专利名称：一种三轴磁传感器磁轴垂直度的标定方法
技术领域：
本发明涉及一种三轴磁传感器磁轴垂直度的标定方法。
背景技术：
磁场探測尤其是弱磁场的精确探测已经涉及到国防建设、科学研究、エ业生产以及日常生活等重要领域，如环境磁场监测、地磁场研究、石油矿藏勘探、磁性材料无损探伤、水面水下舰艇武器侦查、宇宙空间磁场測量等各个方面。要想对磁场进行精确探测，磁测方法与磁测仪器的研究是关键。磁场传感器是电子测量领域及发展高水平控制系统的关键器件之一，使用磁性材料制成的磁传感器及相关器件在电机控制、エ业机器人、医疗电子、自动化等领域得到广泛的应用。而随着地磁导航技术及其他信息技术的发展，人们对磁传感器的大小、灵敏度、稳 定性及功耗等提出了越来越高的要求，为此，国内外都致力于开发具有高灵敏度、快速响应和强抗干扰能力的新型磁传感器。近二三十年来,磁力法磁强计目前还在一定领域内使用，但其已逐步被磁通门磁强计等其它形式的磁强计所取代；磁感应法磁强计是最有效的脉冲强磁场测量仪器；磁通门磁强计应用广泛，特别是在弱磁场的測量中，且微型化是其发展进步的趋势；新效应的发现和应用，以及新材料和新エ艺的出现，使得电磁效应法磁强计的应用范围进ー步扩大，特别是巨磁阻、巨磁阻抗效应法在微弱磁场测量领域已显现出巨大的应用潜力；磁共振磁强计作为精密磁强计，在弱磁场测量领域仍占据重要地位；超导效应法磁强计仍然是最精密的磁场测量仪器，且随着高温SQUID技术的成熟，其应用范围将进一步扩大；基于磁光效应法的光纤磁场测量仪器适于测量强磁场，但随着基于磁致伸缩效应的光纤微弱磁场传感技术的进步，光纤磁场测量仪器在微弱磁场测量领域也将有新的应用空间。随着计算机、自动化、超大規模集成电路制造等技术的发展以及新材料和新エ艺的出现，像其它仪器一祥，高准确度、高稳定度、高分辨率、微小型化、数字化、智能化是磁场測量技术及仪器发展的必然方向。目前，应用于静态磁场测量的传感器较多，其中三分量磁通门传感器的应用较为广泛，如用于舰艇磁场测量、地磁导航中地磁场测量、磁性检测站的磁场测量、水下定点磁场探测、金属探測、磁探伤等场合。三分量磁通门传感器是舰船磁场测量、地磁场测量、水中兵器引信及舰船导航中常用的仪器。这种传感器内部由三个螺线管作为其对三维磁场的敏感元件，这三个螺线管确定了一个正交的測量坐标系。但是由于加工エ艺等原因，使这样ー个由三个螺线管确定的坐标系存在坐标系三个坐标轴不完全正交带来的系统误差三轴磁强计和三轴亥姆霍兹线圈都要求互相垂直，但是由于加工エ艺水平和安装エ艺水平的限制，它们不可能做到完全垂直，这种非正交性对整个系统精度的影响非常突出，所以我们需要对它们的垂直度进行测量并校正。目前測量三轴非正交垂直度误差的方法有ー些，这些方法有的精度不高，有的对设备要求过于苛刻，还有测量仪器量程的限制，目前还没有一种解决这些问题的ー个很好的方法，重要的是还没有一种对三轴磁强计磁轴垂直度进行标定的方法。

发明内容
本发明针对目前三轴非正交垂直度误差测量方法的弊端，提出一种可以实现高精度、不受测量仪器量程限制、不受产生磁场精度限制的三轴磁强计磁轴垂直度标定方法。本发明所采用的技术如下本发明采用三维磁场发生器和无磁转台，该三维磁场发生器由三组相互正交的赫姆霍兹线圈及相应的程控恒流源组成，程控恒流源由计算机控制，产生相应的恒定或预期 变化的电流，从而在三组相互正交的赫姆霍兹线圈中心指定的局部空间，产生预期、可控的三维磁场，方法为首先把三维磁场发生器和无磁转台安装好，并把需要标定的磁传感器固定在转台上，由三维磁场发生器给出ー个从上到下的大磁场，使得磁传感器处在磁场中，该磁场大小远大于环境磁场，使得传感器各測量轴测得该磁场分量的数值不为O即为满量程，以提高过零的灵敏度并消除环境磁场的影响；各个坐标系定义如下选取惯性坐标系为外环坐标系Oci-XciytlZtl :坐标原点Otl在转台的旋转中心上，Z0轴指向磁场发生装置的竖直方向，与竖直方向产生的磁场方向平行，Xtl轴指向水平方向与磁场发生装置ー个产生水平磁场的方向平行，yo轴与Xtl轴、Ztl轴成右手正交坐标系。选取无磁转台初始状态,定义外环轴指向Xtl轴方向、中环轴指向yc>_方向、内环轴指向Ztl轴方向时的状态为转台初始状态。选取与中环框架固连的中环坐标系O1-X1Y1Z1 :坐标原点O1在转台的旋转中心上,初始时刻与Oci-XdyciZci重合。选取与内环框架固连的内环坐标系02-x2y2z2 :坐标原点O2在无磁转台的旋转中心上，初始时刻与O1-X1Y1Z1重合。选取与夹具框架固连的目标坐标系03-x3y3z3 :坐标原点O3在无磁转台的旋转中心上,初始时刻与02-x2y2z2重合。选取非正交磁轴坐标系0-mnP，坐标原点O在无磁转台的旋转中心上,m、n、p分别为三轴磁传感器三个磁轴的真实方向。通过给定的Ztl方向的外加磁场,旋转无磁转台的3个轴,使得传感器,m、η轴输出为O,记录无磁转台3轴角度值；再旋转无磁转台的3个轴,使得传感器m、P轴输出为O,记录转台3轴角度值；继续旋转转台的3个轴,使得传感器η、P轴输出为O,记录转台3轴角度值。0-mn P各轴方向的单位矢量om在O3-X3Y3Z3中的坐标为rn, r21, r31 ；on在O3-X3Y3Z3中的坐标为 r12, r22, r32 ；op 在 03-x3y3z3 中的坐标为 r13, r23, r33。则有^12J + r2] + r3\ = I( I )4+^2+4 =I(2)+r223 +r323 = 1( 3 )且从0-m n p到03_x3y3z3的坐标变换为
rn rn ru3Rt = r21 r22 r23(4)
,31 Γ32 r33_从03-x3y3z3 到 02-x2y2z2 的坐标变换为
权利要求
1.一种三轴磁传感器磁轴垂直度的标定方法，采用三维磁场发生器和无磁转台，所述的三维磁场发生器由三组相互正交的赫姆霍兹线圈及相应的程控恒流源组成，程控恒流源由计算机控制，产生相应的恒定或预期变化的电流，从而在三组相互正交的赫姆霍兹线圈中心指定的局部空间，产生预期、可控的三维磁场，采用外加固定大磁场、通过记录传感器输出过零位置，进而进行计算得到标定数据，其特征在于，方法如下 首先把三维磁场发生器和无磁转台安装好，并把需要标定的磁传感器固定在无磁转台上，由三维磁场发生器给出一个从上到下的大磁场，使得磁传感器处在磁场中，该磁场大小远大于环境磁场，使得磁传感器各测量轴测得的该磁场分量的数值不为O即为满量程，以提高过零的灵敏度并消除环境磁场的影响； 坐标系定义如下选取惯性坐标系为外环坐标系OcrxciyciZtl :坐标原点Otl在无磁转台的旋转中心上，Ztl轴指向磁场发生装置的竖直方向，与竖直方向产生的磁场方向平行，X0轴指向水平方向与磁场发生装置一个产生水平磁场的方向平行，yo轴与Xtl轴、Ztl轴成右手正交坐标系，选取无磁转台初始状态，定义外环轴指向Xtl轴方向、中环轴指向yo轴方向、内环轴指向Ztl轴方向时的状态为无磁转台初始状态，选取与中环框架固连的中环坐标 系O1-X1Y1Z1 :坐标原点O1在无磁转台的旋转中心上,初始时刻与Od-XdydZ。重合；选取与内环框架固连的内环坐标系02-x2y2z2 :坐标原点O2在无磁转台的旋转中心上,初始时刻与O1-X1Y1Z1重合；选取与夹具框架固连的目标坐标系03-x3y3z3 :坐标原点O3在无磁转台的旋转中心上,初始时刻与02-x2y2z2重合；选取非正交磁轴坐标系0-m η ρ,坐标原点O在无磁转台的旋转中心上，m、η、ρ分别为三轴磁传感器三个磁轴的真实方向。
通过给定的Ztl方向的外加磁场,旋转无磁转台的3个轴,使得传感器，m、n轴输出为O,记录无磁转台3轴角度值；再旋转无磁转台的3个轴,使得传感器m、ρ轴输出为O,记录无磁转台3轴角度值；继续旋转无磁转台的3个轴,使得传感器η、ρ轴输出为O,记录无磁转台3轴角度值，0-m η ρ各轴方向的单位矢量om在03_x3y3z3中的坐标为rn, r21, r31 ；on在O3-X3Y3Z3 中的坐标为 r12, r22, r32 ；op 在 03_x3y3z3 中的坐标为 r13，r23, r33 ； 则有rn rri = I(2) rn + r23 + r33 = I( 3 ) 且从o-m η p到03_x3y3z3的坐标变换为 rU rU = ,21 厂22 厂23( 4 ) _Γ31 Γ32 Γ33_ 从O3-X3Y3Z3到O2-X2Y2Z2的坐标变换为cos/ -sin/ O 2R^ = sin 尸 cos 尸 O( 5 )O O I 从O2-X2Y2Z2至Ij O1-X1Y1Z1的坐标变换为
2.根据权利要求I所述的一种三轴磁传感器磁轴垂直度的标定方法，其特征在于对需要标定的磁传感器，当环境磁场的影响无法忽略，则需要一个磁屏蔽室，标定设备安装在磁屏蔽室内。
全文摘要
一种三轴磁传感器磁轴垂直度的标定方法，采用三维磁场发生器和无磁转台，先把三维磁场发生器和无磁转台安装好，并把需要标定的磁传感器固定在转台上。由磁场发生器给出一个从上到下的大磁场，使得传感器测得的数值不为0；标记转台的0位，记录转台3轴角度值，旋转转台的3个轴，使得传感器，m、n轴输出为0，记录转台3轴角度值；再旋转转台的3个轴，使得传感器m、p轴输出为0，记录转台3轴角度值；继续旋转转台的3个轴，使得传感器n、p轴输出为0，记录转台3轴角度值。由所记录的各个角度值计算得出O-mn p各轴与坐标系O3-x3y3z3各轴的变换关系，得出标定结果。本发明方法简单可行，精度高，误差小。
文档编号G01R33/02GK102853760SQ20121035339
公开日2013年1月2日 申请日期2012年9月13日 优先权日2012年9月13日
发明者颜世佐, 叶青, 王亚东, 王常虹 申请人:哈尔滨工业大学