CN108508390B - 矢量磁传感器的标定方法及其简便标定方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种矢量磁传感器的标定方法及其简便标定方法，主要解决传统标定方法中环境磁噪声与环境磁场梯度对标定结果的影响，以及无磁转台旋转传感器所引入的磁场干扰及旋转导致探头位置偏移等问题。该方法以磁屏蔽装置内部近零且稳定的磁场环境为背景，在优先标定三轴线圈的条件下，利用三轴线圈产生的标准且可控的矢量磁场标定矢量磁传感器。该方法在低磁场噪声的环境下实施，且无需旋转待标定的矢量磁传感器，简化了标定过程，提升了标定精度。

Description

矢量磁传感器的标定方法及其简便标定方法

技术领域

本发明涉及空间探测、导航、生物磁场测量、磁场复现、地质勘探等领域，具体是一种矢量磁传感器的标定方法及其简便标定方法。

背景技术

矢量磁传感器被广泛应用于空间探测、导航等领域，作为高精度的矢量磁传感器，受到加工精度与电子电路自身的限制，导致其自身存在着三种误差：零偏误差、比例系数误差以及非正交误差，在使用之前需要标定其误差参数。

现有标定方法中，以“标量校正法”应用最为广泛。传统的“标量校正法”通常选在地磁场清洁的地点，在假定当地地磁场稳定且均匀的条件下，借助无磁转台旋转待标定的矢量磁传感器产生大量的示数，并利用与待标定矢量磁传感器一定距离的标量磁力仪实时监测环境磁场，通过算法拟合标量磁力仪和矢量磁传感器的示数，估计误差参数。

传统的“标量校正法”存在如下问题：①地磁场受到多种因素的影响会产生人为无法控制的波动，这些波动会严重影响标定结果；②矢量磁传感器具有一定体积，其探头位置随着旋转会发生偏移，这就要求标定环境的磁场梯度极低，这种环境也难以找到；③用与待标定传感器一定距离处的磁场代替待标定传感器处的磁场同样要求极低的磁场梯度；④无磁转台在加工和使用过程中也会具有剩磁而引入磁干扰；⑤为了规避电动转台执行器引入的磁干扰，通常选用实验效率较低的手动转台，这种情况将无法忽略地磁场的时间漂移。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述现有技术存在的问题，进而提供一种矢量磁传感器的标定方法，以解决传统的“标量校正法”存在的问题，在磁屏蔽装置的低噪声环境中，借助磁屏蔽装置与三轴线圈二者构成的标准磁源产生的磁场的旋转代替了转台旋转传感器，有效的解决了地磁场噪声、磁场梯度以及传感器旋转等因素对标定精度的影响。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种矢量磁传感器的标定方法，其步骤如下：

步骤一、将电子设备预热，借助精密测距仪器精确定位，将已完成标定的矢量磁传感器置于磁屏蔽装置的中心位置甚至中心区域，(该技术手段参考外文文献：Voigt J,Knappe-Grüneberg S,Gutkelch D,et al.Development of a vector-tensor system tomeasure the absolute magnetic flux density and its gradient in magneticallyshielded rooms[J].Review of Scientific Instruments.2015,86(5):55109，)用以检测磁屏蔽装置的内部磁场；

步骤二、预先设置标定三轴线圈时的三轴电流I_x、I_y、I_z；

步骤三、借助精密测距仪器的精确定位，将三轴线圈置于磁屏蔽装置中心位置，并将高精度标量磁力仪放置在三轴线圈的中心位置甚至中心区域，随后对三轴线圈的标定；

步骤四、预先设置标定矢量磁传感器时的三轴电流I_x’、I_y’、I_z’；

步骤五、将步骤三中的标量磁力仪替换为待标定的矢量磁传感器，借助激光跟踪仪进行定位，可以保证替换后的待标定矢量磁传感器探头所处位置与步骤三中的标量磁力仪探头位置偏差控制在毫米量级，由于步骤三中已经完成了三轴线圈的标定，因此可以根据标定矢量磁传感器时的三轴电流I_x’、I_y’、I_z’直接计算出待标定矢量磁传感器处的磁场幅值，并借助数据拟合算法求解矢量磁传感器的误差参数；

步骤六、确定以上步骤中所使用的电子设备的精度，结合步骤一中的磁屏蔽装置内部的磁场噪声，借助蒙特卡洛法仿真计算待标定矢量磁传感器的误差参数的不确定度，再结合步骤五中的误差参数，作为矢量磁传感器的最终标定结果。

进一步的，步骤一中，所使用的电子设备使用前都需要5～10分钟的预热、借助激光跟踪仪的精确定位将SQUID置于磁屏蔽装置中心位置甚至中心区域，用于检测磁屏蔽装置的内部磁场。

进一步的，步骤一中所述的置于磁屏蔽装置中心位置甚至中心区域的已完成标定的矢量磁传感器，用于检测磁屏蔽装置的内部磁场，分析记录的磁场数据，计算出磁屏蔽装置内部磁场幅值B₀与幅值的波动△B₀，以B₀±△B₀作为磁屏蔽装置中心位置磁场的标准，△B₀可以支撑后续对标定结果的不确定度分析。

进一步的，步骤二中标定三轴线圈时的三轴电流I_x、I_y、I_z需要均匀分布在空间8个象限，即I_x、I_y、I_z满足(+++)、(-++)、(+-+)、(++-)、(--+)、(-+-)、(+--)、(---)，共8种组合，以保证三轴电流I_x、I_y、I_z产生的空间矢量磁场覆盖空间的所有方向；其次，I_x、I_y、I_z幅值需根据三轴线圈在设计完成后三轴大致的比例系数k_x、k_y、k_z来确定，以三轴矢量磁场和的幅值，即

处在标量磁力仪量程中间为宜；最后，每个象限电流组数为n(n≥2)，共计8×n组输入电流。

进一步的，步骤三中，三轴线圈需要标定的误差参数共有9个，分别为各轴电流与实际产生磁场的比例系数k_xc、k_yc、k_zc；实际线圈三轴彼此之间的非正交角度α_c、β_c、γ_c；磁屏蔽装置中心区域磁场的三轴分量B_x0、B_y0、B_z0；用三台独立的高精度直流电源分别给线圈三轴通以预设的8×n组电流I_x、I_y、I_z，并记录每组电流对应的标量磁力仪的示数B，每组I_x、I_y、I_z与B都在通电稳定的条件下，采集数据后取平均值确定；根据磁场模值构建I_x、I_y、I_z与B的等式关系；借助数据拟合算法处理已经获取的8×n组I_x、I_y、I_z与的B值，即可求解三轴线圈的9个参数，此时可以通过比较标定结果中的磁屏蔽装置中心位置的磁场模值

与步骤一中B₀±△B₀进行对比，如果

在B₀±△B₀的范围内，则认为三轴线圈标定结果是可信的。

进一步的，步骤四中，参考步骤二，标定矢量磁传感器时的三轴电流I_x’、I_y’、I_z’需要满足覆盖空间8个象限，I_x’、I_y’、I_z’幅值需根据三轴线圈标定完成后得到的三轴比例系数k_xc、k_yc、k_zc来确定，以三轴矢量磁场和的幅值，即

处在待标定矢量磁传感器量程中间为宜。最后，每个象限电流组数为m(m≥2)，共计8×m组输入电流。

进一步的，步骤五中，矢量磁传感器需要标定的误差参数有9个，分别为各轴零偏误差b_x、b_y、b_z；各轴比例系数误差k_xf、k_yf、k_zf以及三轴之间的非正交误差α_f、β_f、γ_f，用三台独立的高精度直流电源分别给线圈的三轴通以预先设置的电流I_x’、I_y’、I_z’，并记录每组电流对应的矢量磁传感器的三轴示数B_fx、B_fy、B_fz。每组I_x’、I_y’、I_z’与B_fx、B_fy、B_fz都在通电稳定的条件下，采集数据后取平均值确定；由于步骤三中已经完成了三轴线圈的三轴电流I_x、I_y、I_z的标定，因此可以根据标定矢量磁传感器时的三轴电流I_x’、I_y’、I_z’直接计算出待标定矢量磁传感器处的磁场幅值，根据磁场模值构建I_x’、I_y’、I_z’与B_fx、B_fy、B_fz的等式关系，并借助数据拟合算法处理已经获取的8×m组I_x’、I_y’、I_z’与B_fx、B_fy、B_fz的值，即可求解矢量磁传感器的9个误差参数。

进一步的，步骤六中，确定以上步骤中所使用的电子设备的精度，结合步骤一中的磁屏蔽装置内部的磁场噪声，借助蒙特卡洛法仿真计算待标定矢量磁传感器9个误差参数的不确定度，结合步骤五中的9个误差参数值，作为矢量磁传感器最终的标定结果。

一种矢量磁传感器的简便标定方法，其步骤如下：

步骤一、将电子设备预热，借助精密测距仪器精确定位，将已完成标定的矢量磁传感器置于磁屏蔽装置的中心位置，用以检测磁屏蔽装置的内部磁场；检测并记录磁屏蔽装置的内部磁场；分析记录的磁场数据，计算出磁屏蔽装置内部磁场幅值B₀与幅值的波动△B₀，以B₀±△B₀作为磁屏蔽装置中心位置磁场的标准；△B₀可以支撑后续对标定结果的不确定度分析；

步骤二、预先设置标定矢量磁传感器时的三轴电流I_x’、I_y’、I_z’，三轴电流需要满足均匀覆盖空间8个象限，I_x’、I_y’、I_z’幅值也同样需根据线圈在设计完成后三轴大致的比例系数k_x、k_y、k_z来确定，以三轴矢量磁场和的幅值，即

处在待标定矢量磁传感器量程中间为宜，每个象限电流组数为n(n≥4)，共计8×n组输入电流；

步骤三、借助激光跟踪仪的精确定位，将三轴线圈置于磁屏蔽装置中心位置，并将待标定矢量磁传感器放置在三轴线圈的中心位置，依次给三轴线圈通以步骤二中预先设置的8×n组电流，并记录每组电流对应的矢量磁传感器的三轴示数B_fx、B_fy、B_fz；每组I_x’、I_y’、I_z’与B_fx、B_fy、B_fz都在通电稳定的条件下，采集数据后取平均值确定；根据磁场模值构建I_x’、I_y’、I_z’与B_fx、B_fy、B_fz的等式关系，借助数据拟合算法处理已经获取的8×n组I_x’、I_y’、I_z’与B_fx、B_fy、B_fz的值，即可求解三轴线圈与矢量磁传感器的18个误差参数。

考虑到均匀场线圈产生的磁场与磁屏蔽装置屏蔽层中的软磁材料存在磁场耦合关系，这种耦合关系会降低均匀场线圈产生磁场的准确性。因此，可将在上述方案中提到的“三轴线圈”替换为“三轴无矩均匀场线圈”，在磁屏蔽装置内部构成更标准的磁源，以提高磁屏蔽装置中三轴线圈产生磁场的精度。

本发明的有益效果是：通过采用本发明的技术方案，可以解决传统的“标量校正法”在实施过程中，磁场噪声对标定精度的干扰；用幅值与方向均可控的标准矢量磁场代替了传感器的旋转，回避了无磁转台的使用，无需考虑转台剩磁与环境磁场的均匀性；提升了标定的效率。

附图说明

图1为理想正交三轴与实际非正交三轴的示意图。

图2为本发明中矢量磁传感器的标定方法的实施流程图。

图3为本发明中矢量磁传感器的简便标定方法的实施流程图。

图4为三轴Helmholtz线圈结构示意图。

图5为以Helmholtz线圈为基础所设计的单轴无矩线圈结构示意图。

图6为以Helmholtz线圈为基础所设计的三轴无矩线圈结构示意图。

图7为SQUID或已标定的矢量磁传感器与磁屏蔽装置组合示意图。

图8为高精度标量磁力仪、三轴线圈与磁屏蔽装置组合示意图。

图9为待标定矢量磁传感器、三轴线圈与磁屏蔽装置组合示意图。

图中标注如下：

1--磁屏蔽装置；

2--评价磁环境时用的磁传感器；

3--三轴无矩线圈；301—X轴无矩线圈；302—Y轴无矩线圈；303—Z轴无矩线圈；

4--标定线圈时的标量磁力仪；

5--待标定的矢量磁传感器。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明做进一步的详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式，但本发明的保护范围不限于下述实施例。

本发明技术方案的实施需具备如下器材及设备：

基于被动屏蔽原理的磁屏蔽装置；

高精度标量磁力仪(如质子磁力仪、光泵磁力仪等)及相关设备；

待标定的矢量磁传感器及相关设备；

超导量子跟踪仪(SQUID)或着已完成标定的矢量磁传感器及其相关设备；

激光跟踪仪及相关设备；

尺寸大于标量磁力仪以及待标定矢量磁传感器的三轴磁场线圈；

三台高精度直流电源；

三套用于测量精确电流值的精密电阻与电压表；

用于支撑与固定三轴线圈以及各传感器等仪器设备的支撑机构。

实施例1、本实施例所涉及的一种矢量磁传感器的标定方法，其步骤如下：

一种矢量磁传感器的标定方法，其步骤如下：

步骤一、将电子设备预热，借助精密测距仪器精确定位，将已完成标定的矢量磁传感器置于磁屏蔽装置的中心位置甚至中心区域，用以检测磁屏蔽装置的内部磁场；

步骤二、预先设置标定三轴线圈时的三轴电流I_x、I_y、I_z；

步骤三、借助精密测距仪器的精确定位，将三轴线圈置于磁屏蔽装置中心位置甚至中心区域，并将高精度标量磁力仪放置在三轴线圈的中心位置，随后对三轴线圈的标定；

步骤四、预先设置标定矢量磁传感器时的三轴电流I_x’、I_y’、I_z’；

步骤五、将步骤三中的标量磁力仪替换为待标定的矢量磁传感器，借助激光跟踪仪进行定位，可以保证替换后的待标定矢量磁传感器探头所处位置与步骤三中的标量磁力仪探头位置偏差控制在毫米量级，由于步骤三中已经完成了三轴线圈的标定，因此可以根据标定矢量磁传感器时的三轴电流I_x’、I_y’、I_z’直接计算出待标定矢量磁传感器处的磁场幅值，并借助数据拟合算法求解矢量磁传感器的误差参数；

步骤六、确定以上步骤中所使用的电子设备的精度，结合步骤一中的磁屏蔽装置内部的磁场噪声，借助蒙特卡洛法仿真计算待标定矢量磁传感器的误差参数的不确定度，再结合步骤五中的误差参数，作为矢量磁传感器的最终标定结果。

实施例2、本实施例所涉及的一种矢量磁传感器的标定方法，如图2所示：

步骤一：由于磁屏蔽装置具有优秀的磁屏蔽性能，因此新方法实施可以选在全天任意时段进行，但是选在夜间人为活动较少时进行效果更佳，所有电子设备使用前都需要5～10分钟的预热，借助精密测距仪器如激光跟踪仪的精确定位，将SQUID或已完成标定的矢量磁传感器置于磁屏蔽装置中心位置甚至中心区域，如图7所示，检测并记录一段时间内磁屏蔽装置的内部磁场；分析记录的磁场数据，计算出磁屏蔽装置内部磁场幅值B₀与幅值的波动△B₀，以B₀±△B₀作为磁屏蔽装置中心位置磁场的标准；△B₀可以支撑后续对标定结果的不确定度分析；

步骤二：预先设置标定三轴线圈时的三轴电流I_x、I_y、I_z。首先，三轴电流需要满足均匀分布在空间8个象限，即I_x、I_y、I_z满足(+++)、(-++)、(+-+)、(++-)、(--+)、(-+-)、(+--)、(---)，共8种组合；以保证三轴电流I_x、I_y、I_z产生的空间矢量磁场覆盖空间的所有方向，其次，I_x、I_y、I_z幅值需根据三轴线圈在设计完成后三轴大致的比例系数k_x、k_y、k_z来确定，以三轴矢量磁场和的幅值，即

处在标量磁力仪量程中间为宜；最后，每个象限电流组数为n(n≥2)，共计8×n组输入电流；

步骤三：借助激光跟踪仪的精确定位，将三轴线圈置于磁屏蔽装置中心位置甚至中心区域，并将高精度标量磁力仪放置在三轴线圈的中心位置，如图8所示，三轴线圈需要标定的误差参数共有9个，分别为各轴电流与实际产生磁场的比例系数k_xc、k_yc、k_zc；实际线圈三轴彼此之间的非正交角度α_c、β_c、γ_c，如图1所示；磁屏蔽装置中心区域磁场的三轴分量B_x0、B_y0、B_z0。用三台独立的高精度直流电源分别给线圈三轴通以预设的8×n组电流I_x、I_y、I_z，并记录每组电流对应的标量磁力仪的示数B(标量模值)，每组I_x、I_y、I_z与B都在通电稳定的条件下，采集一段时间(如10s)数据后取平均值确定；B与I_x、I_y、I_z的关系如式(1)所示，参考式(1)，借助数据拟合算法(如最小二乘法、高斯牛顿法、L-M算法等)处理已经获取的8×n组I_x、I_y、I_z与的B值，即可求解三轴线圈的9个参数；此时可以通过比较标定结果中的磁屏蔽装置中心位置的磁场模值

与步骤一中B₀±△B₀进行对比，如果

在B₀±△B₀的范围内，则认为三轴线圈标定结果是可信的；

步骤四：预先设置标定矢量磁传感器时的三轴电流I_x’、I_y’、I_z’。参考步骤二，三轴电流需要满足覆盖空间8个象限，I_x’、I_y’、I_z’幅值需根据三轴线圈标定完成后得到的三轴比例系数k_xc、k_yc、k_zc来确定，以三轴矢量磁场和的幅值，即

处在待标定矢量磁传感器量程中间为宜。最后，每个象限电流组数为m(m≥2)，共计8×m组输入电流；步骤五：将步骤三中的标量磁力仪替换为待标定的矢量磁传感器，如图9所示。借助激光跟踪仪进行定位，可以保证替换后的待标定矢量磁传感器探头所处位置与步骤三中的标量磁力仪探头位置偏差控制在毫米(mm)量级。根据仿真分析，三轴线圈在其中心区域毫米量级的范围内磁场梯度小于1nT，对标定结果造成的影响可忽略不计。矢量磁传感器需要标定的误差参数有9个，分别为各轴零偏误差b_x、b_y、b_z；各轴比例系数误差k_xf、k_yf、k_zf以及三轴之间的非正交误差α_f、β_f、γ_f，如图1所示；用三台独立的高精度直流电源分别给线圈的三轴通以预先设置的电流I_x’、I_y’、I_z’，并记录每组电流对应的矢量磁传感器的三轴示数B_fx、B_fy、B_fz；每组I_x’、I_y’、I_z’与B_fx、B_fy、B_fz都在通电稳定的条件下，采集一段时间(如10s)，数据后取平均值确定；

由于步骤三中已经完成了线圈的标定，因此可以根据三轴电流I_x’、I_y’、I_z’直接计算出待标定矢量磁传感器处的磁场幅值；矢量磁传感器的三轴示数B_fx、B_fy、B_fz与三轴电流I_x’、I_y’、I_z’的关系如式(2)所示；参考式(2)，借助数据拟合算法(如最小二乘法、高斯牛顿法、L-M算法等)处理已经获取的8×m组I_x’、I_y’、I_z’与的B_fx、B_fy、B_fz值，即可求解矢量磁传感器的9个误差参数。

(k_xfcosβ_fcosγ_fB_fx+b_x)²+(k_xfcosβ_fsinγ_fB_fx+k_yfcosα_fB_fy+b_y)² (2)

+(k_xfsinβ_fB_fx+k_yfsinα_fB_fy+k_zfB_fz+b_z)²＝B²＝(k_xccosβ_ccosγ_cI_x′+B_x0)²

+(k_xccosβ_csinγ_cI_x′+k_yccosα_cI_y′+B_y0)²+(k_xcsinβ_cI_x′+k_ycsinα_cI_y′+k_zcI_z′+B_z0)²

步骤六：查阅相关设备的手册与说明，确定SQUID、标量磁力仪、直流电源、测量电流所用的精密电阻与电压表等设备的精度，并结合步骤一中磁屏蔽装置内部的磁场噪声，借助蒙特卡洛法仿真计算待标定矢量磁传感器9个误差参数的不确定度；结合步骤五中的9个误差参数值，作为矢量磁传感器最终的标定结果。

实施例3，以实施例1与实施例2中的技术方案为基础，进行进一步的优化，省去标定三轴线圈的步骤，直接进行步骤一、步骤四、步骤五；即直接将待标定矢量磁传感器放置在三轴线圈中心位置，通过给线圈三轴通以预设的多组电流值，对待标定矢量磁传感器施加多组空间均匀分布的磁场，同时记录三轴电流值与的待标定矢量磁传感器对应的示数，借助数据拟合算法处理给定三轴电流与矢量磁传感器的示数，同时求解三轴线圈9个参数以及矢量磁传感器9个参数，对共计18个参数的进行标定。

一种矢量磁传感器的简便标定方法，其步骤如下：

步骤一：借助精密测距仪器(如激光跟踪仪)的精确定位，将SQUID或已完成标定的矢量磁传感器置于磁屏蔽装置中心位置，如图7所示，检测并记录一段时间内磁屏蔽装置的内部磁场；分析记录的磁场数据，计算出磁屏蔽装置内部磁场幅值B₀与幅值的波动△B₀。以B₀±△B₀作为磁屏蔽装置中心位置磁场的标准；△B₀可以支撑后续对标定结果的不确定度分析；

步骤二：预先设置标定矢量磁传感器时的三轴电流I_x’、I_y’、I_z’，三轴电流需要满足均匀覆盖空间8个象限，I_x’、I_y’、I_z’幅值也同样需根据线圈在设计完成后三轴大致的比例系数k_x、k_y、k_z来确定，以三轴矢量磁场和的幅值，即

处在待标定矢量磁传感器量程中间为宜，每个象限电流组数为n(n≥4)，共计8×n组输入电流；

步骤三：借助激光跟踪仪的精确定位，将三轴线圈置于磁屏蔽装置中心位置，并将待标定矢量磁传感器放置在三轴线圈的中心位置，如图9所示；依次给三轴线圈通以步骤二中预先设置的8×n组电流，并记录每组电流对应的矢量磁传感器的三轴示数B_fx、B_fy、B_fz。每组I_x’、I_y’、I_z’与B_fx、B_fy、B_fz都在通电稳定的条件下，采集一段时间(如10s)数据后取平均值确定。三轴电流I_x’、I_y’、I_z’与矢量磁传感器三轴示数B_fx、B_fy、B_fz的关系如式(3)所示，式(3)中包含有三轴线圈的9个参数(位于等式右侧)，以及矢量磁传感器的9个参数(位于等式左侧)，共计18个参数；借助数据拟合算法(如最小二乘法、高斯牛顿法、L-M算法等)处理已经获取的8×n组I_x’、I_y’、I_z’与的B_fx、B_fy、B_fz值，即可求解三轴线圈与矢量磁传感器的18个误差参数；

(k_xfcosβ_fcosγ_fB_fx+b_x)²+(k_xfcosβ_fsinγ_fB_fx+k_yfcosα_fB_fy+b_y)² (3)

+(k_xfsinβ_fB_fx+k_yfsinα_fB_fy+k_zfB_fz+b_z)²＝(k_xccosβ_ccosγ_cI_x′+B_x0)²

+(k_xccosβ_csinγ_cI_x′+k_yccosα_cI_y′+B_y0)²+(k_xcsinβ_cI_x′+k_ycsinα_cI_y′+k_zcI_z′+B_z0)²

本实施例中可以一次标定三轴线圈与矢量磁传感器的全部18个参数，进一步简化标定的过程，提升标定效率；在实施过程中，待标定矢量磁传感器位置始终不动，解决了实施例1中的将标量磁力仪替换为待标定矢量磁传感器时二者探头位置不重合的问题。

实施例4，所述的三轴线圈为三组沿x、y、z三个方向布置的单轴无矩线圈构成；在实施例1与实施例2中使用的三轴线圈可以为任意一种形状与结构的均匀场线圈如图4所示，如圆形、方形、多边形等的Helmholtz线圈、Braunbek线圈、Barker线圈、Maxwell线圈、Merritt线圈等，但是实际上，磁屏蔽装置屏蔽材料与线圈产生的磁场之间会互相影响，产生耦合问题，针对这一问题，可使用无矩线圈代替均匀场线圈，无矩线圈产生的磁场与磁屏蔽装置材料的磁场耦合关系大大削弱，整体构成的标准磁源将会更加精准。

无矩线圈是一类线圈内部磁场均匀，线圈外部磁场迅速衰减的线圈结构，通过在对均匀场线圈“反向串联”一组结构相同、但尺寸略小的线圈，两组线圈内部均匀场虽然互相抵消，但由于线圈结构一致，因此不影响整体内部的均匀性；而两组线圈外部的磁场也因为互相抵消而迅速衰减。

任意一种结构如Helmholtz线圈、Braunbek线圈、Barker线圈、Maxwell线圈、Merritt线圈等以及任意形状如圆形、方形、多边形等的均匀场线圈，都可以作为设计无矩线圈的基础；如图5所示，以Helmholtz线圈为基础所设计的单轴无矩线圈，单轴无矩线圈包括两个内侧线圈与两个外侧线圈，两内侧线圈间距d₁与内侧线圈半径R₁相等，两外侧线圈间距d₂等于外侧线圈半径R₂，即d₁＝R₁，d₂＝R₂，其中，内侧线圈与外侧线圈均为Helmholtz线圈，内侧线圈电流I₁与外侧线圈电流I₂的电流方向相反，I₁与I₂分别与各自半径R₁与R₂成正比，即

考虑到均匀场线圈产生的磁场与磁屏蔽装置屏蔽层中的软磁材料存在磁场耦合关系，这种耦合关系会降低均匀场线圈产生磁场的准确性，因此，可将在上述方案中提到的“三轴线圈”替换为“三轴无矩均匀场线圈”，在磁屏蔽装置内部构成更标准的磁源，以提高磁屏蔽装置中三轴线圈产生磁场的精度。

将三个如图5所示的单轴无矩线圈，中心点重合彼此正交进行组合，就构成了如图6所示的由X轴无矩线圈301、Y轴无矩线圈302、Z轴无矩线圈303构成的三轴无矩线圈。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，这些具体实施方式都是基于本发明整体构思下的不同实现方式，而且本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种矢量磁传感器的标定方法，其步骤如下：

步骤一、将电子设备预热，借助精密测距仪器精确定位，将已完成标定的矢量磁传感器置于磁屏蔽装置的中心，用以检测磁屏蔽装置的内部磁场；

步骤二、预先设置标定三轴线圈时的三轴电流I_x、I_y、I_z：标定三轴线圈时的三轴电流I_x、I_y、I_z需要均匀分布在空间8个象限，即I_x、I_y、I_z满足(+++)、(-++)、(+-+)、(++-)、(--+)、(-+-)、(+--)、(---)，共8种组合，以保证三轴电流I_x、I_y、I_z产生的空间矢量磁场覆盖空间的所有方向；其次，I_x、I_y、I_z幅值需根据三轴线圈在设计完成后三轴大致的比例系数k_x、k_y、k_z来确定，以三轴矢量磁场和的幅值，即

处在标量磁力仪量程中间为宜；最后，每个象限电流组数为n(n≥2)，共计8×n组输入电流；

步骤三、借助精密测距仪器的精确定位，将三轴线圈置于磁屏蔽装置中心位置，并将高精度标量磁力仪放置在三轴线圈的中心，随后对三轴线圈进行标定：三轴线圈需要标定的误差参数共有9个，分别为各轴电流与实际产生磁场的比例系数k_xc、k_yc、k_zc；实际线圈三轴彼此之间的非正交角度α_c、β_c、γ_c；磁屏蔽装置中心区域磁场的三轴分量B_x0、B_y0、B_z0；用三台独立的高精度直流电源分别给线圈三轴通以预设的8×n组电流I_x、I_y、I_z，并记录每组电流对应的标量磁力仪的示数B，每组I_x、I_y、I_z与B都在通电稳定的条件下，采集数据后取平均值确定；以磁场模值为等量构建I_x、I_y、I_z与B等式关系，借助数据拟合算法处理已经获取的8×n组I_x、I_y、I_z与B的值，即可求解三轴线圈的9个参数，此时可以通过比较标定结果中的磁屏蔽装置中心位置的磁场模值

与步骤一中B₀±△B₀进行对比，如果

在B₀±△B₀的范围内，则认为三轴线圈标定结果是可信的；

步骤四、预先设置标定矢量磁传感器时的三轴电流I_x'、I_y'、I_z'；

步骤五、将步骤三中的标量磁力仪替换为待标定的矢量磁传感器，借助激光跟踪仪进行定位，可以保证替换后的待标定矢量磁传感器头所处位置与步骤三中的标量磁力仪探头位置偏差控制在毫米量级，由于步骤三中已经完成了三轴线圈的标定，因此可以根据标定矢量磁传感器时的三轴电流I_x'、I_y'、I_z'直接计算出待标定矢量磁传感器处的磁场幅值，并借助数据拟合算法求解矢量磁传感器的误差参数；

步骤六、确定以上步骤中所使用的电子设备的精度，结合步骤一中的磁屏蔽装置内部的磁场噪声，借助蒙特卡洛法仿真计算待标定矢量磁传感器的误差参数的不确定度，再结合步骤五中的误差参数，作为矢量磁传感器的最终标定结果。

2.根据权利要求1所述的一种矢量磁传感器的标定方法，其特征在于：步骤一中，所使用的电子设备使用前都需要5～10分钟的预热、借助激光跟踪仪的精确定位将SQUID置于磁屏蔽装置中心位置甚至中心区域，用于检测磁屏蔽装置的内部磁场，所述的置于磁屏蔽装置中心的已完成标定的矢量磁传感器，用于检测磁屏蔽装置的内部磁场，分析记录的磁场数据，计算出磁屏蔽装置内部磁场幅值B₀与幅值的波动△B₀，以B₀±△B₀作为磁屏蔽装置中心磁场的标准，△B₀可以支撑后续对标定结果的不确定度分析。

3.根据权利要求1所述的一种矢量磁传感器的标定方法，其特征在于：步骤四中，参考步骤二，标定矢量磁传感器时的三轴电流I_x'、I_y'、I_z'需要满足覆盖空间8个象限，I_x'、I_y'、I_z'幅值需根据三轴线圈在标定完成后得到的三轴比例系数k_xc、k_yc、k_zc来确定，以三轴矢量磁场和的幅值，即

处在待标定矢量磁传感器量程中间为宜；最后，每个象限电流组数为m(m≥2)，共计8×m组输入电流。

4.根据权利要求1所述的一种矢量磁传感器的标定方法，其特征在于：步骤五中，矢量磁传感器需要标定的误差参数有9个，分别为各轴零偏误差b_x、b_y、b_z；各轴比例系数误差k_xf、k_yf、k_zf以及三轴之间的非正交误差α_f、β_f、γ_f，用三台独立的高精度直流电源分别给线圈的三轴通以预先设置的电流I_x'、I_y'、I_z'，并记录每组电流对应的矢量磁传感器的三轴示数B_fx、B_fy、B_fz，每组I_x'、I_y'、I_z'与B_fx、B_fy、B_fz都在通电稳定的条件下，采集数据后取平均值确定；由于步骤三中已经完成了三轴线圈的标定，因此可以根据标定矢量磁传感器时的三轴电流I_x'、I_y'、I_z'直接计算出待标定矢量磁传感器处的磁场幅值，再以磁场模值为等量构建I_x'、I_y'、I_z'与B_fx、B_fy、B_fz的等式关系，并借助数据拟合算法处理已经获取的8×m组I_x'、I_y'、I_z'与B_fx、B_fy、B_fz的值，即可求解矢量磁传感器的9个误差参数。

5.根据权利要求1所述的一种矢量磁传感器的标定方法，其特征在于：步骤六中，确定以上步骤中所使用的电子设备的精度，结合步骤一中的磁屏蔽装置内部的磁场噪声，借助蒙特卡洛法仿真计算待标定矢量磁传感器9个误差参数的不确定度，结合步骤五中的9个误差参数值，作为矢量磁传感器最终的标定结果。

6.根据权利要求1-5任意一项所述的矢量磁传感器的标定方法，其特征在于：所述的三轴线圈为三轴无矩均匀场线圈，在磁屏蔽装置内部构成更标准的磁源，以提高磁屏蔽装置中三轴线圈产生磁场的精度。

7.一种矢量磁传感器的简便标定方法，其步骤如下：

步骤一、将电子设备预热，借助精密测距仪器精确定位，将已完成标定的矢量磁传感器置于磁屏蔽装置的中心，用以检测磁屏蔽装置的内部磁场；检测并记录磁屏蔽装置的内部磁场；分析记录的磁场数据，计算出磁屏蔽装置内部磁场幅值B₀与幅值的波动△B₀，以B₀±△B₀作为磁屏蔽装置中心位置磁场的标准；△B₀可以支撑后续对标定结果的不确定度分析；

步骤二、预先设置标定矢量磁传感器时的三轴电流I_x'、I_y'、I_z'，三轴电流需要满足均匀覆盖空间8个象限，I_x'、I_y'、I_z'幅值也同样需根据线圈在设计完成后三轴大致的比例系数kx、ky、kz来确定，以三轴矢量磁场和的幅值，即

处在待标定矢量磁传感器量程中间为宜，每个象限电流组数为n(n≥4)，共计8×n组输入电流；

步骤三、借助激光跟踪仪的精确定位，将三轴线圈置于磁屏蔽装置中心位置，并将待标定矢量磁传感器放置在三轴线圈的中心位置，依次给三轴线圈通以步骤二中预先设置的8×n组电流，并记录每组电流对应的矢量磁传感器的三轴示数B_fx、B_fy、B_fz；每组I_x'、I_y'、I_z'与B_fx、B_fy、B_fz都在通电稳定的条件下，采集数据后取平均值确定；以磁场模值作为等量，构建I_x'、I_y'、I_z'与B_fx、B_fy、B_fz的等式关系，借助数据拟合算法处理已经获取的8×n组I_x'、I_y'、I_z'与B_fx、B_fy、B_fz的值，即可求解三轴线圈与矢量磁传感器的18个误差参数。

8.根据权利要求7所述的一种矢量磁传感器的简便标定方法，其特征在于：所述的三轴线圈为三轴无矩均匀场线圈，在磁屏蔽装置内部构成更标准的磁源，以提高磁屏蔽装置中三轴线圈产生磁场的精度。

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