CN112924914B - 用于交流电磁跟踪设备中接收通道的线性度测试方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种用于交流电磁跟踪设备中接收通道的线性度测试方法，测试设备包括：交流恒压源、螺线管、数字万用表和上位机。本发明通过收集螺线管的驱动电流有效值，以及接收通道的输出幅值，构成接收通道的校准曲线，进而采用最小二乘原理获得接收通道的拟合直线，最后计算得到待测接收通道的线性度指标。本发明采用一体化形式，操作方便，测试成本低，对场地无苛刻要求，具有良好的可重复性。
Description
技术领域
本发明属于电磁跟踪技术领域，具体涉及一种用于交流电磁跟踪设备中接收通道的线性度测试方法。
背景技术
交流电磁跟踪技术常用于近距离的精密定位系统中，利用交变磁场获取目标物体的位置和空间姿态信息，从而实现五自由度或六自由度的定位和跟踪，可应用于介入手术导航和运动跟踪领域。交流电磁跟踪设备主要包含磁场源、磁传感器、传感器接口单元和信号处理单元。其中，磁场源负责生成位于目标空间的交变磁场；磁传感器和传感器接口单元则通过屏蔽电缆连接，组成了交流电磁跟踪设备的接收系统。磁传感器的典型配置为多轴正交形式的感应线圈，依托非金属方形骨架进行绕制，负责将交变磁场信号转换为差分形式的电信号。传感器接口单元则包含多路独立且结构相同的调理采集电路，与磁传感器的多轴感应线圈一对一配对使用，将来自磁传感器输出的微弱电信号转换为数字量，并提取出幅度和相位信息，为后级信号处理单元中跟踪/校准算法的实现提供输入数据。
实际使用中，磁传感器内部的每一轴感应线圈，搭配后级传感器接口单元中对应的调理采集电路，共同构成了交流电磁跟踪设备接收系统中的一个独立接收通道。该接收通道的线性度指标将直接影响跟踪设备整机的角度与位置跟踪精度。传统上，感应线圈与调理采集电路的线性度测试分开进行，各自测评通过后，即认定连接后的接收通道整体线性度指标满足要求。该种测试方法过程繁琐，耗时长，成本高。尤其针对调理采集电路进行单独测试时，需要接收来自交流恒压源设备的单端输入信号，易受到外部噪声干扰而导致线性度计算结果产生偏差，因此对试验场地的电磁环境纯净度要求较高，测试可重复性低。
发明内容
本发明需解决的技术问题是提供一种操作方便，具有良好重复性的用于交流电磁跟踪设备中接收通道的线性度测试方法。
为解决上述技术问题，本发明采取的技术方案包括以下步骤：
步骤S1、完成测试设备、待测接收通道的安装连接；
将交流恒压源的正极输出端子连接于螺线管的电流输入端子；交流恒压源的负极输出端子连接于数字万用表的电流输出低端；数字万用表的电流输入高端连接于螺线管的电流输出端子；
将通道感应线圈所属的磁传感器固定在螺线管内部的线圈均匀区域内；将通道调理采集电路所属的传感器接口单元放置在螺线管外部，同时与上位机互连；
步骤S2、给交流恒压源、数字万用表、磁传感器和传感器接口单元上电，并启动传感器接口单元与上位机之间的数据通信，设置数字万用表的测量模式为交流电流，设置交流恒压源输出点频信号，所述点频信号的频率为交流电磁跟踪设备的工作频率，所述点频信号的幅值需令待测接收通道的输出幅值达到接收满量程输出；
步骤S3、对待测接收通道的输出幅值进行持续的采集监测，直到螺线管预热完成；
步骤S4、当螺线管驱动电流稳定后，记录此时的驱动电流有效值，以及待测接收通道对应的输出幅值；
步骤S5、按照一定的步进逐渐降低恒压源的输出幅值，重复上述步骤S4收集螺线管的电流有效值、待测接收通道的输出幅值，直到数字万用表的显示精度不足，停止测试与数据采集工作；
步骤S6、将采集到的螺线管驱动电流有效值作为输入、待测接收通道的输出幅值作为输出，构成接收通道的校准曲线，采用最小二乘原理获得接收通道的拟合直线，进而计算得到待测接收通道的线性度指标。
优选地，
所述交流恒压源和数字万用表，与螺线管之间保持一米以上间距。
所述感应线圈的法线方向与螺线管的法线方向保持一致。
所述螺线管频率范围覆盖交流电磁跟踪设备的工作频段，内部磁场强度的可调范围覆盖磁传感器的检测范围，中心范围内的线圈相对均匀度优于0.1％。
所述交流恒压源频率范围覆盖交流电磁跟踪设备的工作频段，输出稳定性优于50ppm，输出阻抗小于100Ω，输出电流能力满足螺线管最大驱动电流要求。
所述数字万用表分辨率不小于七位半，电流量程覆盖螺线管最大驱动电流。
与现有技术对比，本发明的有益效果是：
本发明能够对交流电磁跟踪设备中接收通道的整体线性度指标，进行快速而准确的测量获取。相比于传统上针对感应线圈和调理采集电路采用的分开测试方式，本发明中涉及的接收通道线性度测试方法，采用一体化形式，操作方便，测试成本低，对场地无苛刻要求，具有良好的可重复性。
本发明将交流恒压源和数字万用表，与螺线管之间保持一米以上间距；感应线圈的法线方向与螺线管的法线方向保持一致，大幅度降低来自测试设备自身的电磁干扰影响，保证了测量的准确性。
附图说明
图1为本发明实施例的接收通道线性度测试设备搭建示意图；
图2为本发明实施例的用于交流电磁跟踪设备中接收通道的线性度测试流程示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。
本实施例采用的测试设备搭建环境如图1所示，用到的测试设备有：交流恒压源、螺线管、数字万用表和上位机。其中，交流恒压源输出点频形式的电压信号驱动螺线管工作，使其在内部中心区域产生均匀的交变磁场；数字万用表串接在恒压源和螺线管间的信号返回路径上，用来测量螺线管驱动电流的大小，即标定出螺线管内部的交变磁场强度；上位机通过串口接收来自传感器接口单元输出的幅度数据，用以计算待测接收通道的线性度指标。
上述测试设备的选用标准如下：
1)螺线管：频率范围覆盖交流电磁跟踪设备的工作频段，内部磁场强度的可调范围覆盖磁传感器的检测范围，中心范围内的线圈相对均匀度优于0.1％。
2)交流恒压源：频率范围覆盖交流电磁跟踪设备的工作频段，输出稳定性优于50ppm，输出阻抗小于100Ω，输出电流能力满足螺线管最大驱动电流要求。
3)数字万用表：分辨率不小于七位半，电流量程覆盖螺线管最大驱动电流。
利用上述测试设备，按照一定的步骤即可完成针对交流电磁跟踪设备中接收通道的线性度指标测试。
图2为本发明实施例的线性度测试流程示意图，包括以下步骤：
步骤S1、完成测试设备、待测接收通道的安装连接；
具体连接关系为：交流恒压源的正极输出端子，连接螺线管的电流输入端子；交流恒压源的负极输出端子，连接数字万用表的电流输出低端；数字万用表的电流输入高端，连接螺线管的电流输出端子。
此外，需确保交流恒压源和数字万用表，与螺线管之间保持一米以上间距。
将待测通道感应线圈所属的磁传感器，固定在螺线管内部的线圈均匀区域内，并令所述感应线圈的法线方向与螺线管的法线方向保持一致。然后，将待测通道调理采集电路所属的传感器接口单元放置在螺线管外部，与上位机之间通过串口互连。
步骤S2、给交流恒压源、数字万用表、磁传感器和传感器接口单元上电，并启动传感器接口单元与上位机之间的数据通信。
设置数字万用表的测量模式为交流电流，然后设置交流恒压源输出点频信号，频率为交流电磁跟踪设备的工作频率。接下来，调整交流恒压源的输出幅值，直至待测接收通道的输出幅值达到接收满量程输出时，固定恒压源的输出幅值。
步骤S3、对待测接收通道的输出幅值进行持续采集监测，时间不短于1分钟。当收集的幅值数据没有单调下降趋势时，表明螺线管已完成通电后的预热，内部交变磁场状态已经稳定，可以开展后续测试。反之，则继续监测接收通道输出的幅值数据，直到分析结果表明螺线管预热完成。
步骤S4、当螺线管驱动电流保持稳定，即数字万用表电流显示结果的第四位有效数字保持不变时，记录此时的驱动电流有效值，以及待测接收通道的输出幅值。
步骤S5、按照一定的步进逐渐降低恒压源的输出幅值，重复上述步骤S4收集螺线管的电流有效值、待测接收通道的输出幅值。直到数字万用表的显示精度不足，即第四位有效数字无法保持稳定时停止操作，完成线性度计算输入数据的生成与采集。
步骤S6、将螺线管驱动电流的有效值作为输入，待测接收通道的输出幅值作为输出，构成接收通道的校准曲线。同时，采用最小二乘原理获得接收通道的拟合直线，并计算得到校准曲线与拟合直线间的最大偏差。该偏差值与接收满量程输出时的输出幅值百分比，即为待测接收通道的线性度指标。
综上所述，本实施例中用于交流电磁跟踪设备接收通道的线性度测试方法，能够对接收通道的整体线性度指标进行快速和准确的获取。相比于传统上针对感应线圈和调理采集电路采用的分开测试方式，本发明中涉及的接收通道线性度测试方法，采用一体化形式，操作方便，测试成本低，对场地无苛刻要求，具有良好的可重复性。
上述具体实施方案仅用于解释和说明本发明的技术方案，但并不能构成对权利要求的保护范围的限定。本领域技术人员应当清楚，在本发明技术方案的基础上做任何简单的变形和替换而得到的新的技术方案，均将落入本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种用于交流电磁跟踪设备中接收通道的线性度测试方法，包括以下步骤：
步骤S1、完成测试设备、待测接收通道的安装连接；
将交流恒压源的正极输出端子连接于螺线管的电流输入端子；交流恒压源的负极输出端子连接于数字万用表的电流输出低端；数字万用表的电流输入高端连接于螺线管的电流输出端子；
将通道感应线圈所属的磁传感器固定在螺线管内部的线圈均匀区域内；将通道调理采集电路所属的传感器接口单元放置在螺线管外部，同时与上位机互连；
步骤S2、给交流恒压源、数字万用表、磁传感器和传感器接口单元上电，并启动传感器接口单元与上位机之间的数据通信，设置数字万用表的测量模式为交流电流，设置交流恒压源输出点频信号，所述点频信号的频率为交流电磁跟踪设备的工作频率，所述点频信号的幅值需令待测接收通道的输出幅值达到接收满量程输出；
步骤S3、对待测接收通道的输出幅值进行持续的采集监测，直到螺线管预热完成；
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步骤S5、按照一定的步进逐渐降低恒压源的输出幅值，重复上述步骤S4收集螺线管的电流有效值、待测接收通道的输出幅值，直到数字万用表的显示精度不足，停止测试与数据采集工作；
步骤S6、将采集到的螺线管驱动电流有效值作为输入、待测接收通道的输出幅值作为输出，构成接收通道的校准曲线，采用最小二乘原理获得接收通道的拟合直线，进而计算得到待测接收通道的线性度指标。
2.如权利要求1所述的一种用于交流电磁跟踪设备中接收通道的线性度测试方法，其特征在于，所述交流恒压源和数字万用表，与螺线管之间保持一米以上间距。
3.如权利要求1所述的一种用于交流电磁跟踪设备中接收通道的线性度测试方法，其特征在于，步骤S1中，所述感应线圈的法线方向与螺线管的法线方向保持一致。
4.如权利要求1所述的一种用于交流电磁跟踪设备中接收通道的线性度测试方法，其特征在于，所述螺线管频率范围覆盖交流电磁跟踪设备的工作频段，内部磁场强度的可调范围覆盖磁传感器的检测范围，中心范围内的线圈相对均匀度优于0.1％。
5.如权利要求1所述的一种用于交流电磁跟踪设备中接收通道的线性度测试方法，其特征在于，所述交流恒压源频率范围覆盖交流电磁跟踪设备的工作频段，输出稳定性优于50ppm，输出阻抗小于100Ω，输出电流能力满足螺线管最大驱动电流要求。
6.如权利要求1所述的一种用于交流电磁跟踪设备中接收通道的线性度测试方法，其特征在于，所述数字万用表分辨率不小于七位半，电流量程覆盖螺线管最大驱动电流。
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