项的标定。

附图说明

通过参考附图会更加清楚地理解本发明的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本发明进行任何限制，在附图中：

图1显示为实施例一提供的磁强计正交性标定测试方法的流程图。

图2显示为图1所示方法中标定设备的装置示意图。

图3显示为图1所示方法中标定设备的原理示意图。

图4显示为图1所示方法中的无磁三轴转台示意图。

图5显示为磁强计的三个轴不正交时与坐标轴的夹角示意图。

附图标记

10 磁强计

20 无磁三轴转台

201转盘γ

202转盘β

203转盘α

204支撑面

205支撑柱

30 标定设备

301三轴磁场线圈

302屏蔽壳

303容纳腔室

304固定部

305三轴补偿线圈A

306三轴补偿线圈B

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一

本实施例提供一种磁强计正交性标定测试方法，如图1所示，该方法包括以下步骤：

将磁强计放置在标定设备中，所述磁强计位于所述标定设备的交流磁场的均匀区域；

在实施例的优选实施例中，将磁强计放置在标定设备中之后，还可以首先对磁强计进行预热的步骤，例如，可以对所述磁强计预热至少15min。经过该预热过程，一方面，磁强计的自身温度，例如其探头，的温度趋于平衡；另一方面，磁强计中的各电子学器件，例如探头等，的电子学性能在这一过程中能够趋于稳定，使得整个磁强计的性能处于稳定状态。由此也能够避免因温度或者磁强计性能不稳定带来的标定误差，从而提高磁强计正交性标定的精确度。

如图2所示，磁强计10位于标定设备30中，具体地，位于标定设备30的容纳腔室303中。在本实施例的优选实施例中，将磁强计10放置于标定设备之前，首先将磁强计固定在图4所示的无磁三轴转台20上，然后将无磁三轴转台20连同固定在其上的磁强计10放置于标定设备30的容纳腔室303中。

在本实施例的优选实施例中，如图3所示，所述标定设备30包括磁场干扰消除系统以及三轴磁场线圈301，其中所述磁场干扰消除系统包括第一三轴补偿线圈305及第二三轴补偿线圈306、光泵磁力仪以及干扰磁场补偿控制系统(未示出)，所述磁场干扰消除系统用于消除环境磁场对所述标定设备30产生的交流磁场的干扰。所述标定设备30的三轴磁场线圈301用于产生交流磁场，在本实施例的优选实施例中，产生的交流磁场的幅值范围介于0nT～100000nT，频率介于0.0001Hz～100k Hz。在更优选的实施例中，交流磁场的幅值为50nT，频率为1Hz。

在所述交流磁场的均匀区域的任意一点出，磁场的总磁场强度B²与三个磁场分量的关系如方程式(1)所示：

另外，在本实施例的另一优选实施例中，如图2所示，所述标定设备30还包括屏蔽壳302，该屏蔽壳302也能够起到消除环境磁场干扰的作用。标定设备30还包括固定部304，该固定部304使整个标定设备30处于稳固状态，不会出现机械振动或移动，以免影响标定结果。

在所述交流磁场中转动所述磁强计，所述磁强计在所述交流磁场中转动多个不同的方位；

在本实施例的优选实施例中，至少转动磁强计9个不同的方位，例如：在本实施例的优选实施例中，磁强计固定在无磁三轴转台20上。如图4所示，无磁三轴转台20包括水平设置的转盘α203；位于所述转盘α203的上方，同样水平设置的转盘γ201；以及垂直于所述转盘α203及所述转盘γ201设置的转盘β202。在本实施例的优选实施例中，所述转盘α203及所述转盘γ201相互平行地间隔设置。转盘β202包括至少一对相对设置的转盘，例如图3所示的一对相对设置的转盘β202。并且所述转盘β202的中心设置在所述转盘γ201的边缘外侧，所述转盘β202支撑所述转盘γ。所述转盘α的边缘与所述转盘β的边缘连接以支撑所述转盘β。

在本实施例的另一优选实施例中，磁强计10固定在转盘γ201的中心位置，并且磁强计10的中心与转盘γ201的中心重合设置。进行磁强计10标定测试时，对所述无磁三轴转台20施加驱动力，使无磁三轴转台20的转盘α203、转盘β202及转盘γ20转动，由此带动固定在转盘γ201上的磁强计10转动。根据标定测试的需要，至少转动9个不同的方向。例如，使所述转盘α203在水平面内转动，转盘β202相对转盘α203不转动，而是由转盘α203带动也在水平面内转动转动，转盘γ201自身不想对转盘α203或转盘β202转动，而是由转盘β202的转动带动，在水平面内转动，由此可以根据需要将所述磁强计转动不同的俯仰角度。另外，使转盘α203静止，转盘β202相对所述转盘α203在垂直面内转动，从而带动转盘γ201连同固定在其上磁强计10在垂直面内转动，从而将磁强计转动不同的横滚角度。

在本实施例的一优选实施例中，对所述磁强计进行下表1所示的转动：

表1磁强计的转动方向

如表1所示，磁强计至少在半球体内转动多个不同的角度，由此增加磁强计的输出数据，增加标定测试的精确度。

在预定时间内记录所述磁强计在每个所述方位上探测的所述交流磁场的输出数据，采用线圈给定的所述交流磁场的磁场模量对所述磁强计的交流正交性进行标定测试；在本实施例的优选实施例中，所述交流磁场的输出数据包括输出磁场峰峰值或者功率谱值。

由于所述磁强计的三轴的不正交性，磁强计10的三个轴与坐标轴之间存在夹角，如图5所示，ρ表示测量值B'_y在y方向上的偏离角；表示测量值B'_z在z方向上的偏离角；λ表示测量值B_z在x方向上的偏离角。

所述交流磁场的三个磁场分量的测量值分别如方程式(2)-(3)所示：

B'_x＝S_x+B_x+x₀(2)；

B'_y＝S_y(B_ycos(ρ)+B_xsin(ρ))+y₀(3)；

将所述方程式(2)-(4)联立得到B_x、B_y、B_z。代入所述方程式(1)得到如下方程式(5)：

其中，系数A1、B1、C1、D1、E1、F1、G1、H1、I1及J1是S_x、S_y、S_z、x₀、y₀、z₀、ρ、及λ的函数，通过多组所述测量值B'_x、B'_y、B'_z，采用最小二乘法拟合出所述系数A1、B1、C1、D1、E1、F1、G1、H1、I1及J1。

然后求解所述方程式(2)-(4)，得出系数S_x、S_y、S_z、x₀、y₀、z₀、ρ、及λ；

其中，S_x、S_y、S_z是所述磁场的三个所述磁场分量的标度因子误差；

x₀、y₀、z₀是所述交流磁场的零点。

在本实施例的优选实施例中，每个方位的记录时间不少于1min，这样可以更加准确地记录磁强计10的输出数据，减小磁强计标定测试的误差。

实施例二

本实施例提供一种磁强计正交性标定测试装置，该装置包括：

标定设备，用于产生交流磁场；

无磁三轴转台，用于固定待标定测试的磁强计，将所述磁强计置于在所述交流磁场的均匀区域，所述无磁三轴转台带动所述磁强计在所述交流磁场中转动多个不同的方位；

数据处理单元，与所述磁强计10电连接，用于在记录时间内接收所述磁强计的在每个所述方位上探测的所述交流磁场的输出数据，并对所述输出数据进行分析处理。例如，数据处理单元可以根据磁强计的输出数据进行实施例一所述的运算，得到各系数。

如图3所示，标定设备30包括磁场干扰消除系统以及三轴磁场线圈301，其中所述磁场干扰消除系统包括第一三轴补偿线圈A 305及第二三轴补偿线圈B 306、光泵磁力仪以及干扰磁场补偿控制系统(未示出)，所述磁场干扰消除系统用于消除环境磁场对所述标定设备产生的交流磁场的干扰。三轴磁场线圈301用于产生交流磁场，在本实施例的优选实施例中，产生的交流磁场的幅值范围介于0nT～100000nT，频率介于0.0001Hz～100k Hz。在更优选的实施例中，交流磁场的幅值为50nT，频率为1Hz。

如图4所示，无磁三轴转台20包括水平设置的转盘α203；位于所述转盘α203的上方，同样水平设置的转盘γ201；以及垂直于所述转盘α203及所述转盘γ201设置的转盘β202。在本实施例的优选实施例中，所述转盘α203及所述转盘γ201相互平行地间隔设置。转盘β202包括至少一对相对设置的转盘，例如图3所示的一对相对设置的转盘β202。并且所述转盘β202的中心设置在所述转盘γ201的边缘外侧，所述转盘β202支撑所述转盘γ。所述转盘α的边缘与所述转盘β的边缘连接以支撑所述转盘β。

在本实施例的另一优选实施例中，磁强计10固定在转盘γ201的中心位置，并且磁强计10的中心与转盘γ201的中心重合设置。进行磁强计10标定测试时，对所述无磁三轴转台20施加驱动力，使无磁三轴转台20转动，其转盘α203、转盘β202及转盘γ20同时转动，由此带动固定在转盘γ201上的磁强计10转动。根据标定测试的需要，无磁三轴转台20至少能够转动9个不同的方向。

在本实施例的一优选实施例中，同样对所述磁强计进行实施例一中表1所示的转动。如表1所示，磁强计至少在半球体内转动多个不同的角度，由此增加磁强计的输出数据，增加标定测试的精确度。

上述实施例的磁强计交流正交性标定测试方法及标定测试装置具有如下技术效果：

本申请的方法及装置能够标定测试磁强计的交流正交性，填补了磁强计，尤其是三轴磁强计交流标定测试领域的空白。本发明对磁强计交流正交性的标定测试，标定测试结果准确，

本发明的标定测试装置的操作简单、计算方便，能够完成全部误差项的标定。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明，本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下作出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。