CN113466757A - 一种基于惯性测量装置的自动磁补偿系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于惯性测量装置的自动磁补偿系统，包括数据采集系统、信号发生器、电流放大器、光电探测器、光弹调制器、锁相放大器和XYZ三轴补偿线圈。光电探测器输出的光信号依次经过电流放大器、光弹调制器、锁相放大器后输入数据采集系统。数据采集系统对输入的信号进行计算和分析，并控制信号发生器输出补偿线圈所需的电压进行磁补偿，使各轴的幅值差在允许误差范围内；其中，XYZ三轴的补偿按照Z、Y、X的顺序。本发明采用自动测量和控制技术，大幅缩短磁补偿的时间，三轴磁补偿时间可缩短90％以上。相较于手动测量和补偿技术，本发明自动补偿技术较大程度上减小了手动测量和补偿带来的主观误差，进一步提升了补偿的精度。
Description
技术领域
本发明属于自动控制领域，尤其涉及一种基于惯性测量装置的自动磁补偿系统。
背景技术
超高灵敏的惯性测量装置以高质量原子无自旋交换弛豫(SERF，Spin-Exchange-Relaxation-Free)为前提，但是来自于地磁场等外界磁场的干扰会影响原子自旋SERF状态的质量，因此需要对外界磁场进行屏蔽和补偿。目前主要采取的方法是磁屏蔽筒和手动磁补偿的方法，但是由于磁屏蔽材料本身的缺陷和手动补偿的误差，只能将磁场补偿到亚nT量级，而且无法对变化的干扰磁场进行修正，所以采用这种方式补偿磁场的SERF惯性测量装置难以实现高质量的SERF状态。
发明内容
本发明的目的在于针对现有的手动磁补偿方法存在的抗干扰能力差、补偿精度低等问题，提供一种基于惯性测量装置的自动磁补偿系统。本发明利用数据采集系统和对信号发生器的控制来实现自动的磁补偿。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种基于惯性测量装置的自动磁补偿系统，包括数据采集系统、信号发生器、电流放大器、光电探测器、光弹调制器、锁相放大器和XYZ三轴补偿线圈等。
光电探测器输出的光信号依次经过电流放大器、光弹调制器、锁相放大器后输入数据采集系统。数据采集系统对输入的信号进行计算和分析，并控制信号发生器输出补偿线圈所需的电压进行磁补偿，使各轴的幅值差在允许误差范围内；其中，XYZ三轴的补偿按照Z、Y、X的顺序。
进一步地，对X、Y或Z的单轴的补偿，包括以下步骤：
(1)信号发生器产生一个方波激励信号：对Z轴补偿时，在Y轴输入方波，偏置电压为Vy；对Y轴补偿时，在Z轴输入方波，偏置电压为Vz；对X轴补偿时，在Z轴输入方波，偏置电压为Vz+0.1V；其中，Vy、Vz为最近一次对Y、Z轴补偿的电压，因此第一次对Z轴补偿时，方波的偏置电压为0。
(2)数据采集系统先后对输入信号进行两次连续的相同时长的平均采样，记为P1、P2；将P1和P2的采样值进行做差得到幅值差。
若幅值差小于当前轴的允许误差范围，则进行下一个轴的磁补偿。
若幅值差不小于当前轴的允许误差范围，则将幅值差输入PID控制器得到当前轴磁补偿所需的电压，数据采集系统控制信号发生器向对应轴的补偿线圈输入电压信号，并执行步骤(3)。
(3)在最近一次的采样点P2后，继续先后对输入信号进行两次连续的相同时长的平均采样，得到新的P1、P2。
(4)循环执行步骤(2)～(3)，直到当前轴的幅值差在允许误差范围内，则进行下一个轴的磁补偿。
进一步地，步骤(1)中，方波激励信号的的幅值为100～300mVpp，频率为5～150mHz。
进一步地，步骤(1)中，方波激励信号的的幅值为200mVpp，频率为80～100mHz。
进一步地，步骤(2)中，初始时，数据采集系统检测到方波激励信号的第一个下降沿并等待9/20个激励信号周期后，开始对输入信号进行采样。
进一步地，采用三台信号发生器，分别对X、Y、Z三轴磁场进行自动磁补偿。
本发明的有益效果是：
1、本发明采用自动测量和控制技术，大幅缩短磁补偿的时间，三轴磁补偿时间可缩短90％以上。
2、相较于手动测量和补偿技术，本发明自动补偿技术较大程度上减小了手动测量和补偿带来的主观误差，进一步提升了补偿的精度。
附图说明
图1为本发明控制系统及验证装置示意图；
图2为本发明自动补偿方法的流程图；
图3为X轴不同阶段的系统响应图；其中，(a)为某个补偿阶段，X轴的幅值差为-11.875mv；(b)为(a)之后的某个补偿阶段，X轴的幅值差为-5mv；(c)为完成X轴磁补偿后，X轴的幅值差小于0.5mv；方波为信号发生器施加的激励信号，另外一条不规则曲线为验证装置在对应方波激励信号下的响应曲线，横向的Y1和Y2两条刻度线的间距为示意幅值差；
图中，信号发生器1、数据采集系统2、锁相放大器3、光弹调制器4、电流放大器5、三轴补偿线圈6。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施方法进一步说明本发明。
如图1所示，本发明一种基于惯性测量装置的自动磁补偿系统，在现有惯性测量装置基础上搭建：包括数据采集系统2、信号输出系统、剩磁检测模块和三轴补偿线圈6。数据采集系统2包括模拟输出板卡、模拟输入板卡和处理器。信号输出系统包括信号发生器1和相关同轴线缆。剩磁检测模块包括电流放大器5、光电探测器、光弹调制器4和锁相放大器3。
本发明自动磁补偿系统依托的惯性装置剩磁测量原理如下：依托惯性装置包含一碱金属气室，碱金属气室中的碱金属原子为钾、铷、铯其中的一种，由激光器产生一束激光用于对磁场的检测，激光器产生圆偏振光用于对碱金属原子的抽运，光电探测器探测到该激光束得到包含磁场信息的光电流信号输出。光信号经过电流放大器5放大，再利用光弹调制器4对光信号进行调制，最后再将调制后的信号接入锁相放大器3解调出最终信号，并将最终的信号接入数据采集系统2。数据采集系统2对输入的信号进行计算和分析，并控制信号发生器1输出补偿线圈所需的电压(通过电阻转换为电流)；控制程序经过三次循环计算输出的Vz、Vy和Vx就是对惯性验证装置磁场在Z，Y和X三轴的直流补偿电压。其中，本发明自动磁补偿系统通过连接三台信号发生器1，每台分别对X、Y、Z三轴磁场进行自动磁补偿。
如图2所示，本发明一种基于惯性测量装置的自动磁补偿方法，包括以下步骤：
(1)初始化数据采集系统2，设置数据系统采样频率为200Sa/s，每通道采样数为1，采集并记录光电探测器的输出信号。
(2)将三轴循环补偿次数M设置为三次，循环数N用于计步初始为0，设置Z轴和Y轴的补偿精度(允许误差范围)为0.5mv，设置X轴的三次补偿精度(允许误差范围)分别为2mv、1mv和0.5mv。
(3)开始第一次Z轴补偿，控制信号发生器1在Y轴输入一个幅值为200mVpp，频率为100mHz，偏置电压Bs为Vy(第一次循环初始值为0)的方波激励信号。
(4)数据采集系统2检测到方波激励信号的第一个下降沿后，等待9/20个激励信号周期(4.5s)，对此时光电探测器的输出信号进行平均采样，记为P1。
(5)对采样点数进行计数，等待半个信号周期后(5s/1000个采样点)，对此时光电探测器的输出信号进行平均采样，记为P2。
(6)将P1和P2的采样值进行做差得到误差信号err。
若P2-P1的值(幅值差Sy/Sz/Sx)小于当前轴误差范围(步骤(2)的设置：Z轴和Y轴的误差范围为0.5mv，X轴三次误差范围分别为2mv、1mv和0.5mv)，则转至下一个轴的磁补偿(顺序为Z-Y-X)，执行步骤(9)。
若P2-P1的值不小于当前轴误差范围，则将误差信号err输入至PID控制器，PID通过计算将输出控制信号Vz/Vy/Vx，数据采集系统2通过控制对应的信号发生器1，往对应轴的补偿线圈输入电压信号Vz/Vy/Vx，并执行步骤(7)。
(7)继续对光电探测器输出信号进行采集，在前一次的采集点P2后，等待半个信号周期后(5s/1000个采样点)，对此时光电探测器的输出信号进行平均采样，记为新的P1值，等待半个信号周期后，平均采样得到新的P2值。
(8)循环执行步骤(6)～(7)，直到幅值差在误差范围内。
(9)开始第一次Y轴补偿，控制信号发生器1在Z轴输入一个幅值为200mVpp，频率为100mHz，偏置电压为Vz的方波激励信号。
(10)根据步骤(4)～(8)，完成第一次Y轴磁补偿后，转至X轴磁补偿，执行步骤(11)。
(11)开始第一次X轴补偿，控制信号发生器1在Z轴输入一个幅值为200mVpp，频率为100mHz，偏置电压为Vz+0.1V的方波激励信号，设置第一次X轴的补偿精度为2mv。其中，需要注意的是步骤(3)、(9)、(11)中的方波激励信号的偏置电压值为上一次循环中Vy和Vz的最新值。
(12)根据步骤(4)～(8)，完成第一次X轴磁补偿后，判断是否N+1＞M-1＝2：如否则N加1，并进入第二次Z轴磁补偿，且修改X轴第二次补偿精度(允许误差)为1mv；如是则结束循环。
(13)判断是否N+1＞M-1＝2后，再次执行步骤(3)～(12)，完成第二次X、Y、Z三轴的磁补偿。将第三次的X轴的补偿精度改为0.5mv。
(14)判断是否N+1＞M-1＝2后，再次执行步骤(3)～(12)，完成第三次X、Y、Z三轴的磁补偿，输出X、Y、Z三轴最终直流补偿电压Vz/Vy/Vx至对应轴的补偿线圈。
具体地，本发明实施例包括以下步骤：
(1)初始化数据采集系统2，设置数据系统采样频率为200Sa/s，每通道采样数为1，采集并记录光电探测器的输出信号。
(2)将设置三轴循环补偿次数M设置为三次，循环数N用于计步初始为0，设置Z和Y轴补偿精度(允许误差范围)为0.5mv，设置X轴三次补偿精度(允许误差范围)分别为2mv，1mv和0.5mv。
(3)开始第一次Z轴补偿，控制信号发生器1在Y轴输入一个幅值为200mVpp，频率为100mHz，偏置电压Bs为Vy(第一次循环初始值为0)的方波激励信号。
(4)数据采集系统2检测到方波激励信号的第一个下降沿后，等待9/20个激励信号周期(4.5s)，对此时光电探测器的输出信号进行平均采样，记为P1。
(5)对采样点数进行计数，等待半个信号周期后(5s/1000个采样点)，对此时光电探测器的输出信号进行平均采样，记为P2。
(6)将P1和P2的采样值进行做差得到误差信号err。若P2-P1的值小于Z轴的误差范围，则转至Y轴的磁补偿。若不是则将误差信号err输入至PID控制器，PID通过计算将输出控制信号Vz，数据采集系统2通过控制对应的信号发生器1，往Z轴的补偿线圈输入电压信号Vz，并执行步骤(7)。
(7)继续对光电探测器输出信号进行采集，在前一次的采集点P2后，等待半个信号周期后(5s/1000个采样点)，对此时光电探测器的输出信号进行平均采样，记为新的P1值，等待半个信号周期后，平均采样得到新的P2值。
(8)循环执行步骤(6)～(7)，直到幅值差Sy在误差范围内。
(9)开始第一次Y轴补偿，控制信号发生器1在Z轴输入一个幅值为200mVpp，频率为100mHz的方波激励信号，偏置电压为Vz。
(10)执行步骤(4)～(5)。
(11)将P1和P2的采样值进行做差得到误差信号err，若P2-P1的值小于Y轴的误差范围，则转至X轴的磁补偿。若不是则将误差信号err输入至PID控制器，PID通过计算将输出控制信号Vy，数据采集系统2通过控制对应的信号发生器1，往Y轴的补偿线圈输入电压信号Vy，并执行步骤(12)。
(12)继续对光电探测器输出信号进行采集，在前一次的采集点P2后，等待半个信号周期后(5s/1000个采样点)，对此时光电探测器的输出信号进行平均采样，记为新的P1值，继续等待半个信号周期后，平均采样得到新的P2值。
(13)循环执行步骤(11)～(12)，直到幅值差Sz在误差范围内。
(14)开始第一次X轴补偿，控制信号发生器1在Z轴输入一个幅值为200mVpp，频率为100mHz，偏置电压为Vz+0.1V的方波激励信号，设置第一次X轴的补偿精度为2mv。
(15)执行步骤(4)～(5)。
(16)将P1和P2的采样值进行做差得到误差信号err，若P2-P1的值小于X轴的误差范围，则转至下一次Z轴的磁补偿。若不是则将误差信号err输入至PID控制器，PID通过计算将输出控制信号Vx，数据采集系统2通过控制对应的信号发生器1，往X轴的补偿线圈输入电压信号Vx，并执行步骤(17)。
(17)继续对光电探测器输出信号进行采集，在前一次的采集点P2后，等待半个信号周期后(5s/1000个采样点)，对此时光电探测器的输出信号进行平均采样，记为新的P1值，等待半个信号周期后，平均采样得到新的P2值。
(18)循环执行步骤(16)～(17)，直到幅值差Sx在误差范围内。
(19)当第一次X轴完成磁补偿后，判断是否N+1＞M-1＝2：如否则N加1，并进入第二次Z轴磁补偿，保持Z和Y轴的补偿精度不变，同时修改X轴第二次补偿精度(允许误差)为1mv；如是则结束循环。其中，需要注意的是步骤(3)、(9)、(14)中的方波激励信号的偏置电压值为上一次循环中Vy和Vz的最新值。
(20)判断是否N+1＞M-1＝2后，再次执行步骤(3)～(19)，完成第二次三轴磁补偿。保持Z和Y轴的补偿精度不变，将第三次的X轴的补偿精度改为0.5mv。
(21)判断是否N+1＞M-1＝2后，再次执行步骤(3)～(19)，完成第三次三轴磁补偿。信号发生器1输出三轴最终直流补偿电压Vz/Vy/Vx至对应轴的补偿线圈，且不再输出方波激励至三轴。如图3所示，X轴幅值差经过补偿后可小于0.5mv。
本发明说明书中未详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。
Claims (6)
1.一种基于惯性测量装置的自动磁补偿系统，其特征在于，包括数据采集系统、信号发生器、电流放大器、光电探测器、光弹调制器、锁相放大器和XYZ三轴补偿线圈等。
光电探测器输出的光信号依次经过电流放大器、光弹调制器、锁相放大器后输入数据采集系统。数据采集系统对输入的信号进行计算和分析，并控制信号发生器输出补偿线圈所需的电压进行磁补偿，使各轴的幅值差在允许误差范围内；其中，XYZ三轴的补偿按照Z、Y、X的顺序。
2.如权利要求1所述基于惯性测量装置的自动磁补偿系统，其特征在于，对X、Y或Z的单轴的补偿，包括以下步骤：
(1)信号发生器产生一个方波激励信号：对Z轴补偿时，在Y轴输入方波，偏置电压为Vy；对Y轴补偿时，在Z轴输入方波，偏置电压为Vz；对X轴补偿时，在Z轴输入方波，偏置电压为Vz+0.1V；其中，Vy、Vz为最近一次对Y、Z轴补偿的电压，因此第一次对Z轴补偿时，方波的偏置电压为0。
(2)数据采集系统先后对输入信号进行两次连续的相同时长的平均采样，记为P1、P2；将P1和P2的采样值进行做差得到幅值差。
若幅值差小于当前轴的允许误差范围，则进行下一个轴的磁补偿。
若幅值差不小于当前轴的允许误差范围，则将幅值差输入PID控制器得到当前轴磁补偿所需的电压，数据采集系统控制信号发生器向对应轴的补偿线圈输入电压信号，并执行步骤(3)。
(3)在最近一次的采样点P2后，继续先后对输入信号进行两次连续的相同时长的平均采样，得到新的P1、P2。
(4)循环执行步骤(2)～(3)，直到当前轴的幅值差在允许误差范围内，则进行下一个轴的磁补偿。
3.如权利要求2所述基于惯性测量装置的自动磁补偿系统，其特征在于，步骤(1)中，方波激励信号的的幅值为100～300mVpp，频率为5～150mHz。
4.如权利要求3所述基于惯性测量装置的自动磁补偿系统，其特征在于，步骤(1)中，方波激励信号的的幅值为200mVpp，频率为80～100mHz。
5.如权利要求2所述基于惯性测量装置的自动磁补偿系统，其特征在于，步骤(2)中，初始时，数据采集系统检测到方波激励信号的第一个下降沿并等待9/20个激励信号周期后，开始对输入信号进行采样。
6.如权利要求2所述基于惯性测量装置的自动磁补偿系统，其特征在于，采用三台信号发生器，分别对X、Y、Z三轴磁场进行自动磁补偿。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20211001 |
|
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |