CN106289206A - 一种提供稳定地磁场环境的装置和方法 - Google Patents

Abstract

一种提供稳定地磁场环境的装置和方法，三轴磁传感器测量周围环境的三个相互垂直方向上的磁场，磁信号处理模块将三轴磁传感器测量到的磁场信号转换为线性电信号，多路信号合成模块根据多路线性电信号叠加计算外界磁场变化的三个相互垂直的分量，电流放大模块将多路信号合成模块输出的三个磁场变化分量转换为相对应的电流源信号，三维亥姆霍兹线圈根据电流源信号补偿外界变化磁场，以形成稳定的地磁场环境。本发明造价较低，易于实现，利于提高测量精度，不受测试时间场地限制。

Description

一种提供稳定地磁场环境的装置和方法

技术领域

本发明涉及船用产品检测领域，尤其涉及一种提供稳定地磁场环境的装置和方法。

背景技术

船用磁罗经是重要的航海指向仪器，一般船舶至少安装一台标准磁罗经或一台操舵罗经。1977年国际海事组织(IMO)规定，在驾驶舱内安装的航行和通信设备必须提供与罗经安全距离。地球磁场和船舶环境磁场会引起船舶驾驶舱通导仪表磁化，罗经在该磁力作用下会产生偏差，使之偏离磁子午线的方向。为测定具有该类影响的通讯导行仪器仪表与罗经之间的最小距离，即罗经偏差满足航海要求的安全距离，就需要提供该测量时所需相对稳定的地磁场环境。

罗经安全距离的测试是利用地球磁场强度与角度的关系，将对角度的测量转化为对磁场强度的测量，在测得磁场强度的同时读取受试仪器仪表各单元与磁强计的距离。一般测试时，要求选一个除了地磁场外无其他磁干扰的空旷地方，即要求提供一个稳定的地磁场环境。一种实现方式是：在实验室中通过钢板，硅钢片和坡莫合金建立地磁屏蔽的实验室，然后在屏蔽室内人工搭建需要的地磁场，该方法的缺点是造价过高，占地面积大，施工周期长，设备无法移动，不便于测试大型设备，优点是磁场环境稳定，可以根据需要模拟地球不同经纬度磁场。另一种实现方式是，根据地磁变化规律和外界环境变化，选择在夜间，人车等活动少的时间段，对测试精度要求不高和忽略外界干扰地磁场来测量，这种方法的缺点是收到测试时间的限制。

发明内容

本发明提供一种提供稳定地磁场环境的装置和方法，通过三轴磁传感器监测外界磁场环境变化，时时补偿到亥姆霍兹线圈中，以补偿外界磁场的变化，从而提供磁罗经安全距离测试所需的稳定地磁场环境，本发明造价较低，易于实现，利于提高测量精度，不受测试时间场地限制。

为了达到上述目的，本发明提供一种提供稳定地磁场环境的装置，包含：

多个三轴磁传感器，其设置在磁罗经安全距离测试所需的稳定地磁场测试环境周围，该三轴磁传感器用于测量稳定地磁场测试环境周围的三个相互垂直方向上的磁场；

多个磁信号处理模块，每个磁信号处理模块分别电性连接一个三轴磁传感器，用于将三轴磁传感器测量到的磁场信号转换为线性电信号；

多路信号合成模块，其电性连接所有的磁信号处理模块，用于根据多路线性电信号叠加计算外界磁场变化的三个相互垂直的分量；

三个电流放大模块，其电性连接多路信号合成模块，用于将三个磁场变化分量分别转换为相对应的电流源信号；

三维亥姆霍兹线圈，其电性连接三个电流放大模块，用于根据电流源信号补偿外界变化磁场，以形成稳定地磁场环境。

若三轴磁传感器的数量大于一个，则将所有的三轴磁传感器均匀设置在测试环境周围，若三轴磁传感器的数量为一个，则将该三轴磁传感器设置在五分钟内磁场变化量大于500nT的区域。

所述的多路信号合成模块采用上位机。

所述的三维亥姆霍兹线圈的形状为双数多边形或圆形。

本发明还提供一种提供稳定地磁场环境的方法，包含以下步骤：

步骤S1、三轴磁传感器测量周围环境的三个相互垂直方向上的磁场；

步骤S2、磁信号处理模块将三轴磁传感器测量到的磁场信号转换为线性电信号；

步骤S3、多路信号合成模块根据多路线性电信号叠加计算外界磁场变化的三个相互垂直的分量；

步骤S4、电流放大模块将多路信号合成模块输出的三个磁场变化分量转换为相对应的电流源信号；

步骤S5、三维亥姆霍兹线圈根据电流源信号补偿外界变化磁场，以形成稳定地磁场环境。

磁信号处理模块同时将磁场信号中的噪音信号去除。

所述的步骤S3中，叠加计算磁场分量的方法包含：均值计算法和比例系数计算法。

本发明通过三轴磁传感器监测外界磁场环境变化，时时补偿到亥姆霍兹线圈中，以补偿外界磁场的变化，从而提供磁罗经安全距离测试所需的稳定地磁场环境，本发明造价较低，易于实现，利于提高测量精度，不受测试时间场地限制。

附图说明

图1是本发明提供的一种提供稳定地磁场环境的装置的结构示意图

具体实施方式

以下根据图1具体说明本发明的较佳实施例。

如图1所示，本发明提供一种提供稳定地磁场环境的装置，包含：

多个三轴磁传感器1，其设置在磁罗经安全距离测试所需的稳定地磁场测试环境周围，该三轴磁传感器1用于测量稳定地磁场测试环境周围的三个相互垂直方向上的磁场；

多个磁信号处理模块2，每个磁信号处理模块2分别电性连接一个三轴磁传感器1，用于将三轴磁传感器测量到的磁场信号转换为线性电信号；

多路信号合成模块3，其电性连接所有的磁信号处理模块2，用于根据多路线性电信号叠加计算外界磁场变化的三个相互垂直的分量；

三个电流放大模块4，其电性连接多路信号合成模块3，用于将三个磁场变化分量分别转换为相对应的电流源信号；

三维亥姆霍兹线圈5，其电性连接三个电流放大模块4，用于根据电流源信号补偿外界变化磁场，以形成稳定地磁场环境。

所述的三轴磁传感器可测量三个方向相互垂直的磁场，本实施例中，采用的三轴磁传感器的测量分辨率为10nT以下，量程不小于100000nT。

若三轴磁传感器的数量大于一个，则将所有的三轴磁传感器均匀设置在测试环境周围，若三轴磁传感器的数量为一个，则将该三轴磁传感器设置在五分钟内磁场变化量大于500nT的区域，三轴磁传感器的数量越多，磁场测试精度越大。

所述的多路信号合成模块可以采用上位机。

所述的三维亥姆霍兹线圈是由三个相互垂直的线圈组成，用以补偿外界变化磁场，该三维亥姆霍兹线圈的形状为双层圆形，线圈的匝数和大小与磁场的均匀区的大小有关。

磁场强度B

$B=\frac{1}{2}{\mathrm{\μ}}_0\·N\·I\·R^2\{{\[R^2+{(\frac{R}{2}+Y)}^2\]}^{-\frac{3}{2}}+{\[R^2+{(\frac{R}{2}-Y)}^2\]}^{-\frac{3}{2}}\}$

式中μ0＝4π·10^-7H/m，N为线圈匝数，I为线圈上通的直流电流，R为亥姆霍兹线圈半径，Y为亥姆霍兹两个线圈中心点连线的中点为坐标的原点。

本发明还提供一种提供稳定地磁场环境的方法，包含以下步骤：

步骤S1、三轴磁传感器测量周围环境的三个相互垂直方向上的磁场；

步骤S2、磁信号处理模块将三轴磁传感器测量到的磁场信号转换为线性电信号；

磁信号处理模块同时将磁场信号中的噪音信号去除，使数据具有较好的线性度；

步骤S3、多路信号合成模块根据多路线性电信号叠加计算外界磁场变化的三个相互垂直的分量；

步骤S4、电流放大模块将多路信号合成模块输出的三个磁场变化分量转换为相对应的电流源信号；

电流源信号大小与输入的磁场变化量大小成正比关系，与外界亥姆霍兹线圈阻抗无关；

步骤S5、三维亥姆霍兹线圈根据电流源信号补偿外界变化磁场，以形成稳定地磁场环境。

所述的步骤S3中，叠加计算磁场分量的方法包含：均值计算法和比例系数计算法。

所述的上位机采用均值计算法计算磁场分量的方法包含：

1、将磁信号处理模块输出的多路线性电信号(模拟信号)转换为数字信号；

2、通过滤波方式去除非正常信号；

3、根据三轴磁传感器的数量对数字信号取平均值，获得外界磁场变化的X/Y/Z三个相互垂直方向的分量；

4、将获得外界磁场变化的X/Y/Z三个相互垂直方向的分量经过数模变换，输出三个方向的模拟控制量。

所述的上位机采用比例系数计算法计算磁场分量的方法包含：

1、将磁信号处理模块输出的多路线性电信号(模拟信号)转换为数字信号；

2、通过滤波方式去除非正常信号；

3、根据磁场变化数值在X/Y/Z三方向分量，按照由大到小排列分别为ΔT₁,ΔT₂,…ΔT_n，去除最大最小变化磁场值ΔT₁,ΔT_n，计算外界磁场变化的X/Y/Z三个相互垂直方向的分量ΔT：

ΔT＝(ΔT₂*0.9+ΔT₃*0.8+ΔT₄…ΔT_n-3+ΔT_n-2*1.2+ΔT_n-1*1.1)/n-2，n≥4；

ΔT＝(ΔT₁+…+ΔT_n)/n，n≤3；

4、将获得外界磁场变化的X/Y/Z三个相互垂直方向的分量经过数模变换，输出三个方向的输出三个方向的模拟控制量。

本发明通过三轴磁传感器监测外界磁场环境变化，时时补偿到亥姆霍兹线圈中，以补偿外界磁场的变化，从而提供磁罗经安全距离测试所需的稳定地磁场环境，本发明造价较低，易于实现，利于提高测量精度，不受测试时间场地限制。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (7)

1.一种提供稳定地磁场环境的装置，其特征在于，包含：

多个三轴磁传感器（1），其设置在磁罗经安全距离测试所需的稳定地磁场测试环境周围，该三轴磁传感器（1）用于测量稳定地磁场测试环境周围的三个相互垂直方向上的磁场；

多个磁信号处理模块（2），每个磁信号处理模块（2）分别电性连接一个三轴磁传感器（1），用于将三轴磁传感器测量到的磁场信号转换为线性电信号；

多路信号合成模块（3），其电性连接所有的磁信号处理模块（2），用于根据多路线性电信号叠加计算外界磁场变化的三个相互垂直的分量；

三个电流放大模块（4），其电性连接多路信号合成模块（3），用于将三个磁场变化分量分别转换为相对应的电流源信号；

三维亥姆霍兹线圈（5），其电性连接三个电流放大模块（4），用于根据电流源信号补偿外界变化磁场，以形成稳定地磁场环境。

2.如权利要求1所述的提供稳定地磁场环境的装置，其特征在于，若三轴磁传感器的数量大于一个，则将所有的三轴磁传感器均匀设置在测试环境周围，若三轴磁传感器的数量为一个，则将该三轴磁传感器设置在五分钟内磁场变化量大于500nT的区域。

3.如权利要求1所述的提供稳定地磁场环境的装置，其特征在于，所述的多路信号合成模块采用上位机。

4.如权利要求1所述的提供稳定地磁场环境的装置，其特征在于，所述的三维亥姆霍兹线圈的形状为双数多边形或圆形。

5.一种利用如权利要求1-4中任意一项所述的装置来提供稳定地磁场环境的方法，其特征在于，包含以下步骤：

步骤S1、三轴磁传感器测量周围环境的三个相互垂直方向上的磁场；

步骤S2、磁信号处理模块将三轴磁传感器测量到的磁场信号转换为线性电信号；

步骤S3、多路信号合成模块根据多路线性电信号叠加计算外界磁场变化的三个相互垂直的分量；

步骤S4、电流放大模块将多路信号合成模块输出的三个磁场变化分量转换为相对应的电流源信号；

步骤S5、三维亥姆霍兹线圈根据电流源信号补偿外界变化磁场，以形成稳定地磁场环境。

6.如权利要求5所述的提供稳定地磁场环境的方法，其特征在于，磁信号处理模块同时将磁场信号中的噪音信号去除。

7.如权利要求5所述的提供稳定地磁场环境的方法，其特征在于，所述的步骤S3中，叠加计算磁场分量的方法包含：均值计算法和比例系数计算法。