CN111624531A - 一种用于tmr三轴集成磁传感器的分量解算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于TMR三轴集成磁传感器的分量解算方法，本发明包括建立磁传感器的磁场三分量解耦校正模型；标定磁传感器坐标系得到x、y、z三轴方向；在磁传感器坐标系的基础上，标定磁传感器的敏感体安装角度偏差，得到任意一路敏感体的安装角度偏差θ_i；标定磁传感器的变轨系数，得到任意一路敏感体的变轨系数γ_i；标定传感器的初始磁场，得到磁传感器任意一路敏感体的初始磁场；标定磁传感器线圈系数，得到磁传感器任意一路敏感体的补偿线圈自身励磁系数L_ii和任意两路不同敏感体的补偿线圈之间耦合系数L_ij；将标定好的参数代入磁场三分量解耦校正模型求解磁场三分量。本发明可实现高精度和高正交度的传感器三分量解算。

Description

一种用于TMR三轴集成磁传感器的分量解算方法

技术领域

本发明涉及弱磁场传感技术领域，具体涉及一种用于TMR三轴集成磁传感器的分量解算方法。

背景技术

弱磁场传感技术广泛应用于磁性目标探测、地磁导航、磁存储、地质勘探、生物医学等军事和国民经济领域。随着军、民用磁信息获取的应用需求提升，发展具有高分辨率、高灵敏度、高正交性的三轴磁传感器具有重要意义。

TMR(穿隧磁阻效应)三轴集成传感器综合采用了“磁变轨”(磁变轨结构可见于公开号为CN 103116144 A的中文专利文献)、磁场实时补偿(补偿线圈结构可见于公开号为CN103323794 A的中文专利文献)、磁通调制(磁通调制结构可见于公开号为CN 110286338 A)等技术，抑制了磁滞、非线性及1/f噪声的影响，并且具有一体化程度及三轴正交性高的特点，具有成为小型化高性能三轴磁传感器的巨大优势(所涉及的三轴集成传感器整体结构可见于公开号为CN 103323795 A、CN 103116143 A的中国专利文献)。然而，TMR三轴集成传感器的高度集成对解算方式提出了较高的要求，但由于经典的三轴磁源线圈受技术工艺的限制，其正交度在0.1°左右，从而使得解算精度偏低，无法适应现代智能传感对更高精度和灵敏度的解算要求。因此，如何针对上述TMR三轴集成磁传感器提出一种新的分量解算方法以适应现代智能传感对更高精度和灵敏度的解算要求已成为一项亟待解决的关键技术问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题：针对现有技术的上述问题，提供一种用于TMR三轴集成磁传感器的分量解算方法，本发明提出了一种基于单轴磁源和三轴无磁转台的新型解耦解算方式，可实现高精度和高正交度的传感器三分量解算。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种用于TMR三轴集成磁传感器的分量解算方法，该方法的步骤包括：

1)建立磁传感器的磁场三分量解耦校正模型；

2)标定磁传感器坐标系得到x、y、z三轴方向；

3)在磁传感器坐标系的基础上，标定磁传感器的敏感体安装角度偏差，得到任意一路敏感体的安装角度偏差θ_i，其中i为磁传感器的通道序号，i的取值范围为1～4；标定磁传感器的变轨系数，得到任意一路敏感体的变轨系数γ_i；标定传感器的初始磁场，得到磁传感器任意一路敏感体的初始磁场V_0i/(S_iα_i)；标定磁传感器线圈系数，得到磁传感器任意一路敏感体的补偿线圈自身励磁系数L_ii和任意两路不同敏感体的补偿线圈之间耦合系数L_ij；

4)将标定好的参数代入磁场三分量解耦校正模型求解磁场三分量。

可选地，步骤1)的详细步骤包括：分别建立磁场解耦数学模型、磁传感器误差校正模型，将磁场解耦数学模型、磁传感器误差校正模型两者叠加得到磁传感器的磁场三分量解耦校正模型。

可选地，所述磁场解耦数学模型的函数表达式如下式所示：

上式中，通式β_k、ζ_k、η_k分别为实际磁场坐标系和磁传感器坐标系之间的映射系数，k取值范围为1～3；通式θ_i表示第i路敏感体的安装角度偏差，通式V_0i/(S_iα_i)表示第i路敏感体的初始磁场，其中V_0i为第i路的初始电压大小，S_i为第i路的交流灵敏度，α_i为第i路的调制效率，BX、BY、BZ分别为需要解算求解的实际磁场三分量，通式I_i表示第i路敏感体的补偿线圈电流；通式L_ii表示第i路敏感体的补偿线圈自身的励磁系数；通式L_ij表示第i,j路两路不同敏感体的补偿线圈之间的互耦系数；通式γ_i表示第i路敏感体的变轨系数，其中i为磁传感器的通道序号；

可选地，所述磁传感器误差校正模型的函数表达式如下：

上式中，BX、BY、BZ分别为待解算的实际磁场三分量，L_ijx,L_ijy,L_ijz分别表示磁传感器不同补偿线圈之间耦合对磁场三分量的影响系数；ΔL_ij/L_ij表示补偿线圈的耦合系数误差百分比，θ_ix,θ_iy,θ_iz分别表示各敏感体工艺偏差角对磁场三分量的影响系数，Δθ_i/θ_i表示各路敏感体安装角度偏差百分比，γ_ix,γ_iy,γ_iz分别为变轨系数误差对磁场三分量的影响系数；Δγ_i/γ_i表示各路变轨系数误差百分比，a₁,a₂,a₃分别为初始磁场差异对磁场三分量的影响系数；Δ(V_0i/S_iα_i)/(V_0i/S_iα_i)表示各路初始磁场误差百分比，L_iix,L_iiy,L_iiz分别为各补偿线圈自身励磁系数对磁场三分量的影响系数,ΔL_ii/L_ii表示各路线圈励磁系数误差百分比。

可选地，步骤2)的详细步骤包括：将磁传感器放置在单轴磁源形成固定方向的交流外磁场中，首先对任意选定的1号敏感体进行标定，转动三轴无磁转台外框、中框和内框的角度，观察1号敏感体输出，当1号敏感体的输出达到最大时，将此时1号敏感体所对应方向设为传感器坐标系x轴正方向；在此基础上再对相邻的2号敏感体进行标定，转动三轴无磁转台外框、中框和内框的角度，观察2号敏感体输出，当2号敏感体的输出达到最大时，将此时2号敏感体所对应方向为和传感器坐标系x轴正方向确定传感器坐标系的xoy平面，根据传感器坐标系x轴和xoy平面确定磁传感器坐标系y轴和z轴方向。

可选地，步骤3)中标定磁传感器的敏感体安装角度偏差的详细步骤包括：在标定传感器坐标系的基础上，利用单轴磁源形成固定方向的交流外磁场，利用敏感体只会对某一特定方向上的磁场发生感应的特殊敏感性质，通过三轴无磁转台实现磁传感器的各个单路敏感体的对轴，标定各个单路敏感体的空间朝向，确定四路敏感体的空间角，并根据下式计算得到四路敏感体中任意一路敏感体的安装角度偏差θ_i；

上式中，(cosθ_x1,cosθ_y1,cosθ_z1)和(cosθ_x2,cosθ_z2,cosθ_z2)分别表示两个敏感体的空间角。

可选地，步骤3)中标定磁传感器的变轨系数的详细步骤包括：利用单轴磁源形成固定方向的交流外磁场，通过转动三轴无磁转台，实现磁传感器的变轨块垂向方向与标定磁场方向一致，并保持磁传感器的姿态固定不变，标定时改变交流外磁场的磁场大小ΔB，同时记录流经四路敏感体对应的补偿线圈的电流变化，并根据下式计算得到磁传感器四路变轨系数：

上式中，γ_i表示第i路变轨系数，L_ii表示第i路敏感体对应补偿线圈的自身励磁系数，ΔI_i表示第i路敏感体对应的补偿线圈的电流变化，ΔB为标定时改变交流外磁场的磁场大小。

可选地，步骤3)中标定传感器的初始磁场时，初始磁场的计算函数表达式如下式所示：

上式中，BX、BY、BZ分别为待解算的实际磁场三分量，通式β_k、ζ_k、η_k分别为实际磁场坐标系和磁传感器坐标系之间的映射系数，k取值范围为1～3；通式θ_i表示第i路敏感体的安装角度偏差，通式V_0i/(S_iα_i)表示第i路敏感体的初始磁场，其中V_0i为第i路的初始电压大小，S_i为第i路的交流灵敏度，α_i为第i路的调制效率，通式I_i表示第i路敏感体的补偿线圈电流；通式L_ii表示第i路敏感体的补偿线圈自身的励磁系数；通式L_ij表示第i,j路两路不同敏感体的补偿线圈之间的互耦系数；通式γ_i表示第i路敏感体的变轨系数，其中i为磁传感器的通道序号。

可选地，步骤3)中标定磁传感器线圈系数的步骤包括：在直流标定磁场条件下，保持磁传感器姿态角度固定，改变标定磁场数值的同时，分别记录流经四路补偿线圈的电流数值，计算磁传感器任意一路敏感体的补偿线圈自身励磁系数L_ii和任意两路不同敏感体的补偿线圈之间耦合系数L_ij。

可选地，计算磁传感器任意一路敏感体的补偿线圈自身励磁系数L_ii的函数表达式如下式所示：

L_ii＝ΔB_i/ΔI_i

上式中，ΔB_i表示该路敏感体的磁场变化量，ΔI_i表示该路敏感体补偿线圈的电流变化量；

任意两路不同敏感体的补偿线圈之间耦合系数L_ij的函数表达式如下式所示：

上式中，通式I_in表示标定磁场改变前、后所对应的流经四路补偿线圈电流数值，n的取值范围为1～4；通式L_ii表示第i路敏感体的补偿线圈自身的励磁系数，通式L_ij表示第i、j路敏感体的补偿线圈之间的耦合系数，B₁(x)表示标定磁场改变前的数值，B₂(x)表示标定磁场改变后的数值。

和现有技术相比，本发明具有下述优点：

1、本发明通过建立磁传感器的磁场三分量解耦校正模型，标定磁传感器坐标系得到x、y、z三轴方向，在磁传感器坐标系的基础上，标定磁传感器的敏感体安装角度偏差，得到任意一路敏感体的安装角度偏差θ_i，其中i为磁传感器的通道序号；标定磁传感器的变轨系数，得到任意一路敏感体的变轨系数γ_i；标定传感器的初始磁场，得到磁传感器任意一路敏感体的初始磁场V_0i/(S_iα_i)；标定磁传感器线圈系数，得到磁传感器任意一路敏感体的补偿线圈自身励磁系数L_ii和任意两路不同敏感体的补偿线圈之间耦合系数L_ij；将标定好的参数代入磁场三分量解耦校正模型求解磁场三分量，能够基于磁场三分量解耦校正模型实现TMR三轴集成磁传感器三分量解算的解算，具有解算精度高的优点。

2、本发明的解算方法标定时采用单轴磁源和高精度的三轴无磁转台代替三轴磁源，极大提高了三轴磁场解算正交度，解决了三轴磁源一致性差的问题，能够使得本发明的解算方法的解算精度进一步提高。

附图说明

图1为本发明实施例方法的基本流程示意图。

图2为本发明实施例中TMR三轴集成磁传感器空间坐标系示意图。

图3为本发明实施例中磁传感器坐标系平面示意图。

图4为本发明实施例中标定剩磁的空间角度关系示意图。

具体实施方式

如图1所示，本实施例用于TMR三轴集成磁传感器的分量解算方法的步骤包括：

1)建立磁传感器(TMR三轴集成磁传感器)的磁场三分量解耦校正模型；

2)标定磁传感器坐标系得到x、y、z三轴方向；

3)在磁传感器坐标系的基础上，标定磁传感器的敏感体安装角度偏差，得到任意一路敏感体的安装角度偏差θ_i，其中i为磁传感器的通道序号，i的取值范围为1～4；标定磁传感器的变轨系数，得到任意一路敏感体的变轨系数γ_i；标定传感器的初始磁场，得到磁传感器任意一路敏感体的初始磁场V_0i/(S_iα_i)；标定磁传感器线圈系数，得到磁传感器任意一路敏感体的补偿线圈自身励磁系数L_ii和任意两路不同敏感体的补偿线圈之间耦合系数L_ij；

4)将标定好的参数代入磁场三分量解耦校正模型求解磁场三分量。

本实施例中针对的磁传感器(TMR三轴集成磁传感器)为现有的TMR三轴集成磁传感器，该TMR三轴集成磁传感器的结构可见于公开号为CN103323795 A、CN103116143 A的中文专利文献。本实施例中，步骤1)的详细步骤包括：分别建立磁场解耦数学模型、磁传感器误差校正模型，将磁场解耦数学模型、磁传感器误差校正模型两者叠加得到磁传感器的磁场三分量解耦校正模型；

所述磁场解耦数学模型的函数表达式如下式所示：

上式中，通式β_k、ζ_k、η_k分别为实际磁场坐标系和磁传感器坐标系之间的映射系数，k取值范围为1～3；通式θ_i表示第i路敏感体的安装角度偏差，通式V_0i/(S_iα_i)表示第i路敏感体的初始磁场，其中V_0i为第i路的初始电压大小，S_i为第i路的交流灵敏度，α_i为第i路的调制效率，BX、BY、BZ分别为需要解算求解的实际磁场三分量，通式I_i表示第i路敏感体的补偿线圈电流；通式L_ii表示第i路敏感体的补偿线圈自身的励磁系数；通式L_ij表示第i,j路两路不同敏感体的补偿线圈之间的互耦系数；通式γ_i表示第i路敏感体的变轨系数，其中i为磁传感器的通道序号；

所述磁传感器误差校正模型的函数表达式如下：

上式中，BX、BY、BZ分别为待解算的实际磁场三分量，L_ijx,L_ijy,L_ijz分别表示磁传感器不同补偿线圈之间耦合对磁场三分量的影响系数；ΔL_ij/L_ij表示补偿线圈的耦合系数误差百分比，θ_ix,θ_iy,θ_iz分别表示各敏感体工艺偏差角对磁场三分量的影响系数，Δθ_i/θ_i表示各路敏感体安装角度偏差百分比，γ_ix,γ_iy,γ_iz分别为变轨系数误差对磁场三分量的影响系数；Δγ_i/γ_i表示各路变轨系数误差百分比，a₁,a₂,a₃分别为初始磁场差异对磁场三分量的影响系数；Δ(V_0i/S_iα_i)/(V_0i/S_iα_i)表示各路初始磁场误差百分比，L_iix,L_iiy,L_iiz分别为各补偿线圈自身励磁系数对磁场三分量的影响系数,ΔL_ii/L_ii表示各路线圈励磁系数误差百分比。

将式(1)所示的磁场解耦数学模型、式(2)所示的磁传感器误差校正模型两者叠加得到磁传感器的磁场三分量解耦校正模型后，磁传感器的磁场三分量解耦校正模型的函数表达式如下式所示：

上式中，所有参数的表示方法和含义与式(1)所示的磁场解耦数学模型、式(2)所示的磁传感器误差校正模型中的参数表示方法和含义相同。

本实施例中，步骤2)的详细步骤包括：将磁传感器放置在单轴磁源形成固定方向的交流外磁场中，首先对任意选定的1号敏感体(磁传感器包含4个敏感体，图3中标号为1～4，其中1即为1号敏感体)进行标定，转动三轴无磁转台外框、中框和内框的角度，观察1号敏感体输出，当1号敏感体的输出达到最大时，将此时1号敏感体所对应方向设为传感器坐标系x轴正方向；在此基础上再对相邻的2号敏感体进行标定，转动三轴无磁转台外框、中框和内框的角度，观察2号敏感体输出，当2号敏感体的输出达到最大时，将此时2号敏感体所对应方向为和传感器坐标系x轴正方向确定传感器坐标系的xoy平面，根据传感器坐标系x轴和xoy平面确定磁传感器坐标系y轴和z轴方向。

本实施例中，磁传感器坐标系标定的操作步骤如下：1、控制磁源线圈产生10000nT交流外磁场，保持交流磁场不变，将样品传感器放置在三轴无磁转台上并进行1号敏感体的数据测量；2、多次旋转三轴无磁转台角度，观察敏感体的输出；3、找到输出最大时相应的敏感体敏感方向，即传感器坐标系x正方向，记录此时三轴无磁转台外框、中框和内框的三个示值；4、改变被测对象为相邻的2号敏感体，重复步骤1-3，得到传感器坐标系xoy平面；5、由x轴和xoy平面确定y轴和z轴方向。

实际磁场坐标系和磁传感器坐标系之间存在的映射关系如下：

B(x)＝β₁BX+ξ₁BY+η₁BZ

B(y)＝β₂BX+ξ₂BY+η₂BZ

B(z)＝β₃BX+ξ₃BY+η₃BZ

上式中B(x)、B(y)、B(z)指的是步骤2)标定得到的磁传感器坐标系，如图2和图3所示；BX、BY、BZ指的是已知的实际磁场坐标系。在标定磁传感器坐标系之后，实际磁场坐标系和磁传感器坐标系之间的映射系数β_k、ζ_k、η_k可由磁传感器坐标系绕实际磁场坐标系X、Y、Z轴的欧拉角φ、χ、ψ以及旋转矩阵R(φ,χ,ψ)计算得到。

实际磁场坐标系和磁传感器坐标系之间的映射系数β_k、ζ_k、η_k构成的用于实现实际磁场坐标系和TMR三轴集成磁传感器坐标系之间的映射的旋转矩阵可表示为：

上式中，φ、χ、ψ分别为磁传感器坐标系绕实际磁场坐标系X、Y、Z轴的欧拉角。

本实施例中，步骤3)中标定磁传感器的敏感体安装角度偏差的详细步骤包括：在标定传感器坐标系的基础上，利用单轴磁源形成固定方向的交流外磁场，利用敏感体只会对某一特定方向上的磁场发生感应的特殊敏感性质，通过三轴无磁转台实现磁传感器的各个单路敏感体的对轴，标定各个单路敏感体的空间朝向，确定四路敏感体的空间角，并根据下式计算得到四路敏感体中任意一路敏感体的安装角度偏差θ_i；

上式中，(cosθ_x1,cosθ_y1,cosθ_z1)和(cosθ_x2,cosθ_z2,cosθ_z2)分别表示两个敏感体的空间角。

标定敏感体安装角度偏差时利用敏感体只会对某一特定方向上的磁场发生感应的特殊敏感性质，在标定磁场条件下，通过高精度三轴无磁手动转台实现磁传感器敏感体的对轴，标定敏感体的空间朝向，确定四路敏感体的具体空间角，计算得到敏感体安装角度偏差数值。所涉及的空间坐标系示意图见附图4。标定原理如下：

设定空间坐标系XYZ内有一磁源，其方向向量为

如图4所示。设

分别与空间坐标系X轴、Y轴、Z轴之间的夹角为θ_x、θ_y，θ_z则该向量可表示为：(cosθ_x,cosθ_y,cosθ_z)。

由空间角公式以及最小角定理：

cosθ_x＝cosα·cosβ

化简可得α和β的计算公式：

即对空间坐标系内任意单位向量，已知空间角度数值，可确定相应平面角α、β。对每一路磁敏感体进行对轴，即可确定四路敏感体的敏感方向。之后，根据对轴数据可求解两敏感体敏感方向的夹角。设空间坐标系内有两个敏感体敏感方向向量n₁(cosθ_x1,cosθ_z1,cosθ_z1)、n₂(cosθ_x2,cosθ_z2,cosθ_z2)，根据余弦定理可求其向量夹角θ：

所求向量夹角θ即为相邻两敏感体之间的工艺偏角(安装角度偏差)。

标定时，将磁传感器样品放置在交流外磁场中，对其中四路敏感体分别标定对轴，通过转动三轴无磁转台外框、中框和内框的角度，改变磁传感器姿态，待标定敏感体输出，当输出达到最大时，此时敏感体所对应方向即为磁场磁源方向，分别记录各自对应空间坐标系角度数据，敏感体安装角度偏差标定的操作步骤如下：1、在标定传感器坐标系的基础上，控制磁源线圈产生10000nT交流外磁场，保持交流磁场不变，将样品传感器放置在三轴无磁转台上并分别进行每一路敏感体的数据测量；2、分别多次旋转转台三个姿态轴，观察敏感体对应输出；3、分别找到每一个敏感体输出最大时所对应的方向，即传感器每一路敏感体都完成对轴，记录此时三轴无磁转台外框、中框和内框的三个示值；4、将上述记录的转台角度与传感器坐标系对比，分别求解4路敏感体的角度偏差θ_i。

本实施例中，步骤3)中标定磁传感器的变轨系数的详细步骤包括：利用单轴磁源形成固定方向的交流外磁场，通过转动三轴无磁转台，实现磁传感器的变轨块垂向方向与标定磁场方向一致，并保持磁传感器的姿态固定不变，标定时改变交流外磁场的磁场大小ΔB，同时记录流经四路敏感体对应的补偿线圈的电流变化，并根据下式计算得到磁传感器四路变轨系数：

上式中，γ_i表示第i路变轨系数，L_ii表示第i路敏感体对应补偿线圈的自身励磁系数，ΔI_i表示第i路敏感体对应的补偿线圈的电流变化，ΔB为标定时改变交流外磁场的磁场大小。

标定磁传感器变轨系数时，利用高精度磁源提供固定方向的交流标定磁场，通过转动三轴无磁转台，实现磁传感器的变轨块垂向方向与标定磁场方向一致，并保持磁传感器姿态固定不变，标定时改变交流磁场大小，同时记录流经四路补偿线圈的电流变化，即可计算得到磁传感器四路变轨系数。变轨系数γ_i的定义式可表达为：

上式中，B_i表示变轨后的磁传感器平面磁场，BZ_i表示变轨块垂向磁场。当变轨块垂向磁场BZ_i发生变化时，变轨后的磁传感器平面磁场B_i也会出现变化，此时每一路补偿线圈上会产生相应的补偿电流进行磁场跟踪补偿，即：

ΔI_i·L_ii＝ΔB_i

可推导出变轨系数的标定公式：

BZ_i·γ_i＝ΔI_i·L_ii

根据推导公式，变轨系数的标定结果只与交流标定磁场有关，利用高精度磁源，并精确控制交流标定磁场变化，可提高变轨系数标定结果精度。将磁传感器样品放置在直流外磁场中，转动三轴无磁转台外框、中框和内框的角度，保持传感器坐标系z方向对准磁源方向，记录此时四路敏感体输出，随后改变磁源的输出，同时记录传感器四路输出变化，磁传感器变轨系数标定具体实验操作步骤如下：1、改变三轴无磁转台角度数值，将传感器坐标系z轴转至磁源外磁场方向对准；2、控制磁源线圈产生初始值为10000nT的外磁场；3、控制磁源线圈流经电流，外磁场间隔10000nT增加至100000nT，同时检测、记录传感器四路输出；4、重复进行实验，解算得到四路变轨系数的数值。

本实施例中，步骤3)中标定传感器的初始磁场时，初始磁场的计算函数表达式如下式所示：

上式中，BX、BY、BZ分别为待解算的实际磁场三分量，通式β_k、ζ_k、η_k分别为实际磁场坐标系和磁传感器坐标系之间的映射系数，k取值范围为1～3；通式θ_i表示第i路敏感体的安装角度偏差，通式V_0i/(S_iα_i)表示第i路敏感体的初始磁场，其中V_0i为第i路的初始电压大小，S_i为第i路的交流灵敏度，α_i为第i路的调制效率，通式I_i表示第i路敏感体的补偿线圈电流；通式L_ii表示第i路敏感体的补偿线圈自身的励磁系数；通式L_ij表示第i,j路两路不同敏感体的补偿线圈之间的互耦系数；通式γ_i表示第i路敏感体的变轨系数，其中i为磁传感器的通道序号。标定传感器初始磁场时，首先对补偿线圈进行粗标，得到包含耦合关系的线圈参数；之后在交流标定磁场条件下，改变标定磁场大小，同时读取流经补偿线圈的电流数值，计算得到敏感体初始磁场数值。将公式变形化简，得到初始磁场的标定公式。补偿线圈的轴间耦合仅为补偿线圈励磁系数的0.55％至1.07％，此时假设存在近似关系：

上式中，θ_i表示第i路敏感体的安装角度偏差，I_j表示第j路敏感体的补偿线圈电流，L_ij表示第i,j路两路不同敏感体的补偿线圈之间的互耦系数，Δ为误差。因此，事先标定出4个补偿线圈含有耦合关系的励磁系数，就可求出初始磁场的近似值。已知线圈含有耦合关系的励磁系数与外界磁场之间存在关系：I_i·L_ii＝B_i，因此改变外磁场分别观察传感器每一路输出电流数值即可计算得到磁传感器任意一路敏感体的补偿线圈自身励磁系数L_ii和任意两路不同敏感体的补偿线圈之间耦合系数L_ii＝ΔB_i/ΔI_i。磁传感器初始磁场的数值会随着磁传感器电路通、断电状态发生改变，因此该数值的标定要求电路状态稳定，磁传感器初始磁场标定操作步骤如下：1、控制磁源线圈产生100000nT直流标定磁场，分别记录四路电流输出，通过数据处理得到四路补偿线圈含有耦合的励磁系数；2、转动磁传感器样品为1号敏感体对轴方向，磁源线圈产生外磁场，外磁场按照10000nT的数值间隔由100000nT逐步减小为0，记录磁传感器样品四路输出数据；3、解算得到不同外磁场条件下的磁传感器初始磁场并进行误差处理。

本实施例中，步骤3)中标定磁传感器线圈系数的步骤包括：在直流标定磁场条件下，保持磁传感器姿态角度固定，改变标定磁场数值的同时，分别记录流经四路补偿线圈的电流数值，计算磁传感器任意一路敏感体的补偿线圈自身励磁系数L_ii和任意两路不同敏感体的补偿线圈之间耦合系数L_ij。本实施例中，计算磁传感器任意一路敏感体的补偿线圈自身励磁系数L_ii的函数表达式如下式所示：

L_ii＝ΔB_i/ΔI_i

上式中，ΔB_i表示该路敏感体的磁场变化量，ΔI_i表示该路敏感体补偿线圈的电流变化量；

任意两路不同敏感体的补偿线圈之间耦合系数L_ij的函数表达式如下式所示：

上式中，通式I_in表示表示标定磁场改变前、后所对应的流经四路补偿线圈电流数值，n的取值范围为1～4；通式L_ii表示第i路敏感体的补偿线圈自身的励磁系数，通式L_ij表示第i、j路敏感体的补偿线圈之间的耦合系数，B₁(_x)表示标定磁场改变前的数值，B₂(x)表示标定磁场改变后的数值。

在标定初始磁场V_0i/(S_iα_i)的基础上，建立线圈系数标定方程如下：

上式中，各个参数的含义与前文相同，故在此不再赘述。

以第1路补偿线圈为例，存在关系：

因此，可以推导得到：

(I₁₁-I₂₁)L₁₁+(I₁₂-I₂₂)L₁₂+(I₁₃-I₂₃)L₁₃+(I₁₄-I₂₄)L₁₄＝B₂(x)-B₁(x)

上式中，γ₁表示通道1的变轨系数,C为常数(与传感器的工作点有关)，B₁(x)表示标定磁场改变前的数值，B₂(x)表示标定磁场改变后的数值，通式I_in表示表示标定磁场改变前、后所对应的流经四路补偿线圈电流数值，n的取值范围为1～4；通式L_ii表示第i路敏感体的补偿线圈自身的励磁系数，通式L_ij表示第i、j路敏感体的补偿线圈之间的耦合系数。磁传感器线圈系数标定的操作步骤如下：1、控制磁源线圈产生最小10000nT的任意数值直流外磁场，记录外磁场数值；控制三轴无磁转台任意角度转动，记录转动角度数值及传感器四路输出数据；2、固定传感器与三轴无磁转台位置，多次重复上述步骤，并记录磁传感器四路信号输出；3、解算得到磁传感器各个补偿线圈自身励磁系数L_ii和不同补偿线圈之间耦合系数L_ij。最终，将上述测试所得的各标定数值带入解耦校正模型并结合各敏感体输出，即可求解TMR三轴集成磁传感器所测磁场三分量数值大小。

综上所述，本实施例提出了一种用于TMR三轴集成磁传感器的新型分量解算方法，涉及的TMR三轴集成磁传感器采用了“磁力线调制”、“磁变轨”和“磁场补偿”等磁场调控技术，本实施例的解算方法采用单轴磁源和高精度三轴无磁转台相结合的方式，主要包含以下步骤：利用单轴磁源和三轴无磁转台对磁传感器坐标系进行标定，确定磁传感器坐标系x轴、y轴和z轴的方向；利用单轴磁源和三轴无磁转台对磁传感器结构参数进行标定，确定敏感体工艺偏差角的大小、磁传感器初始磁场大小、磁传感器四路变轨系数、磁传感器各补偿线圈励磁系数和不同线圈之间的互耦系数；将各参数带入数学模型并结合传感器输出，即可求解磁场三分量具体大小。本实施例方法针对传统三轴磁源线圈分量解算方式受到的正交性难以提升及三轴磁源不一致性的问题，采用单轴磁源和高精度三轴无磁转台的方式，具有解算精度高的优势。

此外，本实施例还提供一种用于TMR三轴集成磁传感器的分量解算系统，包括计算机设备，该计算机设备被编程或配置以执行前述用于TMR三轴集成磁传感器的分量解算方法的步骤。

此外，本实施例还提供一种用于TMR三轴集成磁传感器的分量解算系统，包括计算机设备，该计算机设备的存储器上存储有被编程或配置以执行前述用于TMR三轴集成磁传感器的分量解算方法的计算机程序。

此外，本实施例还提供一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质中存储有被编程或配置以执行前述用于TMR三轴集成磁传感器的分量解算方法的计算机程序。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种用于TMR三轴集成磁传感器的分量解算方法，其特征在于，该方法的步骤包括：

1)建立磁传感器的磁场三分量解耦校正模型；

2)标定磁传感器坐标系得到x、y、z三轴方向；

3)在磁传感器坐标系的基础上，标定磁传感器的敏感体安装角度偏差，得到任意一路敏感体的安装角度偏差θ_i，其中i为磁传感器的通道序号，i的取值范围为1～4；标定磁传感器的变轨系数，得到任意一路敏感体的变轨系数γ_i；标定传感器的初始磁场，得到磁传感器任意一路敏感体的初始磁场V_0i/(S_iα_i)；标定磁传感器线圈系数，得到磁传感器任意一路敏感体的补偿线圈自身励磁系数L_ii和任意两路不同敏感体的补偿线圈之间耦合系数L_ij；

4)将标定好的参数代入磁场三分量解耦校正模型求解磁场三分量。

2.根据权利要求1所述的用于TMR三轴集成磁传感器的分量解算方法，其特征在于，步骤1)的详细步骤包括：分别建立磁场解耦数学模型、磁传感器误差校正模型，将磁场解耦数学模型、磁传感器误差校正模型两者叠加得到磁传感器的磁场三分量解耦校正模型。

3.根据权利要求2所述的用于TMR三轴集成磁传感器的分量解算方法，其特征在于，所述磁场解耦数学模型的函数表达式如下式所示：

上式中，通式β_k、ζ_k、η_k分别为实际磁场坐标系和磁传感器坐标系之间的映射系数，k取值范围为1～3；通式θ_i表示第i路敏感体的安装角度偏差，通式V_0i/(S_iα_i)表示第i路敏感体的初始磁场，其中V_0i为第i路的初始电压大小，S_i为第i路的交流灵敏度，α_i为第i路的调制效率，BX、BY、BZ分别为需要解算求解的实际磁场三分量，通式I_i表示第i路敏感体的补偿线圈电流；通式L_ii表示第i路敏感体的补偿线圈自身的励磁系数；通式L_ij表示第i,j路两路不同敏感体的补偿线圈之间的互耦系数；通式γ_i表示第i路敏感体的变轨系数，其中i为磁传感器的通道序号。

4.根据权利要求3所述的用于TMR三轴集成磁传感器的分量解算方法，其特征在于，所述磁传感器误差校正模型的函数表达式如下：

上式中，BX、BY、BZ分别为待解算的实际磁场三分量，L_ijx,L_ijy,L_ijz分别表示磁传感器不同补偿线圈之间耦合对磁场三分量的影响系数；ΔL_ij/L_ij表示补偿线圈的耦合系数误差百分比，θ_ix,θ_iy,θ_iz分别表示各敏感体工艺偏差角对磁场三分量的影响系数，Δθ_i/θ_i表示各路敏感体安装角度偏差百分比，γ_ix,γ_iy,γ_iz分别为变轨系数误差对磁场三分量的影响系数；Δγ_i/γ_i表示各路变轨系数误差百分比，a₁,a₂,a₃分别为初始磁场差异对磁场三分量的影响系数；Δ(V_0i/S_iα_i)/(V_0i/S_iα_i)表示各路初始磁场误差百分比，L_iix,L_iiy,L_iiz分别为各补偿线圈自身励磁系数对磁场三分量的影响系数,ΔL_ii/L_ii表示各路线圈励磁系数误差百分比。

5.根据权利要求1所述的用于TMR三轴集成磁传感器的分量解算方法，其特征在于，步骤2)的详细步骤包括：将磁传感器放置在单轴磁源形成固定方向的交流外磁场中，首先对任意选定的1号敏感体进行标定，转动三轴无磁转台外框、中框和内框的角度，观察1号敏感体输出，当1号敏感体的输出达到最大时，将此时1号敏感体所对应方向设为传感器坐标系x轴正方向；在此基础上再对相邻的2号敏感体进行标定，转动三轴无磁转台外框、中框和内框的角度，观察2号敏感体输出，当2号敏感体的输出达到最大时，将此时2号敏感体所对应方向为和传感器坐标系x轴正方向确定传感器坐标系的xoy平面，根据传感器坐标系x轴和xoy平面确定磁传感器坐标系y轴和z轴方向。

6.根据权利要求1所述的用于TMR三轴集成磁传感器的分量解算方法，其特征在于，步骤3)中标定磁传感器的敏感体安装角度偏差的详细步骤包括：在标定传感器坐标系的基础上，利用单轴磁源形成固定方向的交流外磁场，利用敏感体只会对某一特定方向上的磁场发生感应的特殊敏感性质，通过三轴无磁转台实现磁传感器的各个单路敏感体的对轴，标定各个单路敏感体的空间朝向，确定四路敏感体的空间角，并根据下式计算得到四路敏感体中任意一路敏感体的安装角度偏差θ_i；

上式中，(cosθ_x1,cosθ_y1,cosθ_z1)和(cosθ_x2,cosθ_z2,cosθ_z2)分别表示两个敏感体的空间角。

7.根据权利要求1所述的用于TMR三轴集成磁传感器的分量解算方法，其特征在于，步骤3)中标定磁传感器的变轨系数的详细步骤包括：利用单轴磁源形成固定方向的交流外磁场，通过转动三轴无磁转台，实现磁传感器的变轨块垂向方向与标定磁场方向一致，并保持磁传感器的姿态固定不变，标定时改变交流外磁场的磁场大小ΔB，同时记录流经四路敏感体对应的补偿线圈的电流变化，并根据下式计算得到磁传感器四路变轨系数：

上式中，γ_i表示第i路变轨系数，L_ii表示第i路敏感体对应补偿线圈的自身励磁系数，ΔI_i表示第i路敏感体对应的补偿线圈的电流变化，ΔB为标定时改变交流外磁场的磁场大小。

8.根据权利要求1所述的用于TMR三轴集成磁传感器的分量解算方法，其特征在于，步骤3)中标定传感器的初始磁场时，初始磁场的计算函数表达式如下式所示：

上式中，BX、BY、BZ分别为待解算的实际磁场三分量，通式β_k、ζ_k、η_k分别为实际磁场坐标系和磁传感器坐标系之间的映射系数，k取值范围为1～3；通式θ_i表示第i路敏感体的安装角度偏差，通式V_0i/(S_iα_i)表示第i路敏感体的初始磁场，其中V_0i为第i路的初始电压大小，S_i为第i路的交流灵敏度，α_i为第i路的调制效率，通式I_i表示第i路敏感体的补偿线圈电流；通式L_ii表示第i路敏感体的补偿线圈自身的励磁系数；通式L_ij表示第i,j路两路不同敏感体的补偿线圈之间的互耦系数；通式γ_i表示第i路敏感体的变轨系数，其中i为磁传感器的通道序号。

9.根据权利要求1所述的用于TMR三轴集成磁传感器的分量解算方法，其特征在于，步骤3)中标定磁传感器线圈系数的步骤包括：在直流标定磁场条件下，保持磁传感器姿态角度固定，改变标定磁场数值的同时，分别记录流经四路补偿线圈的电流数值，计算磁传感器任意一路敏感体的补偿线圈自身励磁系数L_ii和任意两路不同敏感体的补偿线圈之间耦合系数L_ij。

10.根据权利要求9所述的用于TMR三轴集成磁传感器的分量解算方法，其特征在于，计算磁传感器任意一路敏感体的补偿线圈自身励磁系数L_ii的函数表达式如下式所示：

L_ii＝ΔB_i/ΔI_i

上式中，ΔB_i表示该路敏感体的磁场变化量，ΔI_i表示该路敏感体补偿线圈的电流变化量；

任意两路不同敏感体的补偿线圈之间耦合系数L_ij的函数表达式如下式所示：

上式中，通式I_in表示标定磁场改变前、后所对应的流经四路补偿线圈电流数值，n的取值范围为1～4；通式L_ii表示第i路敏感体的补偿线圈自身的励磁系数，通式L_ij表示第i、j路敏感体的补偿线圈之间的耦合系数，B₁(x)表示标定磁场改变前的数值，B₂(x)表示标定磁场改变后的数值。

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