УСТРОЙСТВО ДЛЯ КАЛИБРОВКИ ТРЁХКОМПОНЕНТНОГО МАГНИТОМЕТРА

Полезная модель относиться к области магнитных измерений, в частности к средствам калибровки трехкомпонентных магнитометров.
Известна калибровочная установка [1], содержащая три образцовые меры магнитной индукции с магнитным экраном. Датчик калибруемого трехкомпонентного магнитометра размещают в центре образцовой трехкомпонентной меры магнитной индукции, чувствительные оси датчика ориентируют вдоль осей меры, поочередно воспроизводят известное значение магнитной индукции вдоль каждой оси меры, регистрируют выходные сигналов магнитометра по всем его компонентам, строят нормированную приборную квадратную матрицу и используют ее для нахождения корректирующей матрицы.
Кроме этого известна калибровочная система [2], содержащая 3 пары ортогонально расположенных катушек Гельмгольца, образующих куб, и эталонный соленоид, помещенный в центр катушек Гельмгольца, внутрь которого помещают датчик калибруемого магнитометра. Катушки Гельмгольца компенсируют магнитное поле Земли, а в соленоиде воспроизводят эталонное магнитное поле.
Известные технические решения сложны в реализации и не обеспечивают необходимую точность калибровки. Необходимость обязательного использования уникальной конструкции экранированной меры магнитной индукции или колец Гельмгольца, предполагающих наличие сложно настраиваемых катушек или колечной системы, усложняет их применение. Неравномерность пространственного распределения формируемого магнитного поля внутри трех катушек магнитной меры не позволяет компенсировать поле Земли во всем объеме калибруемых датчиков. Кроме того, процедура компенсации требует использования специального трехкомпонентного нуль-индикатора магнитного поля, погрешность которого увеличивает погрешность калибровки магнитометра.
Наиболее близким техническим решением является калибровочное устройство, не использующие магнитные экраны и эталонные меры магнитной индукции [4]. Устройство содержит статор, первый ротор, расположенный внутри статора, второй ротор, расположенный внутри первого ротора так, что оси вращения первого и второго роторов пересекаются перпендикулярно, измерители угла поворота первого и второго ротора, во втором роторе в точке пересечения осей вращения первого и второго роторов закреплен датчик калибруемого магнитометра. Принцип работы установки заключается в использовании магнитного поля Земли и системы роторов, в которой закреплен датчик калибруемого магнитометра. Поворачивая датчик магнитометра в пространстве по заданному закону на фиксированные значения углов и применяя обработку полученных в ходе измерения данных, получают ряд поправочных коэффициентов, позволяющих скомпенсировать некоторые погрешности магнитометра.
Недостатками этого технического решения являются низкая точность определения поправочных коэффициентов преобразования магнитометра, необходимость произведения предварительных измерений магнитного поля откалиброванным прибором, при этом за время между произведением измерений эталонными магнитометром и измерением калибруемым магнитометром магнитное поле может измениться, а погрешность эталонного магнитометра увеличивает погрешность калибровки. Кроме этого, роторы должны поворачиваться на фиксированные углы поворота, погрешность задания этих углов также вносит вклад в суммарную погрешность калибровки.
Целью заявленного технического решения является повышение точности калибровки трехкомпонентного магнитометра. Для этого в известное устройство введен соленоид, размещенный на статоре, ось соленоида перпендикулярна оси вращения первого ротора, а центр соленоида совпадает с точкой пересечения осей вращения первого и второго роторов.
Сущность заявленного технического решения поясняется чертежом на фиг. 1. Устройство для калибровки трехкомпонентного магнитометра содержит статор 1, в котором расположен первый ротор 2. Второй ротор 3 расположен внутри первого ротора 2 так, что оси вращения первого ротора 2 и второго ротора 3 пересекаются перпендикулярно, во втором роторе 3 в точке пересечения осей вращения первого ротора 2 и второго ротора 3 в цилиндрическом отверстии 5, ось которого совпадает с осью вращения второго ротора 3, закреплен датчик калибруемого магнитометра. На статоре 1 размещен соленоид 4 в виде катушек Гельмгольца, ось соленоида 4 перпендикулярна оси вращения первого ротора 2, а центр соленоида 4 совпадает с точкой пересечения осей вращения первого ротора 2 и второго ротора 3.
Устройство работает следующим образом. Датчик калибруемого магнитометра закрепляют в отверстии 5 второго ротора 3, он оснащен измерителями угла поворота по двум осям, совпадающими с осями вращения первого 2 и второго 3 роторов, что позволяет производить повороты каждого ротора на произвольные углы. Соленоид 4 является мерой магнитной индукции, он создает в своем геометрическом центре, который совпадает с точкой пересечения осей вращения первого 2 и второго 3 роторов, эталонное магнитное поле. Производя измерения при протекании заданного тока I через соленоид 4 в прямом и обратном направлении, а также без тока в соленоиде 4, можно исключить вклад магнитного поля Земли в результатах калибровки.
К.заявленному техническому решению применим известный метод [5-7] нахождения поправочных коэффициентов, позволяющий в известном магнитном поле определить для каждого из преобразователей датчика трехкомпонентного магнитометра коэффициент преобразования измеряемого поля в напряжение, напряжения смещения и скомпенсировать погрешность взаимного расположения преобразователей в датчике магнитометра.
0
Для решения поставленной задачи используются два физических поля, обладающих высокой степенью пространственной однородности: гравитационное поле g и геомагнитное поле B. Графическое представление модели показано на фиг. 2. Измерение углов поворота роторов производится с помощью акселерометров относительно вектора g.
x
y
z
0
0
0
0
1
1
1
x
y
z
0
x
y
z
Введем лабораторную систему координат с ортогональным базисом, образующим правую тройку векторов: K=(k,k,k) так, что векторы g и B лежат в плоскости {y,z) и имеют вид g=g{0,0,1}; B=B{0,sin(θ),cos(θ)}. Магнитное поле B создаваемое соленоидом 4 при пропускании через него заданного тока I, в лабораторной системе координат имеет вид B=B{cos(φ),cos(φ),cos(φ)}. Здесь θ - угол между вер торами g и B в точке пересечения осей вращения первого 2 и второго 3 роторов, cos(φ), cos(φ), cos(φ) - направляющие косинусы оси соленоида 4.
x
y
z
x
y
z
i
i
При использовании трехкомпонентного датчика измерения производятся относительно системы координат, связанной с корпусом датчика. Базис этой системы координат имеет вид E=(e,e,e). Если корпус датчика имеет форму паралеллипипеда, векторы e, e, e могут быть направлены по ребрам корпуса. В этом базисе направления осей чувствительности преобразователей датчика n и акселерометров m имеют вид
ij
i
ij
i
Здесь γ - углы между j-ой координатной осью и осью чувствительности n i-ого преобразователя магнитного поля в напряжение, δ - углы между j-ой координатной осью и осью чувствительности m i-ого акселерометра.
i
0
1
Напряжения U на i-м преобразователе датчика в однородном магнитном поле B=B+B имеет вид
i
(e)
(k)
(e)
(k)
Здесь K - коэффициент преобразования поля в напряжение i-го преобразователя датчика,  - остаточное напряжение i-го преобразователя датчика. Верхний индекс в скобках обозначает систему координат, в которой определяется вектор. Матрица A описывает преобразование одной системы координат в другую, для любых векторов x и x справедливо x=Ax.
a
i
Показания акселерометров  в зависимости от их положения в гравитационном поле Земли описываются выражением:
i
i
Здесь X - константа для преобразования ускорения в числовой код (чувствительность) i-го акселерометра, g - вектор ускорения свободного падения, C - постоянное смещение показаний i-го акселерометра.
Пусть угол поворота α первого ротора 2 отсчитывается от оси соленоида 4, а угол поворота β второго ротора 3 отсчитывается от оси вращения первого ротора 2. Тогда матрица преобразования A имеет вид
i
i
1
1
1
a
В процессе калибровки поворачивают первый ротор 2 и второй ротор 3 так, чтобы каждый из них совершил по несколько полных оборотов, фиксируют последовательности одновременных значений напряжения U[n] преобразователей датчика и показаний [n] акселерометров, где i=1, 2, 3; n=0, …, 3(N-1), причем каждая серия из N измерений выполняется сначала без тока в соленоиде 4, то есть при B=0, затем при пропускании через соленоид 4 заданного тока I в прямом направлении, то есть при B=PI, затем при пропускании через соленоид 4 заданного тока I в обратном направлении, то есть при B=-PI, где P - калибровочная постоянная соленоида 4, расчетная величина.
ij
ij
0
x
y
z
i
i
i
i
a
Неизвестными величинами являются направляющие косинусы осей чувствительностей магнитных преобразователей cos(γ), направляющие косинусы осей чувствительностей акселерометров cos(δ), угол θ, модуль индукции магнитного поля Земли B, направляющие косинусы cos(φ), cos(φ), cos(φ) оси соленоида 4, коэффициенты преобразования K и постоянные составляющие , C. Число исходных данных U[n], [n] составляет 6N значений, а число неизвестных составляет 32, поэтому при достаточно большом N≈200 система уравнений (1)-(4) становится сильно переопределенной и решается методом минимизации квадратичной нормы, которая имеет вид:
Для доказательства возможности технической реализации реализована калибровочная установка, в которой статор 1, первый ротор 2 и второй ротор 3 изготовлены из дюралюминия марки Д16Т. Статор 1 представляет собой раму размерами 350×420×50 мм. Первый ротор 2 и второй ротор 3 имеют длину 135 мм и диаметр 90 мм и 45 мм, соответственно, и образуют карданный подвес внутри статора 1. Во втором роторе 3 выполнено отверстие 5, прямоугольного сечения 8×32 мм для размещения датчика магнитометра. Корпус датчика трехкомпонентного магнитометра изготовлен из дюралюминия марки Д16Т в виде параллелипипеда размером 8×32×128 мм, ребра которого совпадают с осями выбранной системы координат. В качестве магнитных преобразователей используются 3 преобразователя Холла марки ПХЭ602117А с габаритными размерами 3×3×1 мм. Преобразователи Холла закреплены в корпусе датчика так, что углы между осями координат датчика и осями чувствительности соответствующих преобразователей не превосходят 1°.
Для определения углов поворота первого ротора 2 и второго ротора 3, используются инклинометры ADIS16209, установленные в корпусе датчика магнитометра так, что угол между осями вращения и соответствующими осями координат датчика не превышает 1°.
Соленоид 4 представляет собой кольца Гельмгольца диаметром 420 мм, расположенные на расстоянии 210 мм от точки пересечения осей вращения первого 2 и второго 3 роторов.
i
ij
i
Нахождение параметров трехкомпонентного датчика путем минимизация выражения (5) осуществлялась при помощи программного пакета COMSOL 4.2. В процессе калибровки получают для каждого из трех преобразователей параметры K, , cos(γ), набор этих параметров рассматривается как паспортные характеристики датчика трехкомпонентного магнитометра. При измерении вектора индукции магнитного поля B измеряют выходные напряжения U, преобразователей и строят вспомогательный вектор F с компонентами . Компоненты вектора индукции магнитного поля B в связанной с датчиком системе координат E вычисляют по формуле
(e)
Поскольку модуль вектора не меняется при преобразовании координат, погрешность калибровки определяется как вариация величины |B(α,β)| при поворотах на различные углы α и β в постоянном магнитном поле  калиброванного датчика, закрепленного в отверстии 5 установки.
Разработанная установка для калибровки трехкомпонентных магнитометров была использована для определения метрологических характеристик высокоточных магнитометров [8].
Источники информации:
1. Патент США №6130534, кл. G01R 35/00, G01R 33/02, 10.10.2000.
2. Шифрин В.Я. Приборы для точного измерения магнитной индукции и их метрологическое обеспечение. - М.: Машиностроение. - 1981. - 57 с.
3. Способы измерения полного вектора магнитного поля, а так же устройство для его осуществления. Патент РФ №2218577, МПК 7 G01R 33/02, 09.11.2001.
4. Wenguang Feng, Shibin Liu, A calibration method of three-axis magnetic sensor based on ellipsoid fitting, Jornal of information & computational science. 2013. С 1551-1558 (прототип).
5. Toan Vu. Automatic date collectin algorithm for 3d magnetic field calibration with reduced memory requirements. US 20110301898 A1. 2011.
6. John T. Fowler, Douglas C. Gilbert. Magnetic compass calibration. US 4698912 A. 1987.
7. Seong Yun Cho, Chan Gook Park. A Calibration Technique for a two-axis magnetic compass in telematics devices. ETRL Joumal, Volume 27, Number 3, 2005. C. 280-288.
8. Голубев A.A., Игнатьев В.К., Никитин А.В. Прецизионный магнитометр. Приборы и техника эксперимента. - 2008. - №5. с. 123-128.