CN112014891B - 一种适用于水下筒形承压舱内的磁通门全张量测量系统及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种适用于水下筒形承压舱内的磁通门全张量测量系统及其工作方法，该系统系统安装在承压舱内的舱盖上，两个H型铝架的一端固定在舱盖上，两个H型铝架的另一端自下到上依次固定有反馈球底座和磁场反馈球；磁通门传感器包括磁通门传感器主体和磁通门传感器探头；磁通门传感器探头设置在磁场反馈球的内部，磁场反馈球用于为磁通门传感器探头提供近零磁场的工作环境；磁通门传感器探头与磁通门传感器主体的串口输入端相连接，磁通门传感器主体的串口输出端与电路板的磁场信号输入端相连接。该系统能够搭载在水下滑翔机上的承压舱内，实现系统的高度集成化，并且具有高灵活性、低功耗与易操作性。

Description

一种适用于水下筒形承压舱内的磁通门全张量测量系统及其 工作方法

技术领域

本发明涉及一种适用于水下筒形承压舱内的磁通门全张量测量系统及其工作方法，属于海洋地球物理探测领域。

背景技术

海洋电磁探测系统适用于深海油气、天然气水合物和海底多金属热液硫化物等资源的勘探，是研究海洋数千米范围内精细电性结构的重要研究手段。目前的海洋电磁探测系统，存在仪器体积大、造价昂贵、难以运输等缺点，不适合普遍的应用。

水下航行器近年来发展迅速，具备极长的续航能力，且能从水面一直潜入数千米深的海底，可以进行大范围的水文探测。此外，由于水下航行器尺寸较小，且基本没有噪声，对传统探测手段而言，它几乎是隐形的，因此，在军事测绘等领域有着不错的应用前景。将海洋电磁探测系统搭载在水下航行器上，可以极大的满足探测需求，但是目前的海洋电磁探测系统体积较大、功耗高、测量时操作复杂，并且集成程度低，但是水下航行器上的探测仪器需要满足体积小、功耗低、操作简单、集成程度高等要求，因此需要一种高度集成化的适用于水下筒形承压舱内的磁通门全张量测量系统。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供了一种适用于水下筒形承压舱内的磁通门全张量测量系统，同时还提供了上述适用于水下筒形承压舱内的磁通门全张量测量系统的工作方法。

本发明的技术方案为：

一种适用于水下筒形承压舱内的磁通门全张量测量系统，所述系统安装在承压舱内的舱盖上，该系统包括四个磁通门传感器、磁场反馈球、反馈球底座、两个H型铝架和电路板，

两个H型铝架的一端固定在所述舱盖上，两个H型铝架的另一端自下到上依次固定有反馈球底座和磁场反馈球；

所述磁通门传感器包括磁通门传感器主体和磁通门传感器探头，且所述磁通门传感器探头与磁通门传感器主体一一对应；所述磁通门传感器探头设置在所述磁场反馈球的内部，磁场反馈球用于为磁通门传感器探头提供近零磁场的工作环境；磁通门传感器主体固定在所述H型铝架上；

磁通门传感器探头与磁通门传感器主体的串口输入端相连接，磁通门传感器主体的串口输出端与电路板的磁场信号输入端相连接。

在本发明提供的磁通门全张量测量系统中，所述磁通门传感器包括磁通门传感器主体和磁通门传感器探头，磁通门传感器探头与磁通门传感器主体一一对应，磁通门传感器探头在磁场反馈球的内部，磁通门传感器主体固定在外部的H型铝架上，磁通门传感器探头与磁通门传感器主体共同负责采集磁场反馈球内部的磁场张量信号。将系统装入长度适合的承压舱内部，所以该结构能够与水下航行器相结合，进行水面或水底的磁异常测量，探测海底油气矿产资源，检测海洋气象环境等，都能提供可靠的数据支持。

根据本发明优选的，所述系统还设置有五个螺杆，所述五个螺杆自上而下依次贯穿磁场反馈球和反馈球底座，所述螺杆的两端分别设置有螺母，将磁场反馈球固定在反馈球底座上。

根据本发明优选的，所述磁场反馈球包括上半球、传感器安装座和下半球，传感器安装座设置在上半球和下半球之间，在传感器安装座的圆心处开设有第二尼龙螺杆过孔，且第二尼龙螺杆过孔为连续圆滑扩孔处理后的十字型；更加方便螺杆的贯穿与位置的微调。

在第二尼龙螺杆过孔的四周以传感器安装座的圆心为中心呈十字型设置四个传感器安装凹槽，传感器安装凹槽用于固定磁通门传感器探头，并且传感器安装凹槽的深度为磁通门传感器探头高度的一半，使得传感器中心在磁场反馈球的中央水平面上。如此设置使得传感器中心在磁场反馈球中央水平面上，提高磁通门传感器的测量精度。

根据本发明优选的，所述上半球的高度为磁场反馈球的半径与二分之一传感器安装座厚度之差，所述下半球的高度为磁场反馈球的半径与二分之一传感器安装座的厚度之差。从而使得上半球、传感器安装座和下半球夹合后，形成一个整圆而不引入额外高度。

根据本发明优选的，反馈球底座的中心开设有五个第一尼龙螺杆过孔，

第一尼龙螺杆过孔的周围环形设置有若干个凸起，所述凸起与下半球的球面相匹配；

所述凸起的外侧对称开设两个有长方形开孔；

进一步优选的，反馈球底座的圆心处开设有一个第一尼龙螺杆过孔，其他四个第一尼龙螺杆过孔环形均布在四周。

在反馈球底座开孔位置周围设计了与反馈球的球体外表面曲率一致的凸起，使放在反馈球底座上的磁场反馈球外表面与凸起曲面贴合，实现稳固水平放置；长方形开孔方便系统线路从中走线，以保证系统整体径向在磁场反馈球底座直径以内；将尼龙螺杆穿过磁场反馈球和反馈球底座并用尼龙螺母在两端固定，使反馈球底座和球体紧固结合。

根据本发明优选的，两个H型铝架平行设置，所述电路板固定在其中一个所述H型铝架的内侧，两个H型铝架的外侧分别固定有两个磁通门传感器主体。

根据本发明优选的，所述H型铝架的四个外延边的端部均设置有垂直折弯，在H型铝架上部的垂直折弯上，通过螺栓将H型铝架的上部与反馈球安装座相固定，并且H型铝架的横梁与反馈球安装座上的长方形开孔相平行；在H型铝架下部的垂直折弯上设置有螺栓，将H型铝架的下部与舱盖相固定，从而将磁通门全张量测量系统固定在承压舱内部。

根据本发明优选的，在磁场反馈球的球面上缠绕三组漆包线，三组漆包线分别与电路板形成闭合回路；一组漆包线垂直于x轴方向平行缠绕，一组漆包线垂直于y轴方向平行缠绕，一组漆包线垂直于z轴方向平行缠绕，三组漆包线形成反馈线圈，且x轴、y轴和z轴组成坐标系的原点与磁场反馈球的球心重合，传感器安装座所在面与x轴和y轴组成的平面相平行。

通过在磁场反馈球的球面上缠绕三组漆包线，在漆包线的作用下，磁场反馈球内部形成近零磁场，使四个磁通门传感器工作在近零磁场环境下，提高传感器的测量精度。

根据本发明优选的，在磁场反馈球的球面上，沿着x，y，z轴三个方向上均开设有10条互相平行的第一凹槽，三组漆包线分别沿着x轴、y轴、z轴三个方向上设置的第一凹槽进行缠绕。

根据本发明优选的，传感器安装座的圆边上开设有第二凹槽，第二凹槽与上半球、下半球圆边处的第一凹槽的尺寸相同，且位置相对应，使得当上半球、传感器安装座和下半球固定在一起后，磁场反馈球球面的第一凹槽走向一致；即组成的磁场反馈球球体直径一致以及磁场反馈球表面的凹槽顺畅；上半球上的第一凹槽和下半球上的第一凹槽在传感器安装座处过渡顺畅。

传感器安装座的圆边上还开设有半圆孔，所述半圆孔的尺寸与上半球和下半球上的出线孔的个数相同、直径相同，且位置相对应。以便磁通门传感器探头的信号输出线经过半圆孔和出线孔引出。

根据本发明优选的，上半球与下半球均为空心球结构，所述上半球的圆边上和下半球的圆边上还开设若干个出线孔；且上半球的圆边上开设的出线孔与下半球的圆边上还开设的出线孔的个数相同、直径相同，且位置相对应。

以便当上半球、传感器安装座和下半球固定安装后，磁通门传感器探头的信号输出线从出线孔引出，出线孔的孔径是根据磁场传感器的信号输出线的粗细确定的。

上述适用于水下筒形承压舱内的磁通门全张量测量系统的工作方法，包括：

(1)四个磁通门传感器通过对应的磁通门传感器主体上的串口输出端连接到电路板的四个磁场信号输入端，电路板实时采集四个磁通门传感器的数据；

(2)通过四个磁通门传感器探头进行数据采集，得到五组独立的梯度值，从而得到磁梯度张量矩阵所需的九个变量的值。

根据本发明优选的，步骤(2)中，在单个轴向上放置的两个对称位置的磁通门传感器探头，分别测量x轴、y轴、z轴三个方向上的磁感应强度分量的大小，通过中心差分的方法近似表示方向导数，用于表示三个磁感应强度分量在当前轴向上的变化率；

磁通门传感器探头P₀和磁通门传感器探头P₁位于x轴，且关于原点对称设置，两者之间的间距为Δx，磁通门传感器探头P₂和磁通门传感器探头P₃位于y轴，且关于原点对称设置，两者之间的间距为Δy，Δx＝Δy，得出5个独立的磁场张量矩阵内的梯度值

如式(I)至式(V)所示：

式(I)中，Δx为磁通门传感器探头P₀和磁通门传感器探头P₁之间的距离，

是位于P₀位置处的磁通门传感器探头测量到的在x轴方向上的磁感应强度分量值；

是位于P₁位置处的磁通门传感器探头测量到的在x轴方向上的磁感应强度分量值；

式(II)中，

是磁通门传感器探头P₁测量到的在y轴方向上的磁感应强度分量值；

是磁通门传感器探头P₀测量到的在y轴方向上的磁感应强度分量值；

式(III)中，

是磁通门传感器探头P₁测量到的在z轴方向上的磁感应强度分量值；

是磁通门传感器探头P₀测量到的在z轴方向上的磁感应强度分量值；

式(IV)中，Δy为磁通门传感器探头P₂和磁通门传感器探头P₃之间的距离，

是磁通门传感器探头P₃测量到的在y轴方向上的磁感应强度分量值；

是磁通门传感器探头P₂测量到的在y轴方向上的磁感应强度分量值；

式(V)中，

是磁通门传感器探头P₃测量到的在z轴方向上的磁感应强度分量值；

是位置处的磁通门传感器探头P₂测量到的在z轴方向上的磁感应强度分量值；

将5个独立的磁场张量矩阵内的梯度值带入张量运算中，求取磁场张量矩阵T，磁场张量矩阵T是磁场向量的三个分量在三个相互正交的方向上的空间变化率，磁场B是一个向量场，磁场张量矩阵T如式(VI)所示：

式(VI)的推导过程如下：

磁场张量矩阵T为两个矩阵相乘的形式：

T为磁场张量，

和

分别为对x、y和z方向求导，B_x、B_y和B_z分别为x、y和z方向的磁感应强度。

由于磁异常源没有传导电流，磁感应强度的旋度为零，得到磁梯度张量是对称的，则：

又因为恒定磁场为无源场，则磁场磁感应强度的散度为零，则：

B为磁感应强度，

为磁感应强度的散度；

所以，在磁梯度张量矩阵中的九个元素，只有五个元素是独立的，因此在进行磁梯度张量的测量时，需要特定的测量磁场的装置，对五个独立的梯度值进行测量；

将5个梯度值代入到张量中，可以得出待测空间磁梯度张量，表示如下：

本发明的有益效果为：

1.该发明将磁通门全张量测量系统集成到可搭载在水下滑翔机上的承压舱内，极大的缩小了系统的体积，实现系统的高度集成化。

2.该系统工作时，可依附滑翔机实现在水下的多位置、大区域探测，而且仅需对低功耗的磁通门传感器和电路板供电即可，不需要人为的操作，磁通门传感器将采集到的数据实时存储到电路板的存储卡中，实现系统的高灵活性、低功耗与易操作性。

3.本发明提供的磁通门全张量测量系统中，磁场反馈球凹槽内所缠绕的线圈产生反馈磁场的均匀性进行软件仿真模拟，磁场反馈球内部轴线上的磁感应强度分布显示：在1％均匀度要求下，轴向上磁感应强度变化范围为86mm，满足磁场反馈球轴线上中心距离为80mm的两个磁通门传感器的测量要求；在保证精度的前提下，实现系统体积的减小。

附图说明

图1为本发明实施例1提供的一种适用于水下筒形承压舱内的磁通门全张量测量系统的整体装配图；

图2为本发明实施例1提供的磁场反馈球内部的结构示意图；

图3为本发明实施例1提供的磁场反馈球表面第一凹槽的分布示意图；

图4为本发明实施例1提供的传感器安装座的示意图

图5为本发明实施例1提供的反馈球安装座的示意图；

图6为本发明实施例1提供的H型铝架的示意图。

图7为本发明中四个磁通门传感器探头的位置示意图；

图8为本发明中磁场反馈球内轴线上的磁感应强度分布示意图。

1、上半球，2、下半球，3、传感器安装座，4、磁通门传感器探头，5、磁通门传感器主体，6、反馈球底座，7、尼龙螺杆，8、尼龙螺母，9、尼龙螺丝，10、传感器安装凹槽，11、第一凹槽，12、出线孔，13、H型铝架，14、电路板，15、槽口，16、承压舱，17、舱盖，18、第二尼龙螺杆过孔，19、第一尼龙螺杆过孔，20、凸起，21、长方形开孔，22、垂直折弯，23、第一安装孔，24、第二安装孔，25、第二凹槽，26、半圆孔。

具体实施方式

下面结合实施例和说明书附图对本发明做进一步说明，但不限于此。

实施例1

一种适用于水下筒形承压舱内的磁通门全张量测量系统，如图1-2所示，系统安装在承压舱16内的舱盖17上，该系统包括四个磁通门传感器、磁场反馈球、反馈球底座6、两个H型铝架13和电路板14，

两个H型铝架13的一端固定在舱盖17上，两个H型铝架13的另一端自下到上依次固定有反馈球底座6和磁场反馈球；

磁通门传感器包括磁通门传感器主体5和磁通门传感器探头4，且磁通门传感器探头4与磁通门传感器主体5一一对应；磁通门传感器探头4设置在磁场反馈球的内部，磁通门传感器主体5固定在H型铝架13上；磁场反馈球用于为磁通门传感器探头4提供近零磁场的工作环境；

磁通门传感器探头4与磁通门传感器主体5的串口输入端相连接，磁通门传感器主体5的串口输出端与电路板14的磁场信号输入端相连接。

在本发明提供的磁通门全张量测量系统中，磁通门传感器包括磁通门传感器主体5和磁通门传感器探头4，磁通门传感器探头4与磁通门传感器主体5一一对应，传感器探头在磁场反馈球的内部，磁通门传感器主体5固定在外部的H型铝架13上，传感器探头与磁通门传感器主体5共同负责采集磁场反馈球内部的磁场张量信号。将系统装入长度适合的承压舱16内部，所以该结构能够与水下航行器相结合，进行水面或水底的磁异常测量，探测海底油气矿产资源，检测海洋气象环境等，都能提供可靠的数据支持。

磁场反馈球包括上半球1、传感器安装座3和下半球2；传感器安装座3设置在上半球1和下半球2之间，四个磁通门传感器探头4呈圆周均匀分布在传感器安装座3上；

在磁场反馈球的球面上缠绕三组漆包线，三组漆包线分别与电路板14形成闭合回路；一组漆包线垂直于x轴方向平行缠绕，一组漆包线垂直于y轴方向平行缠绕，一组漆包线垂直于z轴方向平行缠绕，三组漆包线形成反馈线圈，且x轴、y轴和z轴组成坐标系的原点与磁场反馈球的球心重合，传感器安装座3所在面与x轴和y轴组成的平面相平行。

通过在磁场反馈球的球面上缠绕三组漆包线，在漆包线的作用下，磁场反馈球内部形成近零磁场，使四个磁通门传感器工作在近零磁场环境下，提高传感器的测量精度。

如图3所示，在磁场反馈球的球面上，沿着x，y，z轴三个方向上均开设有10条互相平行的第一凹槽11，三组漆包线分别沿着x轴、y轴、z轴三个方向上设置的第一凹槽11进行缠绕。

上半球1与下半球2均为空心球结构，上半球1的圆边上和下半球2的圆边上还开设若干个出线孔12；且上半球1的圆边上开设的出线孔12与下半球2的圆边上还开设的出线孔12的个数相同、直径相同，且位置相对应。

以便当上半球1、传感器安装座3和下半球2固定安装后，传感器探头的信号输出线从出线孔12引出，出线孔12的孔径是根据磁场传感器的信号输出线的粗细确定的。

上半球1的高度为磁场反馈球的半径与二分之一传感器安装座3厚度之差，下半球2的高度为磁场反馈球的半径与二分之一传感器安装座3的厚度之差。从而使得上半球1、传感器安装座3和下半球2夹合后，形成一个整圆而不引入额外高度。

如图4所示，传感器安装座3的圆边上开设有第二凹槽25，第二凹槽25与上半球1、下半球2圆边处的第一凹槽11的尺寸相同，且位置相对应，使得当上半球1、传感器安装座3和下半球2固定在一起后，磁场反馈球球面的凹槽走向一致；即组成的磁场反馈球球体直径一致以及磁场反馈球表面的凹槽顺畅；上半球1上的第一凹槽11和下半球2上的第一凹槽11在传感器安装座3处过渡顺畅。

传感器安装座3的圆边上还开设有半圆孔26，半圆孔26的尺寸与上半球1和下半球2上的出线孔12的个数相同、直径相同，且位置相对应。以便传感器探头的信号输出线经过半圆孔26和出线孔12引出。

系统还设置有五个尼龙螺杆7，五个尼龙螺杆7自上而下依次贯穿磁场反馈球和反馈球底座6，螺杆的两端分别设置有螺母，将磁场反馈球固定在反馈球底座6上。

如图4所示，在传感器安装座3的圆心处开设有第二尼龙螺杆过孔18，且第二尼龙螺杆过孔18为连续圆滑扩孔处理后的十字型；更加方便螺杆的贯穿与位置的微调。

在第二尼龙螺杆过孔18的四周以传感器安装座3的圆心为中心呈十字型设置四个传感器安装凹槽10，传感器安装凹槽10用于固定磁通门传感器探头4，并且传感器凹槽深度为传感器探头高度的一半，使得磁通门传感器探头4的中心在磁场反馈球的中央水平面上，磁通门传感器探头4通过尼龙螺丝9固定在传感器安装凹槽10中。如此设置使得磁通门传感器探头4中心在磁场反馈球中央水平面上，提高磁通门传感器的测量精度。

如图5所示，反馈球底座6的中心开设有五个第一尼龙螺杆过孔19，

第一尼龙螺杆过孔19的周围环形设置有若干个凸起20，凸起20与下半球2的球面相匹配；

凸起20的外侧对称开设两个有长方形开孔21；

本实施例中，反馈球底座6的圆心处开设有一个第一尼龙螺杆过孔19，其他四个第一尼龙螺杆过孔19环形均布在四周。

在反馈球底座6开孔位置周围设计了与反馈球的球体外表面曲率一致的凸起20，使放在反馈球底座6上的磁场反馈球外表面与凸起20曲面贴合，实现稳固水平放置；长方形开孔21方便系统线路从中走线，以保证系统整体径向在磁场反馈球底座6直径以内；将尼龙螺杆7穿过磁场反馈球和反馈球底座6并用尼龙螺母8在两端固定，使反馈球底座6和球体紧固结合。

凸起20的外侧还设置有四个第一安装孔23，四个第一安装孔23呈矩形分布；

如图6所示，两个H型铝架13平行设置，电路板14固定在其中一个H型铝架13的内侧，两个H型铝架13的外侧分别固定有两个磁通门传感器主体5。

H型铝架13的四个外延边的端部均设置有垂直折弯22，在H型铝架13上部的垂直折弯22上，通过螺栓将H型铝架13的上部与反馈球安装座相固定，并且H型铝架13的横梁与反馈球安装座上的长方形开孔21相平行；在H型铝架13下部的垂直折弯22上设置有第二安装孔24，通过螺栓将第二安装孔24和第一安装孔23固定在一起，将H型铝架13的下部与舱盖17相固定，从而将磁通门全张量测量系统固定在承压舱16内部。并且H型铝架13上部的槽口15与反馈球底座6上的长方形开孔21相对应，方便线路通过。

实施例2

实施例1提供的一种适用于水下筒形承压舱内的磁通门全张量测量系统的工作方法，包括：

(1)四个磁通门传感器通过对应的磁通门传感器主体5上的串口输出端连接到电路板14的四个磁场信号输入端，电路板14实时采集四个磁通门传感器的数据；

(2)电路板14将其中一个磁通门传感器的数据进行运算处理，转化为三个反馈信号，三个反馈信号从电路板14的三个反馈电流输出端输出，连接到缠绕在磁场反馈球上漆包线的三组反馈电流输入端；在反馈线圈的作用下，磁场反馈球内部形成近零磁场，使四个磁通门传感器工作在近零磁场环境下；

(3)在测量磁场梯度时，通过四个磁通门传感器探头4进行数据采集，得到五组独立的梯度值，从而得到磁梯度张量矩阵所需的九个变量的值。

步骤(3)中，在单个轴向上放置的两个对称位置的磁通门传感器探头4，分别测量x轴、y轴、z轴三个方向上的磁感应强度分量的大小，通过中心差分的方法近似表示方向导数，用于表示三个磁感应强度分量在当前轴向上的变化率；

磁通门传感器探头4是三轴的，它可以测量三个方向上的磁感应强度分量，磁通门传感器主体5和串口输出端都是三路分量信号同时处理，串口输出端输出的是模拟信号，需要经过电路板14的数据采集部分转化为数字信号并输出。

如图7所示，磁通门传感器探头4P₀和磁通门传感器探头4P₁位于x轴，且关于原点对称设置，两者之间的间距为Δx，磁通门传感器探头4P₂和磁通门传感器探头4P₃位于y轴，且关于原点对称设置，两者之间的间距为Δy，Δx＝Δy，得出5个独立的磁场张量矩阵内的梯度值

如式(I)至式(V)所示：

式(I)中，Δx为磁通门传感器探头4P₀和磁通门传感器探头4P₁之间的距离，

是位于P₀位置处的磁通门传感器探头4测量到的在x轴方向上的磁感应强度分量值；

是位于P₁位置处的磁通门传感器探头4测量到的在x轴方向上的磁感应强度分量值；

式(II)中，

是磁通门传感器探头4P₁测量到的在y轴方向上的磁感应强度分量值；

是磁通门传感器探头4P₀测量到的在y轴方向上的磁感应强度分量值；

式(III)中，

是磁通门传感器探头4P₁测量到的在z轴方向上的磁感应强度分量值；

是磁通门传感器探头4P₀测量到的在z轴方向上的磁感应强度分量值；

式(IV)中，Δy为磁通门传感器探头4P₂和磁通门传感器探头4P₃之间的距离，

是磁通门传感器探头4P₃测量到的在y轴方向上的磁感应强度分量值；

是磁通门传感器探头4P₂测量到的在y轴方向上的磁感应强度分量值；

式(V)中，

是磁通门传感器探头4P₃测量到的在z轴方向上的磁感应强度分量值；

是位置处的磁通门传感器探头4P₂测量到的在z轴方向上的磁感应强度分量值；

将5个独立的磁场张量矩阵内的梯度值带入张量运算中，求取磁场张量矩阵T，磁场张量矩阵T是磁场向量的三个分量在三个相互正交的方向上的空间变化率，磁场B是一个向量场，磁场张量矩阵T如式(VI)所示：

式(VI)的推导过程如下：

磁场张量矩阵T为两个矩阵相乘的形式：

T为磁场张量，

和

分别为对x、y和z方向求导，B_x、B_y和B_z分别为x、y和z方向的磁感应强度。

由于磁异常源没有传导电流，磁感应强度的旋度为零，得到磁梯度张量是对称的，则：

又因为恒定磁场为无源场，则磁场磁感应强度的散度为零，则：

B为磁感应强度，

为磁感应强度的散度；

所以，在磁梯度张量矩阵中的九个元素，只有五个元素是独立的，因此在进行磁梯度张量的测量时，需要特定的测量磁场的装置，对五个独立的梯度值进行测量；

将5个梯度值代入到张量中，可以得出待测空间磁梯度张量，表示如下：

在磁场反馈球球表面的反馈线圈通入反馈电流后，在球内部会产生磁场，对本发明提供的磁场反馈球凹槽内所缠绕的线圈产生反馈磁场的均匀性进行软件仿真模拟，得出磁场反馈球内部轴线上的磁感应强度分布如图8所示，图8中为沿同一组磁通门传感器所在轴线上的磁感应强度的分布，横坐标为0处对应磁场反馈球的圆心处，圆心处的磁感应强度为105.53μT，图中虚线是轴线从球心延伸到两侧球面上，即长度为球直径时轴线上磁感应强度分布，可以看出，虚线中心部分有磁场较为均匀的区域，而虚线两侧磁场会快速减小。

为了减小磁场非均匀性带来的测量误差，计算得出在图中黑色直线截止的中心区域，磁场均匀度为1％，即该范围内磁感应场强度的变化量在中心点磁感应强度的1％以内。并且1％均匀度的线长度为86mm，对应图8中的横坐标为(-43mm，43mm)，而所设计的一组磁通门传感器探头4之间的中心距离为80mm，因此磁通门传感器恰好包括在1％磁场均匀度的范围内，证明了所设计的反馈线圈能够产生足够大的均匀磁场区域，使四个磁通门传感器处于1％磁场区域，使梯度测量误差尽量减小。在保证精度的前提下，实现系统体积的减小。

Claims (10)

1.一种适用于水下筒形承压舱内的磁通门全张量测量系统，其特征在于，所述系统安装在承压舱内的舱盖上，该系统包括四个磁通门传感器、磁场反馈球、反馈球底座、两个H型铝架和电路板，

两个H型铝架的一端固定在所述舱盖上，两个H型铝架的另一端自下到上依次固定有反馈球底座和磁场反馈球；

所述磁通门传感器包括磁通门传感器主体和磁通门传感器探头，且所述磁通门传感器探头与磁通门传感器主体一一对应；所述磁通门传感器探头设置在所述磁场反馈球的内部，磁场反馈球用于为磁通门传感器探头提供近零磁场的工作环境；磁通门传感器主体固定在所述H型铝架上；

磁通门传感器探头与磁通门传感器主体的串口输入端相连接，磁通门传感器主体的串口输出端与电路板的磁场信号输入端相连接；

所述系统还设置有五个尼龙螺杆，所述五个尼龙螺杆自上而下依次贯穿磁场反馈球和反馈球底座，所述尼龙螺杆的两端分别设置有螺母，将磁场反馈球固定在反馈球底座上。

2.根据权利要求1所述的一种适用于水下筒形承压舱内的磁通门全张量测量系统，其特征在于，所述磁场反馈球包括上半球、传感器安装座和下半球，传感器安装座设置在上半球和下半球之间，在传感器安装座的圆心处开设有第二尼龙螺杆过孔，且第二尼龙螺杆过孔为连续圆滑扩孔处理后的十字型；

在第二尼龙螺杆过孔的四周以传感器安装座的圆心为中心呈十字型设置四个传感器安装凹槽，传感器安装凹槽用于固定磁通门传感器探头，并且传感器安装凹槽的深度为磁通门传感器探头高度的一半，使得传感器中心在磁场反馈球的中央水平面上。

3.根据权利要求2所述的一种适用于水下筒形承压舱内的磁通门全张量测量系统，其特征在于，所述上半球的高度为磁场反馈球的半径与二分之一传感器安装座厚度之差，所述下半球的高度为磁场反馈球的半径与二分之一传感器安装座的厚度之差。

4.根据权利要求1所述的一种适用于水下筒形承压舱内的磁通门全张量测量系统，其特征在于，反馈球底座的中心开设有五个第一尼龙螺杆过孔，

第一尼龙螺杆过孔的周围环形设置有若干个凸起，所述凸起与下半球的球面相匹配；

所述凸起的外侧对称开设两个有长方形开孔。

5.根据权利要求4所述的一种适用于水下筒形承压舱内的磁通门全张量测量系统，其特征在于，反馈球底座的圆心处开设有一个第一尼龙螺杆过孔，其他四个第一尼龙螺杆过孔环形均布在四周。

6.根据权利要求1所述的一种适用于水下筒形承压舱内的磁通门全张量测量系统，其特征在于，两个H型铝架平行设置，所述电路板固定在其中一个所述H型铝架的内侧，两个H型铝架的外侧分别固定有两个磁通门传感器主体。

7.根据权利要求6所述的一种适用于水下筒形承压舱内的磁通门全张量测量系统，其特征在于，所述H型铝架的四个外延边的端部均设置有垂直折弯，在H型铝架上部的垂直折弯上，通过螺栓将H型铝架的上部与反馈球安装座相固定，并且H型铝架的横梁与反馈球安装座上的长方形开孔相平行；在H型铝架下部的垂直折弯上设置有螺栓，将H型铝架的下部与舱盖相固定，从而将磁通门全张量测量系统固定在承压舱内部。

8.根据权利要求2所述的一种适用于水下筒形承压舱内的磁通门全张量测量系统，其特征在于，在磁场反馈球的球面上缠绕三组漆包线，三组漆包线分别与电路板形成闭合回路；一组漆包线垂直于x轴方向平行缠绕，一组漆包线垂直于y轴方向平行缠绕，一组漆包线垂直于z轴方向平行缠绕，三组漆包线形成反馈线圈，且x轴、y轴和z轴组成坐标系的原点与磁场反馈球的球心重合，传感器安装座所在面与x轴和y轴组成的平面相平行。

9.如权利要求2-8任一项所述的适用于水下筒形承压舱内的磁通门全张量测量系统的工作方法，其特征在于，包括：

(1)四个磁通门传感器通过对应的磁通门传感器主体上的串口输出端连接到电路板的四个磁场信号输入端，电路板实时采集四个磁通门传感器的数据；

(2)通过四个磁通门传感器探头进行数据采集，得到五组独立的梯度值，从而得到磁梯度张量矩阵所需的九个变量的值。

10.根据权利要求9所述的适用于水下筒形承压舱内的磁通门全张量测量系统的工作方法，其特征在于，步骤(2)中，在单个轴向上放置的两个对称位置的磁通门传感器探头，分别测量x轴、y轴、z轴三个方向上的磁感应强度分量的大小，通过中心差分的方法近似表示方向导数，用于表示三个磁感应强度分量在当前轴向上的变化率；

磁通门传感器探头P₀和磁通门传感器探头P₁位于x轴，且关于原点对称设置，两者之间的间距为Δx，磁通门传感器探头P₂和磁通门传感器探头P₃位于y轴，且关于原点对称设置，两者之间的间距为Δy，Δx＝Δy，得出5个独立的磁场张量矩阵内的梯度值

如式(Ⅰ)至式(Ⅴ)所示：

式(Ⅰ)中，Δx为磁通门传感器探头P₀和磁通门传感器探头P₁之间的距离，

是位于P₀位置处的磁通门传感器探头测量到的在x轴方向上的磁感应强度分量值；

是位于P₁位置处的磁通门传感器探头测量到的在x轴方向上的磁感应强度分量值；

式(Ⅱ)中，

是磁通门传感器探头P₁测量到的在y轴方向上的磁感应强度分量值；

是磁通门传感器探头P₀测量到的在y轴方向上的磁感应强度分量值；

式(Ⅲ)中，

是磁通门传感器探头P₁测量到的在z轴方向上的磁感应强度分量值；

是磁通门传感器探头P₀测量到的在z轴方向上的磁感应强度分量值；

式(Ⅳ)中，Δy为磁通门传感器探头P₂和磁通门传感器探头P₃之间的距离,

是磁通门传感器探头P₃测量到的在y轴方向上的磁感应强度分量值；

是磁通门传感器探头P₂测量到的在y轴方向上的磁感应强度分量值；

式(Ⅴ)中，

是磁通门传感器探头P₃测量到的在z轴方向上的磁感应强度分量值；

是位置处的磁通门传感器探头P₂测量到的在z轴方向上的磁感应强度分量值；

将5个独立的磁场张量矩阵内的梯度值带入张量运算中，求取磁场张量矩阵T，磁场张量矩阵T如式(Ⅵ)所示：

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