地球磁场相对位移矢量自动测量系统

摘要

本发明提供一种地球磁场相对位移矢量自动测量系统，其特征在于：包括托架、直径不同的两个空心玻璃球、电机、电机支架、指南针、托盘、无线接收器、感应模块、磁针传感器和信号处理模块，其中两个空心玻璃球同圆心活动套装，大玻璃球活动支撑在托架内，电机固定吊装在电机支架中心的底部，托盘水平固定在电机输出轴的顶端，指南针吊装在电机支架上，磁针传感器、感应模块和信号处理模块均安装在托盘上，且磁针传感器位于指南针的正下方，输出端接信号处理模块，蓄电池的输入端接光电板，输出端接磁针传感器、感应模块和信号处理模块，并经无线接收器接电机的控制端。本发明能够调节感应模块的朝向，计算地球磁场空间内始点、终点的相对位移矢量。

说明书

技术领域

本发明涉及一种地球磁场相对位移矢量自动测量系统，属于检测仪器技术领域。

背景技术

众所周知，地球是一个大磁场，其本身及在周围空间产生的广阔磁场即地磁场。近年来，随着科学技术的发展，各种能够检测地球磁场的磁传感器相继问世，常见的有磁阻传感器、磁通传感器等。这些磁传感器的产品化及批量生产，大大提高了人们利用地球磁场的能力。但是，目前人们只能利用上述技术实现地球磁场方向的检测，对于地球磁场相对位移矢量的测量就无能为力。

发明内容

本发明的目的是一种能克服上述缺陷、能够准确测量地球磁场相对位移矢量的地球磁场相对位移矢量自动测量系统。其技术方案为：

一种地球磁场相对位移矢量自动测量系统，其特征在于：包括托架、直径不同的两个空心玻璃球、电机、电机支架、电源装置、指南针、托盘、无线接收器、感应模块、磁针传感器和信号处理模块，其中两个空心玻璃球同圆心活动套装，大玻璃球活动支撑在托架内，电机由过球心的电机支架固定吊装在电机支架中心的底部，托盘水平固定在电机输出轴的顶端，指南针位于电机的上方且吊装在电机支架上，磁针传感器、感应模块和信号处理模块均安装在托盘上，且磁针传感器位于指南针的正下方，输出端接信号处理模块，无线接收器安装在电机支架上，电源装置包括蓄电池和贴附在小玻璃球内壁上的若干光电板，蓄电池的输入端接光电板，输出端接磁针传感器、感应模块和信号处理模块，并经无线接收器接电机的控制端。

所述的地球磁场相对位移矢量自动测量系统，两个空心玻璃球分别由两个半球固定对接而成，托架上设有多个光源和凸起，大玻璃球活动支撑在托架的凸起上，大玻璃球的内壁均布有若干支撑凸起，小玻璃球活动支撑在若干支撑凸起上，两个空心玻璃球同圆心活动套装。

所述的地球磁场相对位移矢量自动测量系统，电机支架包括呈圆筒状的支座、分居支座两侧的水平支杆和固定在小玻璃球内壁上的支杆座，其中支座底部固定一圆板，顶部螺纹安装有筒盖，电机固定在圆板上，电机轴间隙垂直穿过圆板，顶端探入支座内，托盘水平固定在电机输出轴的顶端，托盘顶面设有感应模块、磁针传感器和信号处理模块，底面镶嵌有两圈环绕电机轴的导电环，指南针靠近筒盖顶面且水平吊装在筒盖上，磁针传感器靠近指南针的一端部、且位于指南针的下方，两支杆对称位于球半径上，一端与支座侧壁固定连接，另一端套装导电套、轴承安装在支杆座上。

所述的地球磁场相对位移矢量自动测量系统，圆板在平行于支杆的同一直线上对称设有两蓄电池和两碳刷座，每个支杆座内均经第一弹簧压装有第一碳刷，第一碳刷与导电套抵触，导电套经导线接邻近的蓄电池，每个碳刷座的顶端均经第二弹簧支撑一第二碳刷，碳刷座上的两第二碳刷对应与水平托盘底面的两圈导电环抵触，第二碳刷的输入端对应接蓄电池，导电环经导线接磁针传感器、感应模块和信号处理模块。

所述的地球磁场相对位移矢量自动测量系统，感应模块包括Z轴磁传感器、X轴磁传感器和Y轴磁传感器，其中Z轴磁传感器的轴线与电机轴的轴线平行，X轴磁传感器的轴线与电机轴垂直，且与磁针传感器的中心及电机轴的轴线共面，Y轴磁传感器的轴线与X轴磁传感器的轴线位于同一平面且互相垂直。

所述的地球磁场相对位移矢量自动测量系统，信号处理模块包括CPU、无线发射器和无线收发器，其中CPU的输入端接磁针传感器和感应模块，I/O端接无线发射器和无线收发器，地球磁场空间范围内A₀点到A₁点的相对位移矢量可以利用公式${\overrightarrow{A}}_1-{\overrightarrow{A}}_0=\sqrt{{(X_1-X_0)}^2+{(Y_1-Y_0)}^2+{(Z_1-Z_0)}^2}$求出，其中Z₀、Z₁是Z轴磁传感器(26)对应在A₀点、A₁点测得的垂直分量的磁场强度，X₀、X₁是X轴磁传感器(27)对应在A₀点、A₁点测得的垂直分量的磁场强度，Y₀、Y₁是Y轴磁传感器(28)对应在A₀点、A₁点测得的垂直分量的磁场强度。

其工作原理为：本发明可以完成垂直分量的自动调节、东西、南北分量的自动调节、地球磁场位移矢量的运算。垂直分量自动调节的目的是使Z轴磁传感器的轴心线垂直于地球表面。大玻璃球活动支撑在托架的若干凸起上，可以使大玻璃球在托架内自由滑动、旋转；小玻璃球活动支撑在大玻璃球内的若干支撑凸起上，可以使小玻璃球在大玻璃球内自由滑动、旋转；电机固定在圆板上，圆板固定在支座的底部，支座两侧固定支杆，支杆滑动安装在支杆座内部，电机、圆板、支座能够随同支杆在支杆座上自由转动；三部分联合作用，无论托架如何放置、如何移动、如何翻滚，在电机的重力作用下，电机轴的轴心线就会始终处在电机的上方，且垂直于地球表面，Z轴磁传感器安装在托盘上，Z轴磁传感器的轴线与电机轴的轴线平行，从而，Z轴磁传感器的轴心线也垂直于地球表面，实现了垂直分量的自动调节。东西、南北分量自动调节的目的是使X轴磁传感器的轴心线平行于地球磁场南北极的轴线，使Y轴磁传感器的轴心线垂直于X轴磁传感器的轴心线与Z轴磁传感器的轴心线。指南针靠近筒盖顶面且水平吊装在筒盖上，指南针能够自由摆动，能够在地球磁场的作用下指向南北方向，磁针传感器靠近指南针的一端部、且位于指南针的下方，磁针传感器能够感应指南针有、无；当磁针传感器感应不到指南针的一端时，磁针传感器把这个信息传给CPU，CPU就会控制无线发射器发出电机转动的指令，无线接收器接收到指令后，控制电机转动，电机轴带动托盘及托盘上的所有部件转动；当磁针传感器在托盘带动下转动到指南针下方，感应到指南针的一端时，磁针传感器把这个信息传给CPU，CPU就会控制无线发射器发出电机停止转动的指令，无线接收器接收到指令后，控制电机停止转动；X轴磁传感器的轴线与电机轴垂直，且与磁针传感器的中心及电机轴的轴线共面，此时，X轴磁传感器的轴心线与指南针的指向方向相同，实现了南北分量自动调节的目的。Y轴磁传感器的轴心线垂直于X轴磁传感器的轴心线与Z轴磁传感器的轴心线，当X轴磁传感器的轴心线在南北方向时，Y轴磁传感器的轴心线就会处在东西方向，实现了东西分量的自动调节。

地球磁场相对位移矢量的运算有CPU完成。两两相互垂直的Z轴磁传感器、X轴磁传感器、Y轴磁传感器，可以实时在地球磁场空间内采集、检测三个方向的磁场强度信号。当本发明装置在地球磁场空间范围内，有一个空间位置移动到另一个空间位置时，Z轴磁传感器就会检测到装置在垂直方向分量上的地球磁场的变化量，X轴磁传感器就会检测到装置在南北方向分量上的地球磁场的变化量，Y轴磁传感器就会检测到装置在东西方向分量上的地球磁场的变化量。CPU接收到垂直方向分量、南北方向分量、东西方向分量上的磁场强度的数据，进行运算，就会得到本发明装置在地球磁场空间内的位移矢量大小。CPU可以通过无线收发器把计算结果、检测结果传输给玻璃球以外的其他接收装置，CPU也可以通过无线收发器接收玻璃球以外的其他装置的指令信息。

为了进一步说明，可以设地球磁场空间范围内的一点A₀，Z轴磁传感器测得的垂直分量的磁场强度是Z₀，X轴磁传感器测得的南北分量的磁场强度是X₀，Y轴磁传感器测得的东西分量的磁场强度是Y₀，本发明装置移动到A₁，Z轴磁传感器测得的垂直分量的磁场强度是Z₁，X轴磁传感器测得的南北分量的磁场强度是X₁，Y轴磁传感器测得的东西分量的磁场强度是Y₁，利用公式${\overrightarrow{A}}_1-{\overrightarrow{A}}_0=\sqrt{{(X_1-X_0)}^2+{(Y_1-Y_0)}^2+{(Z_1-Z_0)}^2}$就可以求出A₀点到A₁点的相对位移矢量。

本发明与现有技术相比，其优点是：能够在任意姿态下自动调节磁传感器轴心线的方向，使三个磁传感器的轴心线分别朝向垂直方向、东西方向、南北方向；能够精确检测地球磁场的南北分量、东西分量和垂直分量，计算地球磁场空间内始点、终点两个位置的相对位移矢量。

附图说明

图1是本发明实施例的结构示意图；

图2是图1所示实施例中去掉光电板、小玻璃球内剩余部分的结构示意图；

图3是图1所示实施例中托盘及托盘上各部件的结构示意图；

图4是图2中支杆座的A-A剖面图；

图5是托盘的仰视图；

图6是本发明信号处理模块与磁针传感器、感应模块的接线图。

图7是本发明相对位移矢量的计算原理图。

图中：1、托架、2、玻璃球3、电机4、指南针5、托盘6、无线接收器7、磁针传感器8、蓄电池9、光电板10、光源11、凸起12、支撑凸起13、支座14、支杆15、支杆座16、圆板17、筒盖18、电机轴19、导电环20、导电套21、碳刷座22、第一弹簧23、第一碳刷24、第二弹簧25、第二碳刷26、Z轴磁传感器27、X轴磁传感器28、Y轴磁传感器29、无线发射器30、无线收发器31、传感器座32、轴承33、炭刷盖34、信号处理模块35、吊绳

具体实施方式

在图1-5所示的实施例中：两个空心玻璃球2分别由两个半球固定对接而成，托架1上设有多个光源10和凸起11，大玻璃球2活动支撑在托架1的凸起11上，大玻璃球2的内壁均布有若干支撑凸起12，小玻璃球2活动支撑在支撑凸起12上，两个空心玻璃球2同圆心活动套装。电机支架设置在小玻璃球2内，包括呈圆筒状的支座13、分居支座13两侧的过球心的水平支杆14和固定在小玻璃球2内壁上的支杆座15，其中支座13底部固定一圆板16，顶部螺纹安装有筒盖17，电机3固定在圆板16中心上，电机轴18间隙垂直穿过圆板16，顶端探入支座13内，托盘5水平固定在电机轴18的顶端，托盘5顶面设有感应模块、磁针传感器7和信号处理模块34，底面镶嵌有两圈环绕电机轴18的导电环19，指南针4靠近筒盖17顶面且水平吊装在筒盖17上，磁针传感器7靠近指南针4的一端部、且位于指南针4的下方，输出端接信号处理模块34，对称的两支杆14一端与支座13侧壁固定连接，另一端套装导电套20、轴承安装在支杆座15上。

电源装置包括蓄电池8和贴附在小玻璃球2内壁上若干串联或并联的光电板9，圆板16在平行于支杆14的同一直线上对称设有两蓄电池8和两碳刷座21，每个支杆座15内均经第一弹簧22压装有第一碳刷23，第一碳刷23接光电板9，并与导电套20抵触，导电套20经导线接邻近的蓄电池8，圆板16上每个碳刷座21的顶端均经第二弹簧24支撑一第二碳刷25，碳刷座21上的两第二碳刷25对应与水平托盘5底面的两圈导电环19抵触，第二碳刷25的输入端对应接蓄电池8，导电环19经导线接磁针传感器7、感应模块和信号处理模块34。

感应模块包括Z轴磁传感器26、X轴磁传感器27和Y轴磁传感器28，其中Z轴磁传感器26的轴线与电机轴18平行，X轴磁传感器27的轴线与电机轴18垂直，且与磁针传感器7的中心及电机轴18的轴线共面，Y轴磁传感器28的轴线与X轴磁传感器27的轴线位于同一平面且互相垂直。

无线接收器6安装在圆板16上，信号处理模块34包括CPU、无线发射器29和无线收发器30，其中CPU的输入端接磁针传感器7和Z轴磁传感器26、X轴磁传感器27、Y轴磁传感器28的输出端，I/O端接无线发射器29和无线收发器30。