CN108169698B - 一种利用合成标量磁场测量磁场线圈的磁轴正交度方法 - Google Patents

一种利用合成标量磁场测量磁场线圈的磁轴正交度方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种利用合成标量磁场测量磁场线圈的磁轴正交度方法，先后给磁场线圈两个磁轴施加一定大小的磁场，该磁场会与地磁场相互作用，产生合成磁场，使用标量磁强计分别测量合成磁场，然后通过公式计算线圈磁轴之间的夹角；在测量过程中不需要移动测试设备，也无需对轴，没有机械装配操作，可以避免引入安装误差；本发明具有测量精度高、操作简单、方便的优点。将上述方法应用于某装置磁场线圈的正交度测试中，测得的实际角度为89.945°，测量重复性优于0.01°，比常用的检测方法准确度高一个数量级以上。

Description

一种利用合成标量磁场测量磁场线圈的磁轴正交度方法
技术领域
本发明属于磁计量技术领域，具体涉及一种利用合成标量磁场测量磁场线圈的磁轴正交度方法。
背景技术
磁轴正交度是两轴磁场线圈、三轴磁场线圈的一个基本参数，表示的是磁场线圈两个磁轴之间两两垂直的程度，这对于磁场线圈产生磁场量值的准确度非常重要。因为磁场线圈广泛应用于磁学计量领域，是产生标准磁场的一种重要手段，在多种磁学计量装置中均是主标准器。
目前最常用的测量磁场线圈正交度的方法是：将单轴或者三轴矢量磁传感器安装在二维或三维转台上，并放于磁场线圈中心，通过调整转台将磁传感器的一敏感轴与线圈磁轴对准，观察磁传感器另一敏感轴的输出，利用三角函数结算线圈磁轴之间的夹角。该测量方法具有以下缺点，一是转台对轴过程的不确定度较大，约有0.2°～0.5°的偏差，该偏差是无法消除的；二是该种方法需要的配套设备较多，无磁转台、安装基座等，校准过程操作步骤多，对检测人员要求较高。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提供一种利用合成标量磁场测量磁场线圈的磁轴正交度方法，通过测量三次不同状态下的标量磁场即可实现磁轴正交度的解算，检测设备为测量标量磁场的磁强计，测试过程中不需要对轴等操作，不存在装配误差，可以达到很高的测量精度。
一种测量磁场线圈的磁轴正交度方法，包括如下步骤：
步骤0、定义待测量磁场线圈X轴与Y轴之间的磁轴夹角为∠XOY，OX为X轴磁场线圈的磁轴方向，OY为Y轴磁场线圈的磁轴方向，E为地磁场矢量方向；
步骤1、在磁场线圈通电前，将标量磁强计置于磁场线圈的中心工作区，测量地磁场的大小，记为B0；
步骤2、给磁场线圈X轴通电，复现与地磁场大小B0相等的磁场，根据磁场合成定理，X轴产生的磁场与地磁场的合成磁场的方向为OP方向，即为∠XOE的角平分线方向，合成磁场的大小通过标量磁强计测得，记为B0+x；
步骤3、利用三角函数关系，在等腰三角形ΔXOE中，记∠XOE的大小为2α，则有：
Figure BDA0001498986990000021
步骤4、给磁场线圈Y轴通电，复现与地磁场大小相等的磁场，记录标量磁强计测得的Y轴与地磁场的合成磁场大小，记为B0+y；
步骤5、利用三角函数关系，在等腰三角形ΔYOE中，记∠YOE的大小为β，则有；
Figure BDA0001498986990000022
Figure BDA0001498986990000023
步骤6、给磁场线圈X轴通电，使其复现与地磁场等量的磁场B0，同时给磁场线圈Y轴通电，使其复现大小为B0+x的磁场，记录标量磁强计测得的三者的合成磁场大小B0+x+y；
步骤7、利用三角函数关系，在三角形ΔYOP中，记Y轴磁场方向与∠XOE角平分线的夹角为θ，则有：
Figure BDA0001498986990000031
步骤8、利用步骤3、5和7的公式，求得∠XOY，即为磁场线圈的正交度。
较佳的，所述标量磁强计为光泵磁强计、质子磁强计，或者为三轴正交度已知的三轴磁传感器。
本发明具有如下有益效果：
本发明的磁轴正交度测量方法在测量过程中不需要移动测试设备，也无需对轴，没有机械装配操作，可以避免引入安装误差；本发明具有测量精度高、操作简单、方便的优点。将上述方法应用于某装置磁场线圈的正交度测试中，测得的实际角度为89.945°，测量重复性优于0.01°，比常用的检测方法准确度高一个数量级以上。
附图说明
图1是本发明的原理图；
图2为原理图上添加相关辅助线的几何模型；
图3为几何模型在同一平面的投影图。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
本发明的一种利用合成标量磁场测量磁场线圈的磁轴正交度方法，先后给磁场线圈两个磁轴施加一定大小的磁场，该磁场会与地磁场相互作用，产生合成磁场，使用标量磁强计分别测量合成磁场，然后通过公式计算线圈磁轴之间的夹角。所述的测量合成磁场的标量磁强计可以为光泵磁强计、质子磁强计，也可为三轴正交度已知(可解算总量磁场)的三轴磁传感器，具体步骤如下：
如图1所示，定义待测量磁场线圈X轴与Y轴之间的磁轴夹角为∠XOY，OX为X轴磁场线圈的磁轴方向，OY为Y轴磁场线圈的磁轴方向，E为地磁场矢量方向。
步骤1、在磁场线圈通电前，将标量磁强计置于磁场线圈的中心工作区，测量地磁场的大小，记为B0；
步骤2、给磁场线圈X轴通电，复现与地磁场大小B0相等的磁场，根据磁场合成定理，X轴产生的磁场与地磁场的合成磁场的方向为OP方向，即为∠XOE的角平分线方向，如图2所示，合成磁场的大小通过标量磁强计测得，记为B0+x；
步骤3、利用三角函数关系，在等腰三角形ΔXOE中，记∠XOE的大小为2α，则有：
Figure BDA0001498986990000041
步骤4、同理，给磁场线圈Y轴通电，复现与地磁场大小相等的磁场，记录标量磁强计测得的Y轴与地磁场的合成磁场大小，记为B0+y；
步骤5、利用三角函数关系，在等腰三角形ΔYOE中，记∠YOE的大小为β，则有；
Figure BDA0001498986990000042
Figure BDA0001498986990000043
步骤6、给磁场线圈X轴通电，使其复现与地磁场等量的磁场B0，同时给磁场线圈Y轴通电，使其复现大小为B0+x的磁场，记录标量磁强计测得的三者的合成磁场大小B0+x+y；
步骤7、利用三角函数关系，在三角形ΔYOP中，记Y轴磁场方向与∠XOE角平分线的夹角为θ，则有：
Figure BDA0001498986990000051
步骤8、利用步骤3、5和7的公式，求得∠XOY即为磁场线圈的正交度，则∠XOY的求解过程如下：
如图3所示，假设线圈Y轴复现的磁场B0+x在XPE平面的投影为Y`，同时令OP为单位长度1，则有PE＝tanα，PY`＝tanθ，OX＝OE＝1/cosα，OY`＝1/cosθ；
设E Y`＝x，X Y`＝y，∠Y`PE即为β在平面的投影角β′，则有
Figure BDA0001498986990000052
Figure BDA0001498986990000053
cosβ′＝-cos(∠XPZ′) (3)
由公式(1)～(3)可得：
y2＝2tan2α+2tan2θ-x2 (4)
在△POY′中，由余弦定理可知：
Figure BDA0001498986990000054
即
Figure BDA0001498986990000055
可得
Figure BDA0001498986990000056
在△XOY`中，由余弦定理可知：
Figure BDA0001498986990000061
将公式(4)、(7)代入(8)，可得
cos∠XOY＝2cosαcosα-cosβ
步骤9、则有
∠XOY＝arcos(2cosα cosθ-cosβ)
其中
Figure BDA0001498986990000062
Figure BDA0001498986990000063
Figure BDA0001498986990000064
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种测量磁场线圈的磁轴正交度方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤0、定义待测量磁场线圈X轴与Y轴之间的磁轴夹角为∠XOY，OX为X轴磁场线圈的磁轴方向，OY为Y轴磁场线圈的磁轴方向，E为地磁场矢量方向；
步骤1、在磁场线圈通电前，将标量磁强计置于磁场线圈的中心工作区，测量地磁场的大小，记为B0；
步骤2、给磁场线圈X轴通电，复现与地磁场大小B0相等的磁场，根据磁场合成定理，X轴产生的磁场与地磁场的合成磁场的方向为OP方向，即为∠XOE的角平分线方向，合成磁场的大小通过标量磁强计测得，记为B0+x；
步骤3、利用三角函数关系，在等腰三角形ΔXOE中，记∠XOE的大小为2α，则有：
Figure FDA0002522066720000011
步骤4、给磁场线圈Y轴通电，复现与地磁场大小相等的磁场，记录标量磁强计测得的Y轴与地磁场的合成磁场大小，记为B0+y；
步骤5、利用三角函数关系，在等腰三角形ΔYOE中，记∠YOE的大小为β，则有：
Figure FDA0002522066720000012
Figure FDA0002522066720000013
步骤6、给磁场线圈X轴通电，使其复现与地磁场等量的磁场B0，同时给磁场线圈Y轴通电，使其复现大小为B0+x的磁场，记录标量磁强计测得的三者的合成磁场大小B0+x+y；
步骤7、利用三角函数关系，在三角形ΔYOP中，记Y轴磁场方向与∠XOE角平分线的夹角为θ，则有：
Figure FDA0002522066720000021
步骤8、利用步骤3、5和7的公式，求得∠XOY，即为磁场线圈的正交度。
2.如权利要求1所述的一种测量磁场线圈的磁轴正交度方法，其特征在于，所述标量磁强计为光泵磁强计、质子磁强计和三轴正交度已知的三轴磁传感器中的一种。
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