文摘

一个优化triaxis感应磁强计设计和校准的影响降到最低的非正交性和磁通相声。利用非线性最小二乘法,贡献的非正交组装三个传感器都取消了。磁通量相声是一个频率相关错误组件triaxis感应磁强计的校准。影响的组装密度、频率和反馈量进行了理论分析,和一个传感器优化配置一个较小的相声。此外,一个数学补偿算法也被用来抑制残留相声隐蔽地。验证理论分析,triaxis感应磁强计是制造和实验设置也被建造。实验结果表明,横向感应磁力计的cross-outputs已经显著下降,大约两个订单,表明该方法适用于triaxis感应磁强计。

1。介绍

本文的目的是达到最低贡献从磁通量相声在三个传感器的非正交性和装配精度。非正交性误差是因为个人的机械精密磁强计轴(1- - - - - -10]。磁通量相声是一个频率相关组件,是由于一个意想不到的磁通分布在三个传感器(11,12]。

提出了各种校准算法的非正交性。正交坐标系之间的变换矩阵和triaxis磁力仪坐标是派生的理论上。然后,校准是非线性估计和校正参数可以用不同的算法实现。Pylvanainen引入了一个基于向后弯曲的校准方法拟合的椭球传感器收集样本(1]。Crassidis等人开发的替代实时算法基于扩展卡尔曼滤波(EKF)和无味卡尔曼滤波(UKF)。两种算法实时提供精确的整数的分辨率,但UKF是更健壮的大比EKF(初始条件错误2]。彭日成UKF的校准性能相比,两步算法,非线性最小二乘方法,实验结果表明,非线性最小二乘法具有最小误差平均和标准偏差(3- - - - - -5]。

磁相声是另一个限制triaxis感应磁强计的测量精度。关于格等人的研究,达到最大相声27.7%略高于初级线圈的谐振频率的二次通量相声占主导地位。相反,在频率略低于谐振频率,达到最低相声因为薪酬的主要和次要相声通量(11]。相声的多项调查近年来发表(11- - - - - -19]。足够强大的负反馈通量是一个有效的方法减少共振频率附近的相声。和二级初级线圈产生的磁通在共振频率,已经被删除了。然而,一个不受欢迎的增加串扰低于谐振频率与此同时出现。Paperno等人提出了一个数学补偿方法相声2011年(12]。补偿是基于推导crosstalk-free磁力计输出从方程组描述了磁强计总输出的函数的应用领域和参数triaxis感应磁强计。但传感器输出的动态范围太大,磁强计的分辨率是有限的。

本文的目的是开发一个优化设计和triaxis感应磁强计的校准方法。磁flux-feedback原则已被用来抑制共振频率附近的相声。此外,来自组装密度、频率,分析了反馈量和一个较小的传感器优化配置相声已经实现。此外,校准方法,除了数学相声的补偿算法,非正交性补偿也被认为是综合,提出了改善校准triaxis感应磁强计的性能。

验证该方法,制造triaxis感应磁强计。校准后,实验结果表明,横向感应磁力计的cross-outputs已经大大减少了两个订单,表明该方法适用于triaxis感应磁强计。

2。Triaxis感应磁强计的原理

triaxis感应磁强计及其等效电路如图1和2(20.- - - - - -24]。三个感应磁力计组装的活动意义的变化磁场空间。,,是电阻、电感和电容感应线圈的另外,和线圈的电感反馈和反馈电阻,是感应和反馈线圈之间的互感,前置放大器的增益,前置放大器的输出。计算如下: 磁通密度在吗设在,设在,设在传感器,是核心的视渗透率,是主要的磁通在每一个传感器。

3所示。优化设计和校准Triaxis感应磁强计

3.1。校准的非正交性

如图3,- - - - - -正交坐标和吗- - - - - -表示triaxis感应磁强计坐标。纵轴是完全符合定义的设在。的设在位于定义的平面设在和设在。和之间的角设在和前进的方向设在。之间的角设在平面,定义的设在和设在。和被定义为的投影之间的角设在平面和前进的方向设在。

两个坐标系之间的变换可以表示为(2)。是坐标变换矩阵。,,测量磁通密度设在,设在,设在,,,是真正的磁通密度在吗设在,设在,设在:

3.2。优化设计和校准的相声

相声,是由于一个意想不到的磁通分布三个传感器,是一个特定的错误组件triaxis感应磁强计。其强度主要取决于装配密度(在图1),反馈量()和频率()。

3.2.1之上。相声Triaxis感应磁强计的评价

相声由于初级和二级磁通由有限元软件模拟麦克斯韦15.0,如图所示4。

至于相声由于应用通量(图4(一)),我们可以看到,应用垂直通量也在横向流传感器横向输出,并提供一个额外的贡献。此外,还有二级通量垂直感应线圈中产生的电流流入横向传感器(图4 (b))。

据格等人的研究,相对相声被定义为相声通量的比值在横向传感器,垂直的主磁通传感器,如下所示(11,12]: 串扰系数是由于单位主磁通,串扰系数是由于单位二级通量,是主要的通量在垂直传感器,是二次感应线圈产生的磁通在垂直传感器,是相对主相声单位相比呢,其值等于,是相对次要的相声单位相比呢。估计如下: 让(1)和(4)(3),可以表示为

磁场在每个轴都可以估计(6)。,,测量磁通的吗设在,设在,设在,,,是crosstalk-free磁通:

的值明显的渗透率和核心截面彼此相等相比。基于方程,(6)可以简化为

3.2.2。优化设计的组装密度

和依赖于一组传感器参数,如核心的材料,长宽比和几何结构的传感器配置。本文核心材料是坡莫合金和十字架直径是8.5毫米。实现一个传感器优化配置与一个较小的相声,相声的不同的帮助下有限元仿真软件模拟麦克斯韦15.0,如图5和6。

如数据所示5和6的磁通密度设在没有显著差异和不同。相声磁通密度设在和设在不同正值负(或从负到正值)和零相声点与移动。的配置= 98.5毫米为相声在横向传感器可以选择主要是取消,和残留相声和。

3.2.3。反馈数量和频率的影响

基于(3),总相对相声取决于相对主要的相声和二级相声。对于一个给定的triaxis感应磁强计、有一个恒定的振幅和相位在整个频带,而与不同的反馈数量和频率不同,如图7。

从图7我们可以看到,相比之下,有大量阶段差异低于谐振频率,在高频段相同的阶段。此外,反馈电阻的增加,减少在低频段,在共振频率增加。在频带高于共振频率,没有重大影响和反馈方法。

此外,与不同的反馈数量和频率也被计算,如图8。

在频带共振频率以下,等于约为是如此的小,它可以被忽视(参见图吗7)。在频率略低于最小值是接近共振频率,在哪里主要是被逆转。在频率略高于谐振频率,由于最大达到最大值。在频带高于共振频率,到达为在阶段。

因此,如果需要低串扰共振频率以下,或在一些特定的情况下我们想要得到一个高灵敏度在共振频率附近,光反馈是一个更好的选择。但如果你想达到共振频率附近的一个小相声,深反馈者优先。

3.3。Triaxis感应磁强计的校准

考虑到校准方程的非正交性和相声,作为评价(2)和(7),triaxis感应磁强计的校准模型可以推导出如下: ,,triaxis感应磁强计的输出,,,的敏感性设在,设在,设在归纳磁力计。基于(8),输出电压triaxis感应磁强计的校准和补偿。

4所示。实验

4.1。实验装置

验证上述方法,triaxis感应磁强计是制造如图1,它的参数是“符号”部分所示。

前置放大器电路(设在为例)的传感器,如图9。Dual-JFET利用第一阶段的高输入危急。

实验设置还建立了如图10。

应用磁场亥姆霍兹线圈产生的(绿色部分,由电流源吉时利6221)。黄色正方形表示区域磁场是均匀的。红色的制服领域的电路面积平台修复triaxis感应磁强计(蓝色立方体在红色圆圈)。传感器的输出测量的安捷伦35670 a和加工利用非线性最小二乘法(由MATLAB软件编程)3]。

4.2。实验结果

的敏感性不同的轴triaxis感应磁强计计算,如图11。我们可以看到,它的灵敏度40 mV / nT @ 100赫兹和100 mV / nT @浮动部分。

triaxis感应磁强计的校准,包括非正交性和串扰补偿,也已完成。在细节,应用磁通设在方向,横向感应的规范化cross-outputs磁力计(设在和基于(设在)测量和校准8),如图12。

我们可以看到,相比之下,利用磁flux-feedback的相声设在和设在感应磁力计却降低了大约二十年大约在整个频带。此外,相比之下,利用提出的补偿算法Paperno et al。12),达到降低串扰在共振频率附近(大约3千赫摘要)。因为共振频率附近的高串扰抑制了负反馈通量。然后,残留相声是使用补偿算法补偿。

5。结论

改善triaxis感应磁强计的性能,提出了一种优化设计和校准方法和验证。非正交性取消了基于坐标变换。麦克斯韦的帮助下有限元软件,一个传感器优化配置具有较小的相声。最后,校准模型包括非正交性和相声triaxis感应磁强计的补偿。实验结果表明,cross-outputs已经降低了约二十年整个频带,这是更有效的比使用负反馈通量或数学补偿算法。

串扰因素由于应用和二级通量评估与有限元仿真软件的帮助。至于进一步的调查,这将是有意义的建立数值模型用于串扰系数评估。

符号

:	坡莫合金核心长度(218毫米)
:	相当于核心横径(8.3毫米)
:	感应线圈转动(20000)
:	视渗透率的核心(215)
,,:	感应线圈的直流电阻(2.7 kΩkΩ2.7,和2.7 kΩ)
,,:	感应线圈的电容(48 pF、46 pF和52 pF)
,,:	感应线圈的电感(17.9 17.4 17.6 H, H, H)
,,:	线圈的互感(18.3 mH, 17.6 mH, 18.7 mH)
:	反馈电阻(20 k)
:	前置放大器的增益(760)
:	非正交的角(0.15 / 0.08/0.34)。

相互竞争的利益

作者宣称没有利益冲突。

确认

这项工作是由中国国家自然科学基金(没有。40904053也没有。41274183)。