CN105548917B - 一种非屏蔽环境下磁传感器阵列的校准方法 - Google Patents
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Abstract
一种非屏蔽环境下对磁传感器阵列进行校准的方法，包括：选择一组磁场传感器阵列中的磁场传感器测得的包括背景磁场的磁场强度数据，根据预定的指标和规则，选择磁场强度数据中均匀度和一致性相对较好的磁场强度数据，作为后续处理的依据；去除背景磁场强度，依据选择的均匀度和一致性相对较好的磁场强度数据，对背景磁场强度的值进行处理，以得到更符合校准线圈的磁场强度数据；校准磁传感器阵列，对校准磁场强度的信号进行进一步的选择及处理，并得到多个通道之间的校准系数。本发明的优点在于，可在非屏蔽环境实现磁传感器阵列的校准，这对于使用屏蔽条件有限的场合非常实用，且方法简易可行。
Description
技术领域
本发明涉及到多个传感器组成的磁传感器阵列的校准方法。
背景技术
在磁场测量应用中，磁传感器阵列通常作为系统的最前端。为保证多个传感器工作的一致性，通常需要对磁传感器进行校准。磁传感器的校准是相对困难的，主要是体现在背景磁场对校准精度的影响。即使在磁屏蔽室内进行校准，也很难保证磁场的一致性，尤其是在低频段磁场。
现有技术大部分都在磁屏蔽室内进行，通过校准线圈产生一个已知强度和方向的磁场，通过测量传感器阵列的电压输出实现校准方法。这种方法相对而言是比较准确的，但缺点也很明显。一是磁屏蔽室的造价随着屏蔽效果的提高而急剧上升，其成本在很多情况下可能会无法接受；二是对于低频磁场和地磁场，由于其波长极长，目前的技术手段难以保证其屏蔽效果。
发明内容
本发明人研究了非屏蔽的环境下利用磁场处理的一些自定义指标选择数据选择，以将背景磁场的影响尽可能降低，并提出一种校准方法。该方法相对简单易行，并且有一定精度，具备良好的应用价值。
本发明人由此提出了一种非屏蔽环境下对磁传感器阵列进行校准的方法，其包括选择背景磁场数据、去除背景磁场和校准磁传感器阵列三个步骤。其中，选择背景磁场数据通过自定义的指标及一定的规则，选择背景磁场中相对来讲均匀度和一致性较好的磁场数据，作为后续处理的依据；去除背景磁场是依据选择后的数据，将背景磁场强度的值进行处理，以得到较符合校准线圈的磁场强度数据；校准磁传感器阵列是在将背景磁场去除后对校准磁场的信号进行进一步的选择及处理，并得到多个通道之间的校准系数。
根据本发明的一个方面，提供了一种非屏蔽环境下对磁传感器阵列进行校准的方法，其特征在于包括：
选择一个磁场传感器阵列中的磁场传感器测得的背景磁场的磁场强度数据，根据预定的指标和规则，选择背景磁场强度中均匀度和一致性相对较好的磁场强度数据，作为后续处理的依据；
去除背景磁场，依据选择的均匀度和一致性相对较好的磁场强度数据，对背景磁场强度的值进行处理，以得到更符合校准线圈的磁场强度数据；
校准磁传感器阵列，对校准磁场强度的信号进行进一步的选择及处理，并得到多个通道之间的校准系数。
附图说明
图1是本发明的校准各部分的连接示意图。
图2是本发明的实施步骤一个实施例的流程框图。
图3是本发明的选择磁场强度数据一个实施例的流程框图。
图4是本发明的校准阵列一个实施例的流程框图。
具体实施方式
为更好说明本发明的内容，本发明首先对磁传感器阵列进行说明。磁传感器阵列是由多个磁场传感器组成，目前有多种形式，其测量原理和使用方法不尽相同。本发明中的数据针对是某一个方向的磁场数据，比较适合于方向性明确的矢量磁场传感器。对于标量传感器或者总场传感器，需在本发明的基础上，需进行增加方向性或者进行分量求解。因此，本发明的磁传感器的测量方向为同一个方向，并且能够测量大小及方向。下文中对此将不再强调。
对磁场传感器阵列进行校准，需要使用校准线圈，在磁传感器阵列的传感器位置产生一个标准均匀的磁场信号。校准线圈需要覆盖磁场传感器的空间大小，并且满足均匀度要求。校准线圈通常由校准线圈控制器控制，以产生制定频率和幅度的校准磁场强度。控制器可使用标准信号源或者带有一定功率输出的信号产生装置接口。磁场传感器阵列的输出为电压信号，需要使用数据采集装置，通常至少为16位精度及满足采样率要求，用于记录磁传感器阵列的电压输出。
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合具体实施例对本发明进行详细描述。
在根据本发明的一个具体实施例中，磁传感器阵列存在着5个磁场传感器，其中第一磁传感器位于传感器的中间位置。整个校准各部分的连接示意图如图1所示。其中，100为磁传感器阵列，包括5个磁场传感器，分别标为1-5。101为校准线圈，其用于在磁传感器阵列的传感器104的位置产生一个标准均匀的磁场信号。102为电压信号记录器，用于记录磁传感器的电压输出。103为校准线圈控制器，用于控制校准线圈，以产生指定频率和幅度的校准磁场强度。
一选择磁场数据
为更好的选择磁场数据，首先定义了如下的磁场物理量，用于评价磁场的大小，具体内容如下。
(1)定义磁场的总强度为T，校准线圈产生的磁场为S，背景磁场为B。对于空间某位置的某位置i，磁场传感器阵列中的一个传感器处的总磁场强度Ti可用公式(1)表示。需要注意的，从磁场传感器的输出看，只能测量出磁场的总磁场强度，并不能区分磁场是校准线圈产生的磁场与背景磁场。
Ti＝Si+Bi 公式(1)
(2)定义任意两点沿某方向的磁场强度平均值为Tij(i≠j),需要根据Ti和Tj进行计算，其计算公式如公式(2)所示。显然，Tij＝Tji。
公式(2)
(3)定义任意两点的磁场强度差值绝对值为VTij(i≠j)，则可依据公式(3)进行。如不使用校准线圈，则磁场强度差值绝对值等同于背景磁场强度的差值绝对值。如使用校准线圈，则磁场强度差值绝对值近似等于背景磁场强度的差值绝对值。
ΔTij＝|Ti-Tj|＝(Si-Sj)+(Bi-Bj)| 公式(3)
(4)定义任意两点的磁场强度梯度绝对值为Gij(i≠j)，则可根据磁场强度的差值绝对值与距离值计算，则可依据公式(4)进行。
Gij＝ΔTij/dij 公式(4)
其次，定义如下三个参考偏差量，用于表明磁场的分布特点。注意的是，这三个量在一定程度上反映了磁场的分布规律。三个量分别是：
(1)中心点的总场参考偏差η1；
(2)总磁场的参考最大偏差η2；
(3)总磁场梯度的参考最大偏差η3；
中心点的总场参考偏差η1通过计算中心点的磁场强度与各个点的磁场强度的平均值，得到两者的偏差，用于评价总磁场的分布均匀性。该偏差越接近于0，说明总磁场的空间一致性越好。其计算过程如公式(5)和(6)所示。其中，Tc为测量得到的中心点的总磁场强度，为通过平均化得到的平均值。
公式(5)
公式(6)
总磁场的参考最大偏差η2通过计算总磁场中的磁场强度差值绝对值的最大值ΔTij(max)与最小值ΔTij(min)的相对偏差，从而得到了总磁场强度的最大偏差。总磁场强度的最大偏差在有校准信号的时候，近似于背景磁场强度的最大偏差。该偏差越接近于0，说明背景磁场的空间一致性越好。其计算过程如公式(7)所示。
公式(7)
总磁场梯度的参考最大偏差η3通过计算总磁场强度中的梯度磁场差值绝对值的最大值Gij(max)与最小值Gij(min)的相对偏差，从而得到了总磁场强度梯度的最大偏差。总磁场强度梯度的最大偏差在有校准信号的时候，近似于背景磁场强度梯度的最大偏差。该偏差越接近于0，说明背景磁场强度随空间距离变化的一致性越好。其计算过程如公式(8)所示。
公式(8)
最后，将磁场强度数据进行测量与记录，对依据公式(2)-(4)计算ΔTij和Gij，并进一步依据公式(5)-(8)计算η1，η2及η3，并制定判断阈值η1(TH)，η2(TH)及η3(TH)，以挑选满足要求的数据。判断依据如公式(9)所示。
η1<η1(TH),η2<η2(TH),η3<η3(TH) 公式(9)
二背景磁场去除
由于校准线圈加的信号为交流信号，所以理论上校准线圈产生的磁场为交流磁场，不含有恒定磁场成分。如磁场传感器只对交流信号进行响应，则相对而言，传感器的电压输出中背景磁场会较小。如磁场传感器对直流和交流信号均进行响应，则相对而言，传感器的电压输出中背景磁场会较大。本发明针对后者进行说明。
如果传感器的电压输出含有直流成分，则直流成分可以认为有两种来源：一种是背景磁场的直流成分，这特别符合地球磁场的特点；另一种是电路带来的直流偏置。但无论如何，这两种情况下都不是校准磁场的作用。因此，可以直接将直流成分去除，得到校准磁场带来的交流信号。
三校准方法
经过前面的两次数据选择，则处理后的数据理论上为只包括校准线圈产生的磁场信号。如校准信号采用正弦信号，则输出电气信号应为正弦信号。但实际中由于各种原因，信号往往带有一定的失真现象。为保证校准的效果，对其中的一个传感器，可采用如下的方法进行测量，并记录电压的峰峰值Vpp。
(1)校准信号为小信号，产生在传感器的灵敏度10倍量级的磁场信号B(min)，此时观察失真情况，并记录下电压输出强度的峰峰值Vpp(min)
(2)校准信号为大信号，产生在传感器的满幅度的磁场信号B(max)，此时观察失真情况，并记录下电压输出强度的峰峰值Vpp(max)
(3)校准信号为中等信号，产生在传感器的中间幅度的磁场信号B(mid)，此时观察失真情况，并记录下电压输出强度的峰峰值Vpp(mid)
下面根据公式(10)-(12)，依次计算磁场强度-电压转换系数。
公式(10)
公式(11)
公式(12)
根据磁传感器在工作范围内的特点，电气输出应与输入磁场呈现较好的线性度，因此应满足公式(13)。如果不能满足此条件，说明传感器的线性度较差。但依然可采用本专利的方法。
kmin≈kmid≈kmax 公式(13)
校准的基本公式如公式(14)所示。其中，K为校准前的磁场强度-电压传递系数，为校准后的磁场-电压传递系数，C为校准矩阵。假设传感器的个数为N，将公式(14)进行展开，结果如公式(15)所示。其中，公式(14)的K展开后，每行为一个矩阵的三个磁场强度-电压转换系数，且为N行3列的矩阵；公式(14)的展开后，每行都为校准后的相同的三个磁场强度-电压转换系数，且为N行3列的矩阵；C为三行三列的校准矩阵，含有9个待求解的元素。
公式(14)
公式(15)
为进一步减少背景磁场对校准准确度的影响，进一步引入三个磁场强度-电压系数参考偏差，分别用于表示校准信号为小信号、大信号及中等信号时的磁场强度-电压系数偏差，用于评价背景磁场对校准信号的影响。相关参考偏差记为λmin、λmid及λmax，其计算公式如公式(16)-(18)所示。
公式(16)
公式(17)
公式(18)
显然，上述三个值越接近0，代表通道间的磁场强度-电压系数的差异越小。判断时应满足一定的阈值，具体判断阈值应以满足要求为准。在满足阈值的条件下，使用公式(19)-(21)计算校准后的磁场-电压传递系数。
公式(19)
公式(20)
公式(21)
由此，公式(15)的校准矩阵的K和均为已知，问题为求解C。从理论上讲，如果要求解C，则需要至少9组数据以求解9个未知数。实际中，越多的数据越有利于C的求解精度。通过选择合理的数据，可对C进行求解，由此实现了对传感器阵列的校准。
根据本发明的一个实施例的非屏蔽环境下对磁传感器阵列进行校准的方法如附图2所示，其包括三个步骤，其中，200为选择磁场数据，通过自定义的指标及一定的规则，选择总磁场中背景磁场相对来讲均匀度和一致性较好的磁场数据，作为后续处理的依据。201为去除背景磁场，将第一步选择的数据，进一步将背景磁场的值进行处理，以得到较符合校准线圈的磁场数据。202为校准磁传感器阵列，将背景磁场去除后对校准磁场的信号进行进一步的选择及处理，并得到多个通道之间的校准系数。
一磁场数据选择
根据磁场传感器为5个，则总场强度T、校准线圈产生的磁场为S、背景磁场为B均有5个，则对于5个点，记Ti＝Si+Bi(i＝1，2，3，4，5)。磁场数据的选择流程图如附图3所示。首先进行步骤300，先选择一组数据，然后进行如下的计算的判断。
301计算中心点的参考平均磁场强度值
由于1号位置为中间位置，所以只需计算2到5号的磁场均值，作为中心点的参考，如公式(22)所示。
公式(22)
302计算任意两点的磁场强度差值绝对值
根据发明内容的计算规则，则可计算任意两点的磁场强度差值绝对值，参考公式(3)进行。
303计算任意两点的磁场强度梯度绝对值
根据发明内容的计算规则，则可计算任意两点的磁场强度梯度绝对值，参考公式(4)进行。
304计算中心点X的总场参考偏差
中心点X的总场参考偏差η1，利用301中得的数据，根据公式(6)求解即可。
305计算背景场的参考偏差
背景场的参考偏差η2，利用302中得的数据，求解最大值ΔTij(max)与最小值ΔTij(min)，最后根据公式(7)求解即可。
306计算总场梯度的参考偏差
总场梯度的参考偏差η3，利用1.3中得的数据，求解最大值Gij(max)与最小值Gij(min)，最后根据公式(8)求解即可。
307进行判断及选择
制定判断阈值η1(TH)，η2(TH)及η3(TH)，以挑选满足要求的数据。判断依据如公式(9)所示。如数据不能满足要求，则丢及，重新选择数据，进行步骤300。如满足要求，则进行发明的后续处理(步骤308)。
二背景磁场去除
由于校准线圈加的信号为交流信号，所以理论上校准线圈产生的磁场为交流磁场，不含有恒定磁场成分。如磁场传感器只对交流信号进行响应，则相对而言，传感器的电压输出中背景磁场会较小。如磁场传感器对直流和交流信号均进行响应，则相对而言，传感器的电压输出中背景磁场会较大。本发明针对后者进行说明。
如果传感器的电压输出含有直流成分，则直流成分可以认为有两种来源：一种是背景磁场的直流成分，这特别符合地球磁场的特点；另一种是电路带来的直流偏置。但无论如何，这两种情况下都不是校准磁场的作用。因此，可以直接将直流成分去除，得到交流信号。
三进行系数校准
如附图4，为校准磁场-电压转换系数的一种流程图。其中，首先选择第二步的输出数据(步骤400)。然后依次进行下面处理。
401依次测量4个传感器在三种校准信号下的磁场强度-电压系数。
(1)校准信号为小信号
产生在传感器的灵敏度10倍量级的磁场信号B(min)，此时观察失真情况，并记录下电气输出强度的峰峰值Vpp(min)。
(2)校准信号为大信号
产生在传感器的满幅度的磁场信号B(max)，此时观察失真情况，并记录下电气输出强度的峰峰值Vpp(max)。
(3)校准信号为中等信号
产生在传感器的中间幅度的磁场信号B(mid)，此时观察失真情况，并记录下电气输出强度的峰峰值Vpp(mid)。
根据公式(10)-(12)，依次计算磁场强度-电压转换系数。
402计算系数偏差
三个磁场强度-电压系数参考偏差，分别用于表示校准信号为小信号、大信号及中等信号时的磁场-电压系数偏差，用于评价背景磁场对校准信号的影响。相关参考偏差记为λmin、λmid及λmax，其计算公式如公式(16)-(18)所示。
403判定系数偏差
上述三个值越接近0，代表通道间的磁场强度-电压系数的差异越小。判断时应满足一定的阈值，具体判断阈值应以满足要求为准。
404计算校准后的系数矩阵
在满足阈值的条件下，使用公式(19)-(21)计算校准后的磁场强度-电压传递系数。如不能满足要求，则重新选择数据，转入步骤400。
405求解校准矩阵
公式(15)的校准矩阵的K和均为已知，问题为求解C。从理论上讲，如果要求解C，则需要至少9组数据以求解9个未知数。实际中，越多的数据越有利于C的求解精度。通过选择合理的数据，可对C进行求解，由此实现了对传感器阵列的校准。
本发明的优点和有益效果包括：
(1)可在非屏蔽环境实现磁传感器阵列的校准，这对于使用屏蔽条件有限的场合非常实用。即使是磁屏蔽室的造价，也存在着造价的成本问题及低频磁场和地磁场的屏蔽效果较差问题。
(2)方法简易可行，体现在主要是对磁场测量后的数据进行计算和选择，并通过自定义的阈值来选择数据，具备一定的灵活性。
本发明特别适合于对磁传感器阵列进行校准的场合，如常见的平面布局磁传感器和梯度张量磁传感器系统，能够降低对屏蔽室的要求，可在非屏蔽环境中使用。
Claims (5)
1.一种非屏蔽环境下对磁传感器阵列进行校准的方法，其特征在于包括：
选择磁场传感器阵列中的一组磁场传感器测得的包括背景磁场的磁场强度数据，根据预定的指标和规则，选择背景磁场强度中均匀度和一致性相对较好的磁场强度数据，作为后续处理的依据；
去除背景磁场强度，依据选择的均匀度和一致性相对较好的磁场强度数据，对背景磁场强度的值进行处理，以得到更符合校准线圈的磁场强度数据；
校准磁传感器阵列，对校准磁场强度的信号进行进一步的选择及处理，并得到多个通道之间的校准系数，
其中，选择背景磁场数据的步骤包括：
对于空间某位置i处的磁场传感器阵列的一个磁场传感器处的总磁场强度Ti：
Ti＝Si+Bi (1)，
其中校准线圈产生的磁场强度为Si，背景磁场强度为Bi，
定义任意两点i、j沿某方向的磁场强度平均值为Tij(i≠j)：
定义两点i、j的磁场强度差值绝对值为ΔTij(i≠j)：
ΔTij＝|Ti-Tj|＝|Si-Sj)+(Bi-Bj)| (3)
定义两点i、j的磁场强度梯度绝对值为Gij(i≠j)：
Gij＝ΔTij/dij (4)
定义中心点的总场参考偏差η1、总磁场强度的参考最大偏差η2、总磁场强度梯度的参考最大偏差η3，
其中，
中心点的总场参考偏差η1的确定包括计算磁场传感器阵列的中心点的总磁场强度与各个点的磁场强度的平均值，从而得到两者的偏差，其用于评价总磁场强度的分布均匀性；该偏差越接近于0，说明总磁场强度的空间一致性越好，即：设Tc为测量得到的中心点的总磁场强度，为通过平均化得到的平均值，
则
其中N是磁场传感器阵列中的磁场传感器的总数，dij是两点i、j之间的距离，
总磁场强度的参考最大偏差η2的确定包括计算总磁场强度中的磁场强度差值绝对值的最大值ΔTij(max)与最小值ΔTij(min)的相对偏差，从而得到了总磁场强度的最大偏差，该偏差越接近于0，说明背景磁场强度的空间一致性越好，即：
总磁场强度梯度的参考最大偏差η3的确定包括计算总磁场强度中的磁场强度梯度差值的绝对值的最大值Gij(max)与最小值Gij(min)的相对偏差，从而得到了总磁场强度梯度的最大偏差，该偏差越接近于0，说明总磁场强度随空间距离变化的一致性越好，即：
以及
按公式(9)确定判断依据：
η1＜η1(TH),η2＜η2(TH),η3＜η3(TH) (9)
其中，η1(TH)，η2(TH)及η3(TH)是用于挑选满足要求的数据的判断阈值。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于去除背景磁场强度的步骤包括：
将所述磁场传感器的电压输出的直流成分去除，得到校准磁场强度带来的交流信号。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于校准磁传感器阵列的步骤包括对每个磁场传感器进行如下操作：
采用小信号作为校准信号，产生在传感器的灵敏度10倍量级的磁场强度信号B(min)，观察失真情况，并记录下电压输出强度的峰峰值Vpp(min)；
采用大信号作为校准信号，产生在传感器的满幅度的磁场强度信号B(max)，观察失真情况，并记录下电压输出强度的峰峰值Vpp(max)；
采用中等信号作为校准信号，产生在传感器的中间幅度的磁场强度信号B(mid)，此时观察失真情况，并记录下电压输出强度的峰峰值Vpp(mid)；
按公式(10)-(12)，依次计算磁场强度-电压转换系数：
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于校准磁传感器阵列的步骤进一步包括：
校准的基本公式如公式(14)所示，其中，K为校准前的磁场强度-电压传递系数矩阵，为校准后的磁场强度-电压传递系数矩阵，C为校准矩阵，
对所述N个磁场传感器，将公式(14)展开，得到如公式(15)的结果：
其中，
公式(14)的K展开后，每行为一个矩阵的三个磁场强度-电压转换系数，且为N行3列的矩阵；
公式(14)的展开后，每行都为校准后的相同的三个磁场强度-电压转换系数，且为N行3列的矩阵；
C为三行三列的校准矩阵，含有9个待求解的元素。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于校准磁传感器阵列的步骤进一步包括：
为进一步减少背景磁场对校准准确度的影响，进一步引入三个磁场强度-电压系数参考偏差λmin、λmid及λmax，分别用于表示校准信号为小信号、大信号及中等信号时的磁场强度-电压系数偏差，用于评价背景磁场对校准信号的影响，其中
在满足阈值的条件下，用公式(19)-(21)计算校准后的磁场强度-电压传递系数：
由此，公式(15)的校准矩阵的K和均为已知，问题化为求解C，
通过选择合理的数据，对C进行求解，由此实现了对传感器阵列的校准。
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