磁传感器阵列测量中的平行度误差补偿方法和系统

摘要

本发明公开了一种磁传感器阵列测量中的平行度误差补偿方法和系统，将被测磁传感器阵列多种方式固定在转台上，通过转动磁传感器阵列的同时采集不同转角下每个磁传感器输出的数据从而获得每个磁传感器各个磁轴的固有方位误差角和固有俯仰误差角，从而得到修正矩阵对每个磁传感器进行修正，能够将三分量磁力仪敏感轴之间的平行度误差补偿至0.02°以内，有效的提高了梯度张量仪对磁性目标的定位精度。

说明书

技术领域

本发明涉及精密磁测量技术领域，具体涉及一种磁传感器阵列测量中的平 行度误差补偿方法。

背景技术

梯度张量探测是最近几年才发展起来的技术，应用多个矢量磁传感器构成 的磁力梯度张量测量仪（以下简称张量仪），可对磁性目标进行定位。与光泵磁 力仪的搜索式定位方式不同，张量仪对磁性目标进行定位时无需来回往复地搜 索，且具有定位精度高，操作简单的优点。

梯度张量仪是磁传感器阵列的一种形式，一般由数个（最少3个，多则9 个）三分量磁传感器构成。由于机械安装工艺及传感器制造工艺的限制，安装 误差总是存在的——即各磁传感器的敏感轴并不是平行的。理论计算可以得出： 即使各磁传感器敏感轴之间的平行度误差只有0.05°，则由之带来的测量误差 可达数十纳特，这大大超过了被测目标的信号强度，造成的直接后果就是测量 误差偏大，无法应用于后期的精确定量计算。由于构成梯度张量仪的磁传感器 尺寸较小（长度不超过200mm），而且磁传感器的敏感轴与机械结构参考面之间 存在平行度误差，一般通过精密的机械对准机构进行磁传感器的安装，但是精 密对准机构也只能将平行度误差缩小到0.2°，这远远不能满足梯度张量探测的 要求。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种磁传感器阵列测量中的平行度误差补偿方法 和系统，能够将三分量磁传感器磁敏感轴之间的平行度误差补偿至0.02度以内， 有效提高了梯度张量仪对磁性目标的定位精度。

一种磁传感器阵列测量中的平行度误差补偿方法，所述的磁传感器阵列由n 个磁传感器固定在同一安装板上构成，安装板上有三个两两正交的基准线，每 个磁传感器有三个磁轴，分别为磁轴X、磁轴Y和磁轴Z，以安装板的一个顶 点为原点O，三个基准线方向为X轴、Y轴和Z轴方向建立坐标系，该方法包 括下列步骤：

步骤一、将磁传感器阵列的安装板的XOY平面与转台台面平行固定在转台 上，将磁传感器阵列的X轴与转台的0°刻线对准；

步骤二、旋转转台一周，每旋转15°对磁传感器阵列的每个磁传感器的磁 轴X、磁轴Y的输出数据进行采集，分别获得磁传感器阵列磁轴X的方位角与 磁轴X的输出数据的对应关系、磁轴Y的方位角与磁轴Y输出数据的对应关系； 所述磁轴X的方位角为磁轴X在XOY平面的投影与X轴的夹角，所述磁轴Y 的方位角为磁轴Y在XOY平面的投影与Y轴的夹角；

步骤三、将磁传感器阵列的安装板YOZ平面与转台台面平行固定在转台上， 将Y轴基准线与转台的0°对准；

步骤四、旋转转台一周，每旋转15°对磁传感器阵列的每个磁传感器的磁 轴Y和磁轴Z的输出数据进行采集，分别获得磁传感器阵列磁轴Y的俯仰角与 磁轴Y的输出数据的对应关系、磁轴Z的俯仰角与磁轴Z输出数据的对应关系； 所述磁轴Y的俯仰角为磁轴Y与YOZ平面的投影与Y轴的夹角，所述磁轴Z 的俯仰角为磁轴Z与YOZ平面的投影与Z轴的夹角；

步骤五、将磁传感器阵列的安装板的XOZ平面与转台台面平行固定在转台 上，将Z轴基准线与转台的0°对准；

步骤六、旋转转台一周，每旋转15°对磁传感器阵列的每个磁传感器的磁 轴X和磁轴Z的输出数据进行采集，分别获得磁传感器阵列磁轴X的俯仰角与 磁轴X的输出数据的对应关系、磁轴Z的方位角与磁轴Z输出数据的对应关系； 所述磁轴X的俯仰角为磁轴X在XOZ平面的投影与X轴的夹角，所述磁轴Z 的方位角为磁轴Z在XOZ平面的的投影与Z轴的夹角；

步骤七、分别对步骤二、步骤四和步骤六获得的对应关系进行正弦拟合， 获得每个磁传感器的每个磁轴的方位固有误差角和俯仰固有误差角，方位固有 误差角记为α_mi，俯仰固有误差角记为β_mi，其中m为x、y、z，分别代表磁传 感器的磁轴X、磁轴Y、磁轴Z，i为磁传感器阵列的编号，i=1，2,3……n；

步骤八、根据步骤七获得每个磁传感器的修正矩阵A_i，所述修正矩阵A_i为：

$A_i={\left(\begin{array}{ccc}\cos {\alpha }_{\mathrm{xi}}\cos {\beta }_{\mathrm{xi}}& \sin {\alpha }_{\mathrm{xi}}\cos {\beta }_{\mathrm{xi}}& \sin {\beta }_{\mathrm{xi}}\\ \cos {\alpha }_{\mathrm{yi}}\cos {\beta }_{\mathrm{yi}}& \sin {\alpha }_{\mathrm{yi}}\cos {\beta }_{\mathrm{yi}}& \sin {\beta }_{\mathrm{yi}}\\ \cos {\alpha }_{\mathrm{zi}}\cos {\beta }_{\mathrm{zi}}& \sin {\alpha }_{\mathrm{zi}}\cos {\beta }_{\mathrm{zi}}& \sin {\beta }_{\mathrm{zi}}\end{array}\right)}^{-1}$

步骤九、根据步骤八获得的修正矩阵A_i对磁传感器阵列的第i个传感器的 输出数据进行修正。

一种磁传感器阵列测量中的平行度误差补偿系统，所述的磁传感器阵列由n 个磁传感器固定在同一安装板上构成，安装板上有三个两两正交的基准线，每 个磁传感器有三个磁轴，分别为磁轴X、磁轴Y和磁轴Z，以安装板的一个顶 点为原点O，三个基准线方向为X轴、Y轴和Z轴方向建立坐标系，其特征在 于，该系统包括多路数据采集器、处理模块和输出显示器；

所述多路数据采集器分别对磁传感器阵列的每个磁传感器的每个磁轴的输 出数据进行采集，并发送给处理模块；

所述采集数据具体为：对每个磁传感器的每个磁轴的输出数据进行采集， 针对每个磁传感器，该数据包括该传感器的磁轴X、磁轴Y和磁轴Z的方位角 与输出数据的对应的关系,以及磁传感器的磁轴X、磁轴Y和磁轴Z的俯仰角与 输出数据的对应的关系，所述磁轴X的方位角为磁轴X在XOY平面的投影与 X轴的夹角的，所述磁轴X的俯仰角为磁轴X在XOZ平面的投影与X轴的夹 角；所述磁轴Y的方位角为磁轴Y在XOY平面的投影与Y轴的夹角，所述磁 轴Y的俯仰角为磁轴Y与YOZ平面的投影与Y轴的夹角；所述磁轴Z的方位 角为磁轴Z在XOZ平面的的投影与Z轴的夹角，所述磁轴Z的俯仰角为磁轴Z 与YOZ平面的投影与Z轴的夹角；

所述处理模块具体包括拟合单元、矩阵计算单元、修正单元；

所述拟合单元将多路数据采集器采集到的每个磁轴的转角与输出数据的关 系进行正弦拟合处理，获得每个磁传感器的每个磁轴的方位固有误差角和俯仰 固有误差角；方位固有误差角记为α_mi，俯仰固有误差角记为β_mi，其中m为x、 y、z，分别代表磁传感器的磁轴X、磁轴Y、磁轴Z，i为磁传感器阵列的编号， i=1，2,3……n；

所述矩阵计算单元根据拟合单元获得的每个磁传感器的每个磁轴的方位固 有误差角和俯仰固有误差角获得每个磁传感器的修正矩阵A_i，

修正矩阵A_i为：${\left(\begin{array}{ccc}\cos {\alpha }_{\mathrm{xi}}\cos {\beta }_{\mathrm{xi}}& \sin {\alpha }_{\mathrm{xi}}\cos {\beta }_{\mathrm{xi}}& \sin {\beta }_{\mathrm{xi}}\\ \cos {\alpha }_{\mathrm{yi}}\cos {\beta }_{\mathrm{yi}}& \sin {\alpha }_{\mathrm{yi}}\cos {\beta }_{\mathrm{yi}}& \sin {\beta }_{\mathrm{yi}}\\ \cos {\alpha }_{\mathrm{zi}}\cos {\beta }_{\mathrm{zi}}& \sin {\alpha }_{\mathrm{zi}}\cos {\beta }_{\mathrm{zi}}& \sin {\beta }_{\mathrm{zi}}\end{array}\right)}^{-1}$

所述修正单元根据修正单元A_i获得的每个磁传感器的修正矩阵对第i个磁 传感器的输出数据进行修正，并发送给输出显示器；

所述输出显示器将修正后的输出数据进行显示。

有益效果：

1）本发明将被测磁传感器阵列多种方式固定在转台上，通过转动磁传感器 阵列的同时采集不同转角下每个磁传感器输出的数据从而获得每个磁传感器各 个磁轴的固有方位误差角和固有俯仰误差角，从而得到修正矩阵对每个磁传感 器进行修正，能够将三分量磁力仪敏感轴之间的平行度误差补偿至0.02°以内， 有效的提高了梯度张量仪对磁性目标的定位精度。

2）本发明根据每个磁传感器的每个磁轴的转角和输出数据的对应关系运用 正弦拟合法能够准确地获得每个磁传感器三个磁轴的固有方位误差角和固有俯 仰误差角，进而获得准确的修正矩阵，从而通过数学方法完成各个磁传感器对 应磁轴之间的平行度修正，进一步提高了梯度张量仪对磁性目标的定位精度。

附图说明

图1为磁传感器阵列的示意图。

图2为本发明的系统示意图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明进行详细描述。

一种磁传感器阵列测量中的平行度误差补偿方法，包括下列步骤：

磁传感器阵列由n个三轴磁传感器固定在同一安装板上构成，安装板上有 三个两两正交的基准线，以一个顶点为原点O，三个基准线方向为X轴、Y轴 和Z轴方向建立坐标系。每个磁传感器有三个磁轴，分别为磁轴X、磁轴Y和 磁轴Z，组成阵列时，每个磁传感器的磁轴X、磁轴Y、磁轴Z分别平行于安装 板的X轴的基准线、Y轴的基准线、Z轴的基准线进行固定，但是焊接过程中 存在加工误差，使得n个磁传感器的磁轴并非严格与安装板上的基准线严格平 行。

步骤一、将磁传感器阵列的安装板的XOY平面与转台台面平行固定在转台 上，将磁传感器阵列的X轴与转台的0°刻线对准；

步骤二、旋转转台一周，每旋转15°对磁传感器阵列的每个磁传感器的磁 轴X、磁轴Y的输出数据进行采集，分别获得磁传感器阵列磁轴X的方位角与 磁轴X的输出数据的对应关系、磁轴Y的方位角与磁轴Y输出数据的对应关系； 所述磁轴X的方位角为磁轴X在XOY平面的投影与X轴的夹角，所述磁轴Y 的方位角为磁轴Y在XOY平面的投影与Y轴的夹角。

步骤三、将磁传感器阵列的安装板YOZ平面与转台台面平行固定在转台上， 将Y轴基准线与转台的0°对准；

步骤四、旋转转台一周，每旋转15°对磁传感器阵列的每个磁传感器的磁 轴Y和磁轴Z的输出数据进行采集，分别获得磁传感器阵列磁轴Y的俯仰角与 磁轴Y的输出数据的对应关系、磁轴Z的俯仰角与磁轴Z输出数据的对应关系； 所述磁轴Y的俯仰角为磁轴Y与YOZ平面的投影与Y轴的夹角，所述磁轴Z 的俯仰角为磁轴Z与YOZ平面的投影与Z轴的夹角。

步骤五、将磁传感器阵列的安装板的XOZ平面与转台台面平行固定在转台 上，将Z轴基准线与转台的0°对准；

步骤六、旋转转台一周，每旋转15°对磁传感器阵列的每个磁传感器的磁 轴X和磁轴Z的输出数据进行采集，分别获得磁传感器阵列磁轴X的俯仰角与 磁轴X的输出数据的对应关系、磁轴Z的方位角与磁轴Z输出数据的对应关系； 所述磁轴X的俯仰角为磁轴X与XOZ平面的投影与X轴的夹角，所述磁轴Z 的方位角为磁轴Z与XOZ平面的的投影与Z轴的夹角。

步骤七、分别对步骤二、步骤四和步骤六获得的对应关系进行正弦拟合， 获得每个磁传感器的每个磁轴的方位固有误差角和俯仰固有误差角，方位固有 误差角记为α_mi，俯仰固有误差角记为β_mi，其中m为x、y、z，分别代表磁传 感器的磁轴X、磁轴Y、磁轴Z，i为磁传感器阵列的编号，i=1，2,3……n；

步骤八、根据步骤七获得每个磁传感器的修正矩阵A_i，所述修正矩阵A_i为：

$A_i={\left(\begin{array}{ccc}\cos {\alpha }_{\mathrm{xi}}\cos {\beta }_{\mathrm{xi}}& \sin {\alpha }_{\mathrm{xi}}\cos {\beta }_{\mathrm{xi}}& \sin {\beta }_{\mathrm{xi}}\\ \cos {\alpha }_{\mathrm{yi}}\cos {\beta }_{\mathrm{yi}}& \sin {\alpha }_{\mathrm{yi}}\cos {\beta }_{\mathrm{yi}}& \sin {\beta }_{\mathrm{yi}}\\ \cos {\alpha }_{\mathrm{zi}}\cos {\beta }_{\mathrm{zi}}& \sin {\alpha }_{\mathrm{zi}}\cos {\beta }_{\mathrm{zi}}& \sin {\beta }_{\mathrm{zi}}\end{array}\right)}^{-1}$

步骤九、根据步骤八获得的修正矩阵A_i对磁传感器阵列的第i个传感器的 输出数据进行修正。

每个磁传感器的每个磁轴的方位固有误差角和俯仰固有误差角的方法具体 为：每个磁传感器的每个磁轴的输出信号满足公式:

y＝A×sin(ψ-θ)+B      （1）

ψ为旋转角度，θ为固有误差角，B为磁轴输出数据的偏移量；

因此，对获得的将各个磁传感器的输出数据y和旋转角度ψ对应关系进行正 弦拟合，即带入到所述公式（1）中，即获得每个磁传感器的各磁轴的固有误差 角θ，θ为固有方位角或固有俯仰误差角。

基于上述方法的一种磁传感器阵列测量中的平行度误差补偿系统，一种磁 传感器阵列测量中的平行度误差补偿系统，包括多路数据采集器、处理模块和 输出显示器；

所述多路数据采集器分别对磁传感器阵列的每个磁传感器的每个磁轴的输 出数据进行采集，并发送给处理模块；所述磁传感器阵列由n个磁传感器构成；

所述采集数据具体为：对每个磁传感器的每个磁轴的输出数据进行采集， 针对其中一个磁轴，该数据包括该磁轴的方位角和对应的输出数据的关系、该 磁轴俯仰角和对应的输出数据。

所述处理模块具体包括拟合单元、矩阵计算单元和修正单元；

所述拟合单元将多路数据采集器采集到的每个磁轴的转角与输出数据的关 系进行正弦拟合处理，获得每个磁传感器的每个磁轴的方位固有误差角和俯仰 固有误差角；方位固有误差角记为α_mi，俯仰固有误差角记为β_mi，其中m为x、 y、z，分别代表磁传感器的磁轴X、磁轴Y、磁轴Z，i为磁传感器阵列的编号， i=1，2,3……n；

所述矩阵计算单元根据拟合单元获得的每个磁传感器的每个磁轴的方位固 有误差角和俯仰固有误差角获得每个磁传感器的修正矩阵A_i，

修正矩阵A_i为：${\left(\begin{array}{ccc}\cos {\alpha }_{\mathrm{xi}}\cos {\beta }_{\mathrm{xi}}& \sin {\alpha }_{\mathrm{xi}}\cos {\beta }_{\mathrm{xi}}& \sin {\beta }_{\mathrm{xi}}\\ \cos {\alpha }_{\mathrm{yi}}\cos {\beta }_{\mathrm{yi}}& \sin {\alpha }_{\mathrm{yi}}\cos {\beta }_{\mathrm{yi}}& \sin {\beta }_{\mathrm{yi}}\\ \cos {\alpha }_{\mathrm{zi}}\cos {\beta }_{\mathrm{zi}}& \sin {\alpha }_{\mathrm{zi}}\cos {\beta }_{\mathrm{zi}}& \sin {\beta }_{\mathrm{zi}}\end{array}\right)}^{-1}$

所述修正单元根据修正单元A_i获得的每个磁传感器的修正矩阵对第i个磁 传感器的输出数据进行修正，并发送给输出显示器；

所述输出显示器将修正后的输出数据进行显示。

本实施例以第一个磁传感器的修正为例，第一个磁传感器的修正矩阵为：

${\left(\begin{array}{ccc}\cos {\alpha }_{x1}\cos {\beta }_{x1}& \sin {\alpha }_{x1}\cos {\beta }_{x1}& \sin {\beta }_{x1}\\ \cos {\alpha }_{y1}\cos {\beta }_{y1}& \sin {\alpha }_{y1}\cos {\beta }_{y1}& \sin {\beta }_{y1}\\ \cos {\alpha }_{z1}\cos {\beta }_{z1}& \sin {\alpha }_{z1}\cos {\beta }_{z1}& \sin {\beta }_{z1}\end{array}\right)}^{-1}$

当第一个磁传感器采集到的三个磁轴的输出分别为B_x1、B_y1、B_z1时，修正 后的输出为B′_x1、B′_y1、B′_z1为：

$\left(\begin{array}{c}{B}_{x1}^{\prime }\\ B_{y1}^{\prime }\\ B_{z1}^{\prime }\end{array}\right)={\left(\begin{array}{ccc}\cos {\alpha }_{x1}\cos {\beta }_{x1}& \sin {\alpha }_{x1}\cos {\beta }_{x1}& \sin {\beta }_{x1}\\ \cos {\alpha }_{y1}\cos {\beta }_{y1}& \sin {\alpha }_{y1}\cos {\beta }_{y1}& \sin {\beta }_{y1}\\ \cos {\alpha }_{z1}\cos {\beta }_{z1}& \sin {\alpha }_{z1}\cos {\beta }_{z1}& \sin {\beta }_{z1}\end{array}\right)}^{-1}\left(\begin{array}{c}{B}_{x1}\\ B_{y1}\\ B_{z1}\end{array}\right)$

本实施例给出了由五个三分量磁传感器构成的磁传感器阵列平行度修 正前后的对照关系：修正前各磁传感器相应的敏感轴之间的平行度误差在 -2.741°～2.361°之间，如表1所示，单位为度。

表1

按照上述方法进行平行度误差补偿后，各磁传感器相应的磁轴之间的平行度 误差均在-0.02°～0.02°之间，单位为度。

表2

可以看出：修正后的平行度误差大大降低，降低至未修正前误差的1%，能 够将三分量磁力仪敏感轴之间的平行度误差补偿至0.02°以内，有效的提高了 梯度张量仪对磁性目标的定位精度。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保 护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等， 均应包含在本发明的保护范围之内。