CN202815202U - 基于九个三轴矢量磁传感器的磁性目标磁矩测量装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于九个三轴矢量磁传感器的磁性目标磁矩测量装置，该装置主要由九个三轴矢量磁传感器组成测量阵列来测量磁性目标的三轴磁矩，同时还包括数据采集模块，数据处理模块，在需要的情况下还存在磁矩显示模块。利用九个矢量磁传感器组成磁测量阵列测量磁性目标周围某点处的磁感应强度，然后通过数据采集模块对27路磁信号进行数据采集，然后将采集到的数据送入数据处理与分析模块进行磁矩解算，从而得出磁性目标的三轴磁矩。采用该装置进行磁性目标的磁矩测量，能够进行单点实时测量，测量精度高且可以达到较高的测量精度。

Description

基于九个三轴矢量磁传感器的磁性目标磁矩测量装置

技术领域

本实用新型涉及一种高精度的磁性目标磁矩测量装置，具体涉及一种基于九个三轴矢量磁传感器的磁性目标磁矩测量装置，属于磁测量领域。

背景技术

磁性目标的磁矩是一个重要物理量，广泛应用于各种理论推导和实际工程中，例如通过推导磁性体的磁矩可以进行磁性目标体的反演、通过磁矩可以对舰船磁场进行外推从而进行舰船消磁或者舰船磁隐身，而在磁探测定位应用领域磁矩这一物理量更是显得尤为重要。

目前还没有一种能够实时测量磁性目标磁矩的方法。现有的磁性目标磁矩测量方法都是一种事后处理分析方法，并且精度不高，其中最常用的就是根据所建立的复杂的磁性目标磁场模型推导出相应的磁矩求解方程组，然后再根据所测量的大量的磁场数据进行反演，这一过程，涉及到求解非线性方程组，常见的求解方法有神经网络法，逐次回归法，遗传算法搜索求解，POWELL法，遗传算法和单纯形法联合求解等。

上述这种传统的目标磁矩确定方法的存在数据量大，计算复杂，求解结果不稳定，实时性差，测量误差大等缺点。

发明内容

有鉴于此，本实用新型提出一种基于九个三轴矢量磁传感器的磁性目标磁矩测量装置，该装置利用由九个三轴矢量磁传感器组成磁梯度张量测量阵列来测量磁性目标的磁矩，能够进行单点实时测量，测量精度高。

该测量装置包括磁梯度张量测量阵列、数据采集模块和数据处理模块。

所述磁梯度张量测量阵列由九个三轴矢量磁传感器组成，布置磁梯度张量测量阵列时，位于探测点处的三轴矢量磁传感器为基准传感器，其它三轴矢量磁传感器分布在基准传感器周围，为参考传感器。设基准传感器的三个敏感轴方向分别为x向、y向和z向，建立坐标系xyz。布置磁梯度张量测量阵列时：在其中任意两个方向各布置四个参考传感器；当在某个方向上布置参考传感器时，保证该方向上正向和负向的参考传感器对称布置；每个方向上任意两相邻三轴矢量磁传感器之间的距离均相等；所有三轴矢量磁传感器对应的三个敏感轴均相互平行。

所述数据采集模块同时对九个三轴矢量磁传感器的27路磁信号进行数据采集。

所述数据处理模块与数据采集模块相连，数据采集模块将采集到的数据发送给数据处理模块，数据处理模块依据接收到的数据进行磁矩解算，从而得出磁性目标的三轴磁矩。

为了直观的显示测量结果，该装置进一步包括磁矩显示模块，用于显示数据处理模块输出的三轴磁矩。

有益效果

该装置利用由九个三分量矢量磁传感器组成测量阵列进行磁性目标的磁矩测量，能够进行单点实时测量，测量精度高，且计算过程简单。

附图说明

图1为该装置的原理框图；

图2为九个三轴矢量磁传感器组成的磁测阵列的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本实用新型进行详细描述。

本实施例提供一种基于九个三轴矢量磁传感器的磁性目标磁矩测量装置，该装置利用九个三轴矢量磁传感器组成的磁梯度张量测量阵列来测量磁性目标的磁矩。

本实施例提供的测量装置包括磁梯度张量测量阵列、数据采集模块、数据处理模块和磁矩显示模块，其原理如图1所示。

其中磁梯度张量测量阵列的布置方式如图2所示，设九个三轴矢量磁传感器的编号分别为1号～9号。将布置在探测点处的1号三轴矢量磁传感器作为基准传感器，其它三轴矢量磁传感器作为参考传感器。设基准传感器的三个敏感轴方向分别为x向、y向和z向，建立坐标系xyz，所有三轴矢量磁传感器对应的三个敏感轴均相互平行。八个参考传感器中2号和6号三轴矢量磁传感器分别布置在x向的正向，4号和8号三轴矢量磁传感器分别布置在x向的负向，3号和7号三轴矢量磁传感器分别布置在y向的正向，5号和9号三轴矢量磁传感器分别布置在y向的负向；同一方向上任意两相邻三轴矢量磁传感器之间的距离均为d。

数据采集模块同时对九个三轴矢量磁传感器的27路磁信号进行数据采集，九个三轴矢量磁传感器输出的数据分别为：(B_1x，B_1y，B_1z)，(B_2x，B_2y，B_2z)、(B_3x，B_3y，B_3z)、(B_4x，B_4y，B_4z)、(B_5x，B_5y，B_5z)(B_6x，B_6y，B_6z)(B_7x，B_7y，B_7z)(B_8x，B_8y，B_8z)(B_9x，B_9y，B_9z)其中B_ab表示第a个三轴矢量磁传感器测得的在b方向上的磁感应强度，（a=1、2、3、4、5、7、8、9,b=x、y、z）；其中磁性目标在探测点处的磁感应强度B即为基准传感器输出的磁信号：(B_1y，B_1y，B_1z)

数据处理模块与数据采集模块相连，数据采集模块将采集到的数据发送给数据处理模块，数据处理模块依据接收到的数据进行磁矩解算，从而得出磁性目标在当前坐标系下的三轴磁矩。

数据处理模块的解算过程为：

（1）计算磁性目标在探测点处的磁梯度张量G

磁场是矢量场，在磁性目标周围存在磁场，磁场的二阶张量称为磁梯度张量，记为G。磁梯度张量G的表达式为：

$G=\left[\begin{array}{ccc}\frac{{\∂B}_x}{\∂x}& \frac{\∂B_x}{\∂y}& \frac{\∂B_x}{\∂z}\\ \frac{\∂B_y}{\∂x}& \frac{{\∂B}_y}{\∂y}& \frac{\∂B_y}{\∂z}\\ \frac{\∂B_z}{\∂x}& \frac{\∂B_z}{\∂y}& \frac{\∂B_z}{\∂z}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}{B}_{\mathrm{xx}}& B_{\mathrm{yy}}& B_{\mathrm{xz}}\\ B_{\mathrm{yx}}& B_{\mathrm{yy}}& B_{\mathrm{yz}}\\ B_{\mathrm{zx}}& B_{\mathrm{zy}}& B_{\mathrm{zz}}\end{array}\right]---\left(1\right)$

其中B_ij表示i方向上的磁感应强度在j方向上的导数（i=x、y、z,j=x、y、z）。

通过电磁场理论，磁性物体所产生的磁场为无源无旋场，因此，磁梯度张量G的矩阵具有对称性，即当i≠j时，B_ij＝B_ji，且有B_zz-B_xx+B_yy＝0

则有：

$\left\{\begin{array}{c}{B}_{\mathrm{xy}}=B_{\mathrm{yx}}\\ B_{\mathrm{xz}}=B_{\mathrm{zx}}\\ B_{\mathrm{yz}}=B_{\mathrm{zx}}\\ B_{\mathrm{zz}}=-B_{\mathrm{xx}}-B_{\mathrm{yy}}\end{array}\right.$

利用差分运算代替式（1）中的微分运算，则磁性目标在探测点处的磁梯度张量G为：

$G=\left[\begin{array}{ccc}{B}_{\mathrm{xx}}\≈\frac{B_{8x}-8B_{4x}+8B_{2x}-B_{6x}}{12d}& B_{\mathrm{xy}}\≈\frac{B_{8y}-8B_{4y}+8B_{2y}-B_{6y}}{12d}& B_{\mathrm{xz}}\≈\frac{B_{8z}-8B_{4z}+{8B}_{2z}-B_{6z}}{12d}\\ B_{\mathrm{yx}}\≈\frac{B_{9x}-8B_{5x}+8B_{3x}-B_{7x}}{12d}& B_{\mathrm{yy}}\≈\frac{B_{9y}-8B_{5y}+8B_{3y}-B_{7y}}{12d}& B_{\mathrm{yz}}\≈\frac{B_{9z}-8B_{5z}+8B_{3z}-B_{7z}}{12d}\\ B_{\mathrm{zx}}\≈\frac{B_{8z}-8B_{4z}+8B_{2z}-B_{6z}}{12d}& B_{\mathrm{zy}}\≈\frac{B_{9z}-8B_{5z}+8B_{3z}-B_{7z}}{12d}& B_{\mathrm{zz}}\≈\frac{8B_{4x}+8B_{5y}+B_{6x}+B_{7y}-8B_{2x}-8B_{3y}-B_{8x}-B_{9y}}{12d}\end{array}\right]$

（2）利用磁梯度张量G和磁感应强度B计算磁梯度张量测量阵列与磁性目标的相对位置关系

将待测量的磁性目标等效为磁偶极子，以磁偶极子为坐标原点，设探测点与磁偶极子间的距离为

则有：

$\stackrel{\→}{r}=\left[\begin{array}{c}x\\ y\\ z\end{array}\right]=-3G^{-1}B---\left(3\right)$

将步骤二得到的磁性目标在探测点处磁感应强度B和磁梯度张量G代入公式（3）,则探测点在以磁偶极子为原点的坐标系中的位置坐标（x，y，z）为：

$\stackrel{\→}{r}=\left[\begin{array}{c}x\\ y\\ z\end{array}\right]=-3G^{-1}\left[\begin{array}{c}{B}_{1x}\\ B_{1y}\\ B_{1z}\end{array}\right]---\left(4\right)$

（3）依据步骤三计算的磁梯度张量测量阵列和磁性目标的相对位置计算磁性目标在当前坐标系下的三轴磁矩

距离磁偶极子处的磁感应强度为B为：

$B=\frac{{\mathrm{\μ}}_0}{4\mathrm{\π}{\left|\stackrel{\→}{r}\right|}^5}[3\left(\stackrel{\→}{r}\text{\·}\stackrel{\→}{m}\right)\stackrel{\→}{r}-{\left|\stackrel{\→}{r}\right|}^2\stackrel{\→}{m}]---\left(5\right)$

式中：

为在距离磁偶极子

处的磁矩矢量，μ₀为真空磁导率。

令 $\stackrel{\→}{m}=m_x\stackrel{\→}{i}+m_y\stackrel{\→}{j}+m_z\stackrel{\→}{k},$ $\stackrel{\→}{r}=x\stackrel{\→}{i}+y\stackrel{\→}{j}+z\stackrel{\→}{k},$ 则距离磁偶极子

处的磁感应强度B的三个分量分别为：

$\left[\begin{array}{c}{B}_{1x}\\ B_{1y}\\ B_{1z}\end{array}\right]=\frac{{\mathrm{\μ}}_0}{4\mathrm{\π}{(x^2+y^2+z^2)}^{5/2}}\left[\begin{array}{ccc}2x^2-y^2-z^2& 3\mathrm{xy}& 3\mathrm{xz}\\ 3\mathrm{xy}& {2y}^2-x^2-z^2& 3\mathrm{yz}\\ 3\mathrm{xz}& 3\mathrm{yz}& 2z^2-y^2-x^2\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{m}_x\\ m_y\\ m_z\end{array}\right]---\left(6\right)$

则磁性目标在当前坐标系下三轴磁矩的计算公式为：

$\stackrel{\→}{m}=\left[\begin{array}{c}{m}_x\\ m_y\\ m_z\end{array}\right]=\frac{4\mathrm{\π}}{{\mathrm{\μ}}_0}{(x^2+y^2+z^2)}^{5/2}{\left[\begin{array}{ccc}2x^2-y^2-z^2& 3\mathrm{xy}& 3\mathrm{xz}\\ 3\mathrm{xy}& {2y}^2-x^2-z^2& 3\mathrm{yz}\\ 3\mathrm{sz}& 3\mathrm{yz}& 2z^2-y^2-x^2\end{array}\right]}^{-1}\left[\begin{array}{c}{B}_{1x}\\ B_{1y}\\ B_{1z}\end{array}\right]---\left(7\right)$

式（7）中，x，y，z的值由式（4）计算得到，(B_1x，B_1y，B_1z)为基准传感器输出的磁信号，从而便可磁性目标在当前坐标系下三轴磁矩

磁矩显示模块与数据处理模块相连，用于显示数据处理模块输出的三轴磁矩。

以上仅为本实用新型的较佳实施例而已，并非用于限定本实用新型的保护范围。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (2)

1.基于九个三轴矢量磁传感器的磁性目标磁矩测量装置，其特征在于，包括磁梯度张量测量阵列、数据采集模块和数据处理模块；

所述磁梯度张量测量阵列由九个三轴矢量磁传感器组成，布置磁梯度张量测量阵列时，位于探测点处的三轴矢量磁传感器为基准传感器，其它三轴矢量磁传感器分布在基准传感器周围，为参考传感器；设基准传感器的三个敏感轴方向分别为x向、y向和z向，建立坐标系xyz；布置磁梯度张量测量阵列时：在其中任意两个方向各布置四个参考传感器；当在某个方向上布置参考传感器时，保证该方向上正向和负向的参考传感器对称布置；每个方向上任意两相邻三轴矢量磁传感器之间的距离均相等；所有三轴矢量磁传感器对应的三个敏感轴均相互平行；

所述数据采集模块同时对九个三轴矢量磁传感器的27路磁信号进行数据采集；

所述数据处理模块与数据采集模块相连，数据采集模块将采集到的数据发送给数据处理模块。

2.如权利要求1所述的基于九个三轴矢量磁传感器的磁性目标磁矩测量装置，其特征在于，进一步包括磁矩显示模块，所述磁矩显示模块与数据处理模块相连。

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