一種矢量磁力儀校準裝置制造方法
【專利摘要】本發明涉及一種矢量磁力儀校準裝置，主要包括矢量磁力儀、底座，外環旋轉裝置、中環旋轉裝置和內環旋轉裝置，內環旋轉裝置固定有矢量磁力儀；矢量磁力儀固定在內環旋轉面，轉動內環旋轉軸使磁力儀進行單軸360°變換。轉動中環旋轉軸使磁力儀及內環一起進行360°變換，內環旋轉軸也能360°自由旋轉。轉動外環旋轉軸使磁力儀及中環旋轉面、內環旋轉面一起進行360°姿態變換。本發明的有益效果為：轉動外環旋轉軸的時候，內環旋轉軸和中環旋轉軸也能360°自由旋轉，使磁力儀傳感器具備三個自由度的姿態變換空間。在姿態變換的過程中，采集設備實時記錄磁力儀的磁場變化值，為誤差校準提供更真實的原始誤差信息。
【專利說明】一種矢量磁力儀校準裝置
【技術領域】
[0001]本發明涉及校準裝置，更確切地說，是一種矢量磁力儀校準裝置。
【背景技術】
[0002]三軸磁通門磁力儀能夠測量空間地磁場的矢量(三分量)信息，并且在一定的條件下能夠獲取該坐標位置的大小和方向數據，因此相比于總場標量磁力儀而言，能夠更加全面的描述環境磁場。基于三軸磁力儀的全張量系統、矢量梯度計在航磁測量、海洋磁測和磁性目標探測等方面的應用日益廣泛。
[0003]理論情況下，三軸磁通門磁力儀的三個單分量磁探頭應該做到兩兩垂直，并滿足正交坐標系準則。但是由于工藝水平及硬件校正程度的差別，三個磁探頭安裝角度會存在一定的角度誤差，這會對合成總場帶來誤差影響。并且三通道采集電路的靈敏度問題和磁探頭的零點偏移問題都會對磁場測量帶來誤差。
[0004]為了更好的滿足高精度磁測要求，需要對上述的誤差進行校正。設探頭理想坐標系和實際坐標系對應關系如下圖1所示:坐標系OXYZ為理想坐標系，坐標系OX1Y1Z1為實際坐標系，其中平面OXY與平面OX1Y共面，軸OZ與軸OZ1重合，軸OY1為矢量空間中的任意一軸，根據實際情況而定a為軸OX與軸OX1之間的夾角，Z b為軸OY1與平面OXY之間的夾角，Z C為軸OYl在平面OXY上的投影0Y2與軸OY之間的夾角。
[0005]為了對矢量磁力儀的不正交度等誤差進行校正，目前國內外普遍采用軟件方法進行校正處理，即將矢量磁力儀固定在環境磁場中，然后通過轉動磁力儀傳感器以獲得不同姿態下的磁場數據，之后通過各種校準算法對獲得的磁場數據進行誤差校正，以得到校準后磁場矢量信息。然而在可以獲取的文獻資料中，對矢量磁力儀數據的獲取往往都具有局限性，有的僅僅只有幾十組數據，有的僅僅在水平面(或垂直面)上進行區域性的校準，有的在測試數據時僅僅在矢量空間中無目的的擺動磁力儀傳感器，無法有針對性的全面反映出磁力儀的誤差信息。
[0006]文獻《任意姿態變化下的磁通門傳感器誤差校正》中提出采用最小二乘法對磁通門傳感器校正參數進行準確估計并校正該點轉向差，文獻提到校正點的轉向差通過校準后能夠減小到25.8%。然而該文獻用于校準的原始磁力儀數據僅僅只有75個，這些數據無法全面反映出矢量磁力儀的姿態信息，因此校準后的系數具有局限性，當矢量磁力儀變換到一個新的姿態時，該系數無法正確的反映出誤差信息。
[0007]文獻《基于FLANN的三軸磁強計誤差校正研究》中提出一種基于函數鏈接型神經網絡(FLANN)的三軸磁強計誤差修正方法。文獻先對于三軸磁強計系統參數有關的測量進行詳細分析和理論計算，然后設計矩陣形式的數學模型對該誤差進行修正。文獻中提到根據實際地磁場測量的數據，三軸磁強計的轉向誤差由SOOnT修正到12nT以下。然而文獻中實際測量的數據只有20組，僅僅20組數據無法全面反映出三軸磁強計的不正交誤差信息，因此也具有局限性。
[0008]文獻《三軸磁強計正交誤差分析與校正》中對引起測量誤差的不正交度問題和靈敏度不一致問題進行了詳細分析和理論計算，并在此基礎上提出了三軸磁強計的正交變換，試驗結果表明，文獻中的方法可以把三軸磁強計正交度誤差校正到0.05° —下。然而文獻中用于校準的數據只有40組，同樣無法全面反映出三軸磁強計的真實誤差情況，因此也具有局限性。
【發明內容】
[0009]本發明的目的就是為了克服上述現有技術中存在的問題，而提供一種矢量磁力儀校準裝置，采用全方位三自由度無磁性旋轉裝置，矢量磁力儀在校準過程中，可以實現全方位采集矢量空間中任意姿態下的磁數據，為矢量磁力儀的不正交度校準提供完全、高效和精確的硬件支持。
[0010]本發明的目的是通過如下技術方案來完成的。這種矢量磁力儀校準裝置，主要包括矢量磁力儀、底座，外環旋轉裝置、中環旋轉裝置和內環旋轉裝置，其中內環旋轉裝置的正中央固定有矢量磁力儀，通過旋轉外環旋轉裝置、中環旋轉裝置和內環旋轉裝置來改變矢量磁力儀的姿態，在旋轉的過程中對矢量磁力儀數據進行采集記錄；其中矢量磁力儀通過信號傳輸線與工控機相連接；底座上標有外環旋轉軸刻度盤，外環旋轉裝置包括旋轉支柱、外環鎖緊旋鈕、旋轉面、外環旋轉軸和固定圓盤，其中旋轉支柱垂直于旋轉面，二者通過無磁性鈦合金螺釘固定，旋轉支柱左右各有一個，旋轉面通過外環旋轉軸設置在底座的滑槽中，外環旋轉軸通過固定圓盤跟底座的滑槽卡接；中環旋轉裝置包括中環旋轉環、刻度盤、軸承鎖緊旋鈕、旋轉軸承、旋轉桿和活動把手，其中中環旋轉環通過旋轉軸承安裝在旋轉支柱頂端的圓孔中，中環旋轉環以中環旋轉軸承為中環旋轉軸進行360°旋轉，中環旋轉軸承平行于底座，并可以隨外環在水平面上自由旋轉；旋轉桿固定在中環旋轉軸承的一端上，活動把手固定在中環旋轉軸承的另一端上，刻度盤剛性固定在中環旋轉環的一端，用于指示旋轉的刻度值；內環旋轉裝置包括內環旋轉環、磁力儀安裝面、刻度指示盤、旋鈕和鎖緊桿，內環旋轉環由內環旋轉軸承安裝在中環旋轉環的內側，以內環旋轉軸承為內環旋轉軸進行360°旋轉，并與中環旋轉軸承垂直，磁力儀安裝面通過鈦合金螺釘固定在內環旋轉環上，并且磁力儀安裝面的正中間設有用于安裝矢量磁力儀的安裝螺孔，刻度指示盤用于指示內環旋轉環旋轉的角度；通過旋轉旋鈕來轉動內環旋轉環，進而帶動磁力儀安裝面上的矢量磁力儀進行姿態變換；外環旋轉軸與中環旋轉軸相互垂直，中環旋轉軸與內環旋轉軸相互垂直，矢量磁力儀位于外環旋轉軸、中環旋轉軸和內環旋轉軸相交的一點。
[0011]所述的底座上設有用于固定的的底座通孔。
[0012]所述的旋轉支柱上設有用于將信號傳輸線引導至校準裝置外側的信號線牽引桿，信號線牽引桿上設有用于夾緊信號傳輸線的信號線牽引夾。
[0013]所述的鎖緊桿安裝在旋鈕內孔中，通過轉動鎖緊桿，進而通過鎖緊桿外壁的螺紋轉動來促進鎖緊桿向前移動或向后移動，從而鎖緊或松開內環旋轉環。
[0014]本發明的有益效果為:矢量磁力儀通過無磁性鈦合金螺釘固定在內環旋轉面正中央，轉動內環旋轉軸使磁力儀在矢量空間中該點處進行單軸360°姿態變換,磁力儀旋轉的過程中，設備實時記錄磁力儀的磁場變化值。轉動中環旋轉軸使磁力儀以及固定磁力儀的內環一起進行360°姿態變換，與此同時，轉動中環旋轉軸的時候，內環旋轉軸也能360°
自由旋轉，使磁力儀傳感器具備兩個自由度的姿態變換空間。轉動外環旋轉軸使磁力儀以及中環旋轉面、內環旋轉面一起進行360°姿態變換，于此同時，轉動外環旋轉軸的時候，內環旋轉軸和中環旋轉軸也能360°自由旋轉，使磁力儀傳感器具備三個自由度的姿態變換空間，具備矢量空間全自由度無死角變換。在姿態變換的過程中，采集設備實時記錄磁力儀的磁場變化值，從而更加全面、高效、無干擾的采集磁場數據，為誤差校準提供更真實的原始誤差息。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0015]圖1為理想坐標系與實際坐標系對應關系圖。
[0016]圖2為矢量磁力儀校準裝置總體示意圖；
[0017]圖3為矢量磁力儀校準裝置正視結構框圖；
[0018]圖4為矢量磁力儀校準裝置右視結構框圖；
[0019]圖5為矢量磁力儀校準裝置俯視結構框圖。
[0020]附圖中的標號分別為:信號線牽引夾1，信號線牽引桿2，中環旋轉環3，矢量磁力儀4，內環旋轉環5，磁力儀安裝面6，刻度盤7，軸承鎖緊旋鈕8，旋轉支柱9，中環旋轉軸承10，旋轉桿11，活動把手12，外環鎖緊旋鈕13，旋轉面14，外環旋轉軸15，聚乙烯底座17，底座通孔18，信號傳輸線19，刻度指示盤20，旋鈕21，鎖緊桿22，工控機23，固定圓盤24。
【具體實施方式】
[0021]下面結合附圖和實施例對本發明做進一步說明:
[0022]如圖所示，這種矢量(三分量)磁力儀校準裝置，該校準裝置由完全無磁性的聚乙烯材料制成，各零件之間由無磁性的鈦合金螺釘固定，確保磁力儀在校準實驗中不會受到本身磁性干擾。主要包括矢量磁力儀4、底座17，外環旋轉裝置、中環旋轉裝置和內環旋轉裝置，其中內環旋轉裝置的正中央固定有矢量磁力儀4，通過旋轉外環旋轉裝置、中環旋轉裝置和內環旋轉裝置來改變矢量磁力儀4的姿態，矢量磁力儀校準裝置總體示意圖如圖2所示，其中磁力儀4為需要校準的矢量磁力儀，工控機23為數據采集裝置，內置數據采集軟件，當校準裝置旋轉的時候，內置數據采集軟件實時采集矢量磁力儀4的數據。矢量磁力儀4通過信號傳輸線19連接到工控機23上，并且工控機23給矢量磁力儀4提供穩壓電源，信號傳輸線19長度可達50m，以確保工控機23盡量遠離校準裝置，從而避免工控機23對校準轉置的磁性干擾。底座17上標有外環旋轉軸刻度盤16，以指示外環旋轉的刻度，刻度精度為1°。底座17通過底座通孔18固定在平臺上，確保整個校準裝置在試驗過程中不會隨意移動。
[0023]外環旋轉裝置包括旋轉支柱9、外環鎖緊旋鈕13、旋轉面14、外環旋轉軸15和固定圓盤24，其中旋轉支柱9垂直于旋轉面14，二者通過無磁性鈦合金螺釘固定，旋轉支柱9左右各有一個，為整個校準裝置的支柱。旋轉面14通過外環旋轉軸15設置在底座17的滑槽中，外環旋轉軸15通過固定圓盤24跟底座17的滑槽卡接，以確保旋轉面14不會脫離底座17，同時能夠360°自由旋轉，外旋轉軸垂直于底座17。外環鎖緊旋鈕13起到固定旋轉面14的作用，當固定旋轉面14轉動到一定的角度，可以通過外環鎖緊旋鈕13將旋轉面14固定在底座17上。
[0024]中環旋轉裝置包括中環旋轉環3、刻度盤7、軸承鎖緊旋鈕8、旋轉軸承10、旋轉桿11和活動把手12，其中中環旋轉環3通過旋轉軸承10安裝在旋轉支柱9頂端的圓孔中，中環旋轉環3以中環旋轉軸承10為中環旋轉軸進行360°旋轉，中環旋轉軸承10平行于底座17，并可以隨外環在水平面上自由旋轉；旋轉桿11固定在中環旋轉軸承10的一端上，活動把手12固定在中環旋轉軸承10的另一端上，并且活動把手12可以繞自身旋轉軸自由旋轉，便于人員操作。通過轉動活動把手12，可以帶動中環旋轉環3以旋轉軸承10為中心進行旋轉。旋轉桿11有一定的長度，以確保在旋轉的過程中姿態數據的穩定均勻；刻度盤7剛性固定在中環旋轉環3的一端，用于指示旋轉的刻度值。軸承鎖緊旋鈕8用于鎖緊旋轉軸承10，以確保中環旋轉環3能夠固定在任意一旋轉角上。
[0025]內環旋轉裝置包括內環旋轉環5、磁力儀安裝面6、刻度指示盤20、旋鈕21、鎖緊桿22，內環旋轉環5由內環旋轉軸承安裝在中環旋轉環3的內側，以內環旋轉軸承為內環旋轉軸進行360°旋轉，并與中環旋轉軸承10垂直，磁力儀安裝面6通過鈦合金螺釘固定在內環旋轉環5上，并且磁力儀安裝面6的正中間設有用于安裝矢量磁力儀4的四個安裝螺孔，刻度指示盤20用于指示內環旋轉環旋轉的角度；旋鈕21為人員操作旋鈕，通過旋轉旋鈕21來轉動內環旋轉環5，進而帶動磁力儀安裝面6上的矢量磁力儀4進行姿態變換。所述的鎖緊桿22安裝在旋鈕21內孔中，通過轉動鎖緊桿22，進而通過鎖緊桿22外壁的螺紋轉動來促進鎖緊桿22向前移動或向后移動，從而鎖緊或松開內環旋轉環5。信號線牽引桿2用于將磁力儀信號線引導至裝置外側，避免試驗過程中信號線纏繞至裝置外側而導致試驗的中斷；信號線牽引夾I用于夾緊磁力儀信號線，輔助信號線的外引，并且信號線牽引夾I以根據試驗需要，在信號線牽引桿2上的固定螺紋孔上自由安裝。
[0026]外環旋轉軸與中環旋轉軸相互垂直，中環旋轉軸與內環旋轉軸相互垂直，矢量磁力儀4位于外環旋轉軸、中環旋轉軸和內環旋轉軸相交的一點，確保校準過程中磁力儀始終位于矢量空間中的一點，從而避免環境梯度的干擾影響。校準過程中，各環都能夠360°
自由旋轉，確保矢量磁力儀可以采集到矢量空間中該點處任意姿態下的磁數據，避免出現校準數據的不完整，為矢量磁力儀的不正交度校準提供完全、高效和精確的硬件支持。
[0027]矢量磁力儀校準裝置可以在地磁矢量空間全方位旋轉，為矢量磁力儀的誤差校正提供一個穩定、全面、無干擾的數據采集裝置。采用無磁性聚乙烯材料和鈦合金材料，可以確保三分量磁數據的純凈度，而無須擔心外界磁干擾的引入。可以避免采用手動等原始方式來改變矢量磁力儀的姿態，而導致矢量磁力儀的抖動引起的動態響應誤差。可以將矢量磁力儀固定在矢量空間中的一點，即使傳感器姿態變換時也不會移動，從而避免了人為手動操作導致矢量磁力儀位置移動而引入磁梯度的干擾。具有三個自由轉向面，各轉向面都能360°自由旋轉，從而保證矢量磁力儀在姿態變換時不會出現轉向死角，而避免了人為手動轉向的隨機性和偶然性。可以適用各種尺寸的矢量磁力儀，根據矢量磁力儀尺寸的要求而靈活安裝。
[0028]除上述實施例外，本發明還可以有其他實施方式，凡采用等同替換或等效變換形成的技術方案，均落在本發明要求的保護范圍。
【權利要求】
1.一種矢量磁力儀校準裝置，其特征在于:主要包括矢量磁力儀(4)、底座(17)，外環旋轉裝置、中環旋轉裝置和內環旋轉裝置，其中內環旋轉裝置的正中央固定有矢量磁力儀(4)，通過旋轉外環旋轉裝置、中環旋轉裝置和內環旋轉裝置來改變矢量磁力儀(4)的姿態，在旋轉的過程中對矢量磁力儀(4)數據進行采集記錄；其中矢量磁力儀(4)通過信號傳輸線(19)與工控機(23)相連接；底座(17)上標有外環旋轉軸刻度盤(16)，外環旋轉裝置包括旋轉支柱(9)、外環鎖緊旋鈕(13)、旋轉面(14)、外環旋轉軸(15)和固定圓盤(24)，其中旋轉支柱(9)垂直于旋轉面(14)，二者通過無磁性鈦合金螺釘固定，旋轉支柱(9)左右各有一個，旋轉面(14)通過外環旋轉軸(15)設置在底座(17)的滑槽中，外環旋轉軸(15)通過固定圓盤(24)跟底座(17)的滑槽卡接；中環旋轉裝置包括中環旋轉環(3)、刻度盤(7)、軸承鎖緊旋鈕(8)、旋轉軸承(10)、旋轉桿(11)和活動把手(12)，其中中環旋轉環(3)通過旋轉軸承(10)安裝在旋轉支柱(9)頂端的圓孔中，中環旋轉環(3)以中環旋轉軸承(10)為中環旋轉軸進行360°旋轉，中環旋轉軸承(10)平行于底座(17)，并可以隨外環在水平面上自由旋轉；旋轉桿(11)固定在中環旋轉軸承(10)的一端上，活動把手(12)固定在中環旋轉軸承(10)的另一端上，刻度盤(7)剛性固定在中環旋轉環(3)的一端，用于指示旋轉的刻度值；內環旋轉裝置包括內環旋轉環(5)、磁力儀安裝面(6)、刻度指示盤(20)、旋鈕(21)和鎖緊桿(22)，內環旋轉環(5)由內環旋轉軸承安裝在中環旋轉環(3)的內偵彳，以內環旋轉軸承為內環旋轉軸進行360°旋轉，并與中環旋轉軸承(10)垂直，磁力儀安裝面(6)通過鈦合金螺釘固定在內環旋轉環(5)上，并且磁力儀安裝面(6)的正中間設有用于安裝矢量磁力儀(4)的安裝螺孔，刻度指示盤(20)用于指示內環旋轉環旋轉的角度；通過旋轉旋鈕(21)來轉動內環旋轉環(5)，進而帶動磁力儀安裝面(6)上的矢量磁力儀(4)進行姿態變換；外環旋轉軸與中環旋轉軸相互垂直，中環旋轉軸與內環旋轉軸相互垂直，矢量磁力儀(4)位于外環旋轉軸、中環旋轉軸和內環旋轉軸相交的一點。
2.根據權利要求1所述的矢量磁力儀校準裝置，其特征在于:所述的底座(17)上設有用于固定的的底座通孔(18)。
3.根據權利要求1所述的矢量磁力儀校準裝置，其特征在于:所述的旋轉支柱(9)上設有用于將信號傳輸線(19)引導至校準裝置外側的信號線牽引桿(2)，信號線牽引桿(2)上設有用于夾緊信號傳輸線(19)的信號線牽引夾(I)。
4.根據權利要求1所述的矢量磁力儀校準裝置，其特征在于:所述的鎖緊桿(22)安裝在旋鈕(21)內孔中，通過轉動鎖緊桿(22)，進而通過鎖緊桿(22)外壁的螺紋轉動來促進鎖緊桿(22)向前移動或向后移動，從而鎖緊或松開內環旋轉環(5)。
【文檔編號】G01R35/00GK104198973SQ201410451872
【公開日】2014年12月10日 申請日期:2014年9月5日 優先權日:2014年9月5日
【發明者】趙瑜, 鄧瑞輝, 黃成功, 吳文福, 張謹, 鄒鵬毅, 鄭軍 申請人:中國船舶重工集團公司第七一五研究所, 杭州瑞聲海洋儀器有限公司
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