CN102354000A - 三分量磁探头正交度野外现场标定装置及标定方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种三分量磁探头正交度野外现场标定装置及标定方法。其装置是由底座之上装有推力轴承和三个以上限位块，限位块对转动平台限位，在推力轴承之上装有转动平台，圆筒固定在转动平台上，圆筒的上部为耳状凸条，平轴与圆盘的直径重合并固定在圆盘上，水平轴的两端分别穿过两个耳状凸条，圆盘悬挂在两个耳状凸条之间，圆盘绕水平轴转动，圆盘上装有角度盘，三分量探头通过螺钉或转动轴固定在度盘上，三分量探头的一端装有连接器构成。本装置完全能保证三个非正交的磁探头敏感轴在测量过程中以尽可能等概率地扫遍全空间，标定装置结构简单，成本低廉，不需要专门的标定环境，极大地降低了测量成本，方便了野外工作，提高了测量效率。

Description

三分量磁探头正交度野外现场标定装置及标定方法

技术领域：

本发明涉及一种地球物理测量仪器标定装置，尤其是用于地磁场矢量测量的三分量磁探头的正交度野外现场标定装置和标定方法。

背景技术：

地磁场是一矢量场。通常地磁场矢量的测量首先要在测量点建立与地理坐标系相联系的测量局部直角坐标系，其联系的方式是测点局部坐标系原点在地理坐标系的三维坐标值和局部坐标系的三个坐标轴与地理坐标系对应三个轴的夹角。在局部坐标系中设置三个互为正交的矢量传感器，并使得矢量传感器的敏感轴与局部坐标系的三个轴关系为已知，则最终通过坐标变换就能够唯一决定地磁场矢量在局部坐标系中的矢量值。为了最终获得地磁场在地理坐标系中的矢量值，只要利用局部坐标系与地理坐标系之间的再一次坐标变换就可以。

由于地磁场的绝对值在50000nT左右，为使矢量测量能够满足当前矢量地磁场测量在各个领域，尤其是矢量磁法勘探中的应用。三个正交分量的测量误差应当控制在1nT以下，因为以量子效应为测量基础的总场标量测量其精度已达到了0.05nT以下，矢量测量其分量精度在1nT以上其应用价值已没有多少吸引力了。

目前，以磁通门为代表的单分量磁探头测量精度已能达到1nT以下，但问题的关键其中之一是，磁场的矢量测量对正交三分量传感器的安装与加工精度极高，难以满足测量的要求。三分量磁探头的正交度误差很难做到0.5度以下。理论分析与实践均证明，折算到总磁场大小时误差达到几百nT，根本无法满足实际矢量测量的要求。

对三分量传感器正交度的标定可以在大型电磁屏蔽室中的人工磁场中用无磁经纬仪直接测量三个单分量探头相互正交的程度，但测量过程中要用到大型电磁屏蔽室和贵昂无磁经纬仪，一般的实验室不具备这样的条件。

发明内容：

本发明的目的就在于针对上述现有技术的不足，提供一种三分量磁探头正交度野外现场标定装置；

本发明的目的是提供一种三分量磁探头正交度野外现场标定方法。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

三分量磁探头正交度野外现场标定装置，是由底座5之上装有推力轴承4和三个以上限位块3，限位块3对转动平台1限位，在推力轴承4之上装有转动平台1，圆筒2固定在转动平台1上，圆筒2的上部为耳状凸条11，平轴6与圆盘8的直径重合并固定在圆盘8上，水平轴6的两端分别穿过两个耳状凸条11，圆盘8悬挂在两个耳状凸条11之间，圆盘8绕水平轴6转动，圆盘8上装有角度盘9，三分量探头7通过螺钉或转动轴固定在度盘9上，三分量探头7的一端装有连接器10构成。

三分量磁探头正交度野外现场标定方法，包括以下顺序和步骤：

a、将质子进动磁力仪置于转动平台1的附近，三分量仪器控制器置于转动平台1上，通过GPS与三分量仪器控制器同步测量，三分量仪器控制器通过连接器10与三分量探头7连接；

b、调整三分量探头7在圆盘8上的某一初始位置，拔转转动平台1，同时启动三分量探头7和质子进动磁力仪，平台1转动一圈完成一组数据测量，再同方向拔动三分量探头7转动5-10°到下一位置，再拔转转动平台1，完成一组数据测量；

c、重复步骤b直到三分量探头7转动180°度完成一次测量；

或者调整圆盘8与某一初始位置，拔转转动平台1，同时启动三分量探头7和质子进动磁力仪，平台1转动一圈完成一组数据测量，同方向拔转圆盘8转动5-10°到下一位置，再拔转转动平台1完成一组数据测量，

重复拔转圆盘8转动5-10°到下一位置，直到圆盘8转动180°度完成一次测量；

d、求u₁，u₂，u₃的函数：

$F(u_1,u_2,u_3)=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\left(\right|B_i|-|B_{\mathrm{OHM}}\left|\right)}^2,$

其中N代表一次标定所进行的测量总次数，|B_OHM|是由质子磁力仪测得的标量总场，

|B_i|＝|P^-1·B′|， $P=\left(\begin{array}{ccc}1& 0& 0\\ -\sin u_1& \cos u_1& 0\\ \sin u_2& \sin u_3& \sqrt{(1-{\sin }^2{u}_2-{\sin }^2{u}_3)}\end{array}\right),$

B′代表非正交三分量磁探头所测得的磁场；

e、求 $\underset{(u_1,u_2,u_3)}{\min }F(u_1,u_2,u_3)=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\left(\right|B_i|-|B_{\mathrm{OHM}}\left|\right)}^2$ 也就是求u₁，u₂，u₃使得F(u₁，u₂，u₃)达到极小值；

f、用三分量探头7测量磁场时，用求得的常数u₁，u₂，u₃进而求得P^-1再通过B＝P^-1·B′最终求得正交局部坐标系中的磁场，完成三分量非正交探头的标定与较正。

有益效果：本发明提供的三分量磁探头正交度野外现场标定装置完全能保证三个非正交的磁探头敏感轴在测量过程中以尽可能等概率地扫遍全空间，标定装置结构简单，成本低廉，不需要专门的标定环境，极大地降低了测量成本，方便了野外工作，提高了测量效率。

附图说明：

附图1：三分量磁探头正交度标定装置主视图

附图2：三分量磁探头正交度标定装置剖视图

附图3：三分量探头敏感轴与局部正交坐标系偏差角的定义图.

具体实施方式：

下面结合附图和实施例做进一步的详细说明：

三分量磁探头正交度野外现场标定装置，是由底座5之上装有推力轴承4和三个以上限位块3，限位块3对转动平台1限位，在推力轴承4之上装有转动平台1，圆筒2固定在转动平台1上，圆筒2的上部为耳状凸条11，平轴6与圆盘8的直径重合并固定在圆盘8上，水平轴6的两端分别穿过两个耳状凸条11，圆盘8悬挂在两个耳状凸条11之间，圆盘8绕水平轴6转动，圆盘8上装有角度盘9，三分量探头7通过螺钉或转动轴固定在度盘9上，三分量探头7的一端装有连接器10构成。

三分量磁探头正交度野外现场标定方法，包括以下顺序和步骤：

a、将质子进动磁力仪置于转动平台1的附近，三分量仪器控制器置于转动平台1上，通过GPS与三分量仪器控制器同步测量，三分量仪器控制器通过连接器10与三分量探头7连接；

b、调整三分量探头7在圆盘8上的某一初始位置，拔转转动平台1，同时启动三分量探头7和质子进动磁力仪，平台1转动一圈完成一组数据测量，再同方向拔动三分量探头7转动5-10°到下一位置，再拔转转动平台1，完成一组数据测量；

c、重复步骤b直到三分量探头7转动180°度完成一次测量；

或者调整圆盘8与某一初始位置，拔转转动平台1，同时启动三分量探头7和质子进动磁力仪，平台1转动一圈完成一组数据测量，同方向拔转圆盘8转动5-10°到下一位置，再拔转转动平台1完成一组数据测量，

重复拔转圆盘8转动5-10°到下一位置，直到圆盘8转动180°度完成一次测量；

d、求u₁，u₂，u₃的函数：

$F(u_1,u_2,u_3)=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\left(\right|B_i|-|B_{\mathrm{OHM}}\left|\right)}^2,$

其中N代表一次标定所进行的测量总次数，|B_OHM|是由质子磁力仪测得的标量总场，

|B_i|＝|P^-1·B′|， $P=\left(\begin{array}{ccc}1& 0& 0\\ -\sin u_1& \cos u_1& 0\\ \sin u_2& \sin u_3& \sqrt{(1-{\sin }^2{u}_2-{\sin }^2{u}_3)}\end{array}\right),$

B′代表非正交三分量磁探头所测得的磁场；

e、求 $\underset{(u_1,u_2,u_3)}{\min }F(u_1,u_2,u_3)=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\left(\right|B_i|-|B_{\mathrm{OHM}}\left|\right)}^2$ 也就是求u₁，u₂，u₃使得F(u₁，u₂，u₃)达到极小值；

f、用三分量探头7测量磁场时，用求得的常数u₁，u₂，u₃进而求得P^-1再通过B＝P^-1·B′最终求得正交局部坐标系中的磁场，完成三分量非正交探头的标定与较正。

实施例1

三分量磁探头正交度野外现场标定装置，是由底座5之上装有推力轴承4和三个以上限位块3，限位块3对转动平台1限位，在推力轴承4之上装有转动平台1，圆筒2固定在转动平台1上，圆筒2的上部为耳状凸条11，平轴6与圆盘8的直径重合并固定在圆盘8上，水平轴6的两端分别穿过两个耳状凸条11，圆盘8悬挂在两个耳状凸条11之间，圆盘8绕水平轴6转动，圆盘8上装有角度盘9，三分量探头7通过螺钉或转动轴固定在度盘9上，三分量探头7的一端装有连接器10构成。

三分量磁探头正交度野外现场标定方法，包括以下顺序和步骤：

b、调整三分量探头7在圆盘8上的某一初始位置，拔转转动平台1，同时启动三分量探头7和质子进动磁力仪，平台1转动一圈完成一组数据测量，再同方向拔动三分量探头7转动5°到下一位置，再拔转转动平台1，完成一组数据测量；

c、重复步骤b直到三分量探头7转动180°度完成一次测量；

d、求u₁，u₂，u₃的函数：

$F(u_1,u_2,u_3)=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\left(\right|B_i|-|B_{\mathrm{OHM}}\left|\right)}^2,$

其中N代表一次标定所进行的测量总次数，|B_OHM|是由质子磁力仪测得的标量总场，

|B_i|＝|P^-1·B′|， $P=\left(\begin{array}{ccc}1& 0& 0\\ -\sin u_1& \cos u_1& 0\\ \sin u_2& \sin u_3& \sqrt{(1-{\sin }^2{u}_2-{\sin }^2{u}_3)}\end{array}\right),$

B′代表非正交三分量磁探头所测得的磁场；

e、求 $\underset{(u_1,u_2,u_3)}{\min }F(u_1,u_2,u_3)=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\left(\right|B_i|-|B_{\mathrm{OHM}}\left|\right)}^2$ 也就是求u₁，u₂，u₃使得F(u₁，u₂，u₃)达到极小值；

f、用三分量探头7测量磁场时，用求得的常数u₁，u₂，u₃进而求得P^-1再通过B＝P^-1·B′最终求得正交局部坐标系中的磁场，完成三分量非正交探头的标定与较正。

实施例2

三分量磁探头正交度野外现场标定装置，是由底座5之上装有推力轴承4和三个以上限位块3，限位块3对转动平台1限位，在推力轴承4之上装有转动平台1，圆筒2固定在转动平台1上，圆筒2的上部为耳状凸条11，平轴6与圆盘8的直径重合并固定在圆盘8上，水平轴6的两端分别穿过两个耳状凸条11，圆盘8悬挂在两个耳状凸条11之间，圆盘8绕水平轴6转动，圆盘8上装有角度盘9，三分量探头7通过螺钉或转动轴固定在度盘9上，三分量探头7的一端装有连接器10构成。

三分量磁探头正交度野外现场标定方法，包括以下顺序和步骤：

b、调整三分量探头7在圆盘8上的某一初始位置，拔转转动平台1，同时启动三分量探头7和质子进动磁力仪，平台1转动一圈完成一组数据测量，再同方向拔动三分量探头7转动10°到下一位置，再拔转转动平台1，完成一组数据测量；

c、重复步骤b直到三分量探头7转动180°度完成一次测量；

d、求u₁，u₂，u₃的函数：

$F(u_1,u_2,u_3)=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\left(\right|B_i|-|B_{\mathrm{OHM}}\left|\right)}^2,$

其中N代表一次标定所进行的测量总次数，|B_OHM|是由质子磁力仪测得的标量总场，

|B_i|＝|P^-1·B′|， $P=\left(\begin{array}{ccc}1& 0& 0\\ -\sin u_1& \cos u_1& 0\\ \sin u_2& \sin u_3& \sqrt{(1-{\sin }^2{u}_2-{\sin }^2{u}_3)}\end{array}\right),$

B′代表非正交三分量磁探头所测得的磁场；

e、求 $\underset{(u_1,u_2,u_3)}{\min }F(u_1,u_2,u_3)=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\left(\right|B_i|-|B_{\mathrm{OHM}}\left|\right)}^2$ 也就是求u₁，u₂，u₃使得F(u₁，u₂，u₃)达到极小值；

f、用三分量探头7测量磁场时，用求得的常数u₁，u₂，u₃进而求得P^-1再通过B＝P^-1·B′最终求得正交局部坐标系中的磁场，完成三分量非正交探头的标定与较正。

实施例3

三分量磁探头正交度野外现场标定装置，是由底座5之上装有推力轴承4和三个以上限位块3，限位块3对转动平台1限位，在推力轴承4之上装有转动平台1，圆筒2固定在转动平台1上，圆筒2的上部为耳状凸条11，平轴6与圆盘8的直径重合并固定在圆盘8上，水平轴6的两端分别穿过两个耳状凸条11，圆盘8悬挂在两个耳状凸条11之间，圆盘8绕水平轴6转动，圆盘8上装有角度盘9，三分量探头7通过螺钉或转动轴固定在度盘9上，三分量探头7的一端装有连接器10构成。

三分量磁探头正交度野外现场标定方法，包括以下顺序和步骤：

b、调整圆盘8与某一初始位置，拔转转动平台1，同时启动三分量探头7和质子进动磁力仪，平台1转动一圈完成一组数据测量，同方向拔转圆盘8转动5-10°到下一位置，再拔转转动平台1完成一组数据测量；

c、重复拔转圆盘8转动5°到下一位置，直到圆盘8转动180°度完成一次测量；

d、求u₁，u₂，u₃的函数：

$F(u_1,u_2,u_3)=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\left(\right|B_i|-|B_{\mathrm{OHM}}\left|\right)}^2,$

其中N代表一次标定所进行的测量总次数，|B_OHM|是由质子磁力仪测得的标量总场，

|B_i|＝|P^-1·B′|， $P=\left(\begin{array}{ccc}1& 0& 0\\ -\sin u_1& \cos u_1& 0\\ \sin u_2& \sin u_3& \sqrt{(1-{\sin }^2{u}_2-{\sin }^2{u}_3)}\end{array}\right),$

B′代表非正交三分量磁探头所测得的磁场；

e、求 $\underset{(u_1,u_2,u_3)}{\min }F(u_1,u_2,u_3)=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\left(\right|B_i|-|B_{\mathrm{OHM}}\left|\right)}^2$ 也就是求u₁，u₂，u₃使得F(u₁，u₂，u₃)达到极小值；

f、用三分量探头7测量磁场时，用求得的常数u₁，u₂，u₃进而求得P^-1再通过B＝P^-1·B′最终求得正交局部坐标系中的磁场，完成三分量非正交探头的标定与较正。

实施例4

三分量磁探头正交度野外现场标定装置，是由底座5之上装有推力轴承4和三个以上限位块3，限位块3对转动平台1限位，在推力轴承4之上装有转动平台1，圆筒2固定在转动平台1上，圆筒2的上部为耳状凸条11，平轴6与圆盘8的直径重合并固定在圆盘8上，水平轴6的两端分别穿过两个耳状凸条11，圆盘8悬挂在两个耳状凸条11之间，圆盘8绕水平轴6转动，圆盘8上装有角度盘9，三分量探头7通过螺钉或转动轴固定在度盘9上，三分量探头7的一端装有连接器10构成。

三分量磁探头正交度野外现场标定方法，包括以下顺序和步骤：

b、调整圆盘8与某一初始位置，拔转转动平台1，同时启动三分量探头7和质子进动磁力仪，平台1转动一圈完成一组数据测量，同方向拔转圆盘8转动5-10°到下一位置，再拔转转动平台1完成一组数据测量；

c、重复拔转圆盘8转动10°到下一位置，直到圆盘8转动180°度完成一次测量；

d、求u₁，u₂，u₃的函数：

$F(u_1,u_2,u_3)=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\left(\right|B_i|-|B_{\mathrm{OHM}}\left|\right)}^2,$

其中N代表一次标定所进行的测量总次数，|B_OHM|是由质子磁力仪测得的标量总场，

|B_i|＝|P^-1·B′|， $P=\left(\begin{array}{ccc}1& 0& 0\\ -\sin u_1& \cos u_1& 0\\ \sin u_2& \sin u_3& \sqrt{(1-{\sin }^2{u}_2-{\sin }^2{u}_3)}\end{array}\right),$

B′代表非正交三分量磁探头所测得的磁场；

e、求 $\underset{(u_1,u_2,u_3)}{\min }F(u_1,u_2,u_3)=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\left(\right|B_i|-|B_{\mathrm{OHM}}\left|\right)}^2$ 也就是求u₁，u₂，u₃使得F(u₁，u₂，u₃)达到极小值；

f、用三分量探头7测量磁场时，用求得的常数u₁，u₂，u₃进而求得P^-1再通过B＝P^-1·B′最终求得正交局部坐标系中的磁场，完成三分量非正交探头的标定与较正。

Claims (2)

1.一种三分量磁探头正交度野外现场标定装置，其特征在于，是由底座(5)之上装有推力轴承(4)和三个以上限位块(3)，限位块(3)对转动平台(1)限位，在推力轴承(4)之上装有转动平台(1)，圆筒(2)固定在转动平台(1)上，圆筒(2)的上部为耳状凸条(11)，平轴(6)与圆盘(8)的直径重合并固定在圆盘(8)上，水平轴(6)的两端分别穿过两个耳状凸条(11)，圆盘(8)悬挂在两个耳状凸条(11)之间，圆盘(8)绕水平轴(6)转动，圆盘(8)上装有角度盘(9)，三分量探头(7)通过螺钉或转动轴固定在度盘(9)上，三分量探头(7)的一端装有连接器(10)构成。

2.一种三分量磁探头正交度野外现场标定方法，其特征在于，包括以下顺序和步骤：

a、将质子进动磁力仪置于转动平台(1)的附近，三分量仪器控制器置于转动平台(1)上，通过GPS与三分量仪器控制器同步测量，三分量仪器控制器通过连接器(10)与三分量探头(7)连接；

b、调整三分量探头(7)在圆盘(8)上的某一初始位置，拔转转动平台(1)，同时启动三分量探头(7)和质子进动磁力仪，平台(1)转动一圈完成一组数据测量，再同方向拔动三分量探头(7)转动5-10°到下一位置，再拔转转动平台(1)，完成一组数据测量；

c、重复步骤b直到三分量探头(7)转动180°度完成一次测量；

或者调整圆盘(8)与某一初始位置，拔转转动平台(1)，同时启动三分量探头(7)和质子进动磁力仪，平台(1)转动一圈完成一组数据测量，同方向拔转圆盘(8)转动5-10°到下一位置，再拔转转动平台(1)完成一组数据测量，

重复拔转圆盘(8)转动5-10°到下一位置，直到圆盘(8)转动180°度完成一次测量；

d、求u₁，u₂，u₃的函数：

$F(u_1,u_2,u_3)=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\left(\right|B_i|-|B_{\mathrm{OHM}}\left|\right)}^2,$

其中N代表一次标定所进行的测量总次数，|B_OHM|是由质子磁力仪测得的标量总场，

|B_i|＝|P^-1·B′|， $P=\left(\begin{array}{ccc}1& 0& 0\\ -\sin u_1& \cos u_1& 0\\ \sin u_2& \sin u_3& \sqrt{(1-{\sin }^2{u}_2-{\sin }^2{u}_3)}\end{array}\right),$

B′代表非正交三分量磁探头所测得的磁场；

e、求 $\underset{(u_1,u_2,u_3)}{\min }F(u_1,u_2,u_3)=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\left(\right|B_i|-|B_{\mathrm{OHM}}\left|\right)}^2$ 也就是求u₁，u₂，u₃使得F(u₁，u₂，u₃)达到极小值；

f、用三分量探头(7)测量磁场时，用求得的常数u₁，u₂，u₃进而求得P^-1再通过B＝P^-1·B′最终求得正交局部坐标系中的磁场，完成三分量非正交探头的标定与较正。

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