CN105091836A - 一种测量三分量磁强计轴间夹角的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种测量三分量磁强计轴间夹角的方法，适用于各个轴间非正角度均小于2度的被测磁强计，包括以下步骤：a，使所述被测磁强计的z轴与地磁矢量方向垂直；b，将整个被测磁强计绕z轴转动，根据x轴和y轴的读数以及被测磁强计的转动角度得出x轴和y轴的相位差，将该相位差作为被测磁强计的x轴与y轴的夹角；c，将步骤a、b中的z轴和y轴相互替换，重复步骤a、b，得出被测磁强计的x轴和z轴的夹角；d，将步骤a、b中的z轴和x轴相互替换，重复步骤a、b，得出被测磁强计的y轴和z轴的夹角。本发明在可容忍的测量误差范围内，能快速测量轴间夹角的具体值，测量过程简单，时间短，精度高。

Description

一种测量三分量磁强计轴间夹角的方法及装置

技术领域

本发明涉及仪器测量领域，尤其涉及一种测量三分量磁强计轴间夹角的方法及装置。

背景技术

为了使得三轴磁强计的三轴满足正交要求，现有技术通常有：方法一，三轴固定的机械定位方法，其优点在于三轴夹角稳定，但该方法只能使三轴非正交度达到2°左右，远远不能满足高精度需求；2，方法二：三轴夹角可微调的机械定位方法，其优点在于能够满足高正交度需求，但该方法调整时间长，设备复杂，操作难度大，得到的三轴夹角稳定性差。3，方法三：事先准确测量出三轴固定的三分量磁强计的轴间夹角，然后用数学方法对磁强计的输出进行正交度校正。这种方法可以同时避免方法一和方法二的缺点，其优点在于：1，由于三轴固定，轴间夹角稳定性强。2，能够满足高正交度需求，且正交度稳定。该方法中很重要的步骤就是要准确测量出三分量磁强计的轴间夹角。

发明内容

为了准确测量出三分量磁强计的轴间夹角，本发明提出了一种测量三分量磁强计轴间夹角的方法，适用于各个轴间非正角度均小于2度的被测磁强计，包括以下步骤：

a，使所述被测磁强计的z轴与地磁矢量方向垂直；

b，将整个被测磁强计绕z轴转动，根据x轴和y轴的读数以及被测磁强计的转动角度得出x轴和y轴的相位差，将该相位差作为被测磁强计的x轴与y轴的夹角；

c，将步骤a、b中的z轴和y轴相互替换，重复步骤a、b，得出被测磁强计的x轴和z轴的夹角；

d，将步骤a、b中的z轴和x轴相互替换，重复步骤a、b，得出被测磁强计的y轴和z轴的夹角。

优选的，步骤b具体为：将整个被测磁强计绕z轴转动，使y轴读数由负值变为零，记录此时被测磁强计的转动角度α₁，然后继续转动使x轴读数由负值变为零，记录此时被测磁强计的转动角度α₂，则被测磁强计的x轴与y轴的夹角为α₂-α₁。

本发明还提出了一种测量三分量磁强计轴间夹角的装置，所述装置用无磁材料制作，包括以下部分：一个底座，一个水平转台，一个水平轴，一个角度传感器，一个固定板，一个调节板和三个微调螺钉，

所述底座的位置固定，所述水平转台安装在底座上，能够相对底座水平转动；所述水平轴安装在水平转台的固定位置上，其中轴与水平转台的平面平行，所述水平轴能够绕其中轴转动；所述角度传感器安装在水平轴上，用于测量水平轴的转动角度；所述固定板固定安装在水平轴上；所述调节板用于固定被测磁强计，通过所述微调螺钉与所述固定板连接，通过调节微调螺钉来调节调节板与固定板的相对角度。

优选的，上述方法采用一个上述专用测定装置，各个步骤的具体实现如下：

步骤a具体为：

a1，固定底座不动，安装被测磁强计于调节板上，使被测磁强计的z轴大致平行于水平轴的中轴，转动水平转台，使被测磁强计的z轴读数为零；

a2，调节微调螺钉，使水平轴转动时被测磁强计的z轴读数不变；

a3，再次转动水平转台，使被测磁强计的z轴读数为零；

步骤b具体为：转动水平轴，使被测磁强计的y轴读数由负值变为零，记录角度传感器的读数α₁，继续转动水平轴，使x轴读数由负值变为零，记录角度传感器的读数α₂，则被测磁强计的x轴与y轴的夹角为α₁-α₂。

与现有技术相比，本发明的优点在于：1，在可容忍的测量误差范围内，能快速测量轴间夹角的具体值。2，测量过程简单，时间短，精度高。3，所使用的测定设备结构简单，操作性强。4，仅在地磁环境中就可以进行夹角的测定，费用低。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明的测试磁强计x轴和y轴之间的夹角的原理图一；

图2是本发明的测试磁强计x轴和y轴之间的夹角的原理图二；

图3是本发明实施例二的测量三分量磁强计轴间夹角的装置的结构图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例；需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本部分首先以磁强计的x轴和y轴之间的夹角为例来说明本发明所依据的测试原理。

如图1所示，被测磁强计的三轴分别为x轴、y轴和z轴，假设有一个标准的正交坐标系为x′轴、y′轴和z′轴，z′轴和z轴重合，绕z轴转动被测磁强计，使得x轴在x′z′平面中，y轴在x′y′平面上的投影记为y″，x轴与x′轴的角度记为A(如果A为负值，则x轴在直角坐标系o-z′x′的第二象限)，y轴与y′轴的角度记为B，假设|A|和|B|均小于δ，δ是一个很小的角度，y″与y′轴的角度记为C(C可能为正或负)，y″与y轴的角度记为D，x轴和y轴之间的夹角记为E，x′与y″的角度记为F。

则在坐标系o-x′y′z′中：

x轴的曲线方程是： $\frac{x}{\cos A}=\frac{z}{\sin A}---\left(1\right)$

y轴的曲线方程是： $\frac{x}{\cos D\sin C}=\frac{y}{\cos D\cos C}=\frac{z}{\sin D}---\left(2\right)$

由式(1)和式(2)可知，x轴和y轴之间的夹角E为：

E＝arccos(cosDsinCcosA+sinDsinA)(3)

由于x′和y′垂直，则有：

$F=\frac{\mathrm{\π}}{2}-C---\left(4\right)$

根据式(3)和式(4)得出：

$|E-F|=|\frac{\mathrm{\π}}{2}-C-\arccos (\cos D\sin C\cos A+\sin D\sin A)|---\left(5\right)$

式(5)中，|A|小于δ，由于|B|小于δ，则|C|和|D|也小于δ，经过计算可以得到：

当δ＝0.5°时，|E-F|_max<0.005°；

当δ＝1°时，|E-F|_max<0.02°；

当δ＝2°时，|E-F|_max<0.05°；

由上可见，当δ小于2°时，E≈F，此时直接用F的测量值作为E的测量值，E的测量误差(即|E-F|)可以忽略不计。F是x轴、y轴分别在z′y′平面上的投影的夹角，下面介绍F的测试原理：

假设被测磁强计的z轴与地磁矢量方向B_e垂直，由于z′轴与z轴重合，则B_e在z′y′平面上，x轴、y轴在z′y′平面上的投影的初始位置记为x₀、y₀。绕z轴方向旋转被测磁强计，根据x轴和y轴的读数以及被测磁强计的转动角度，得出x轴和y轴的相位差，该相位差就是x轴、y轴分别在z′y′平面上的投影的夹角F。例如图2所示，绕z轴方向旋转被测磁强计，使y轴读数由负值变为零，此时，投影移动到x₁、y₁，y₁垂直于B_e，记录此时被测磁强计的转动角度α₁；继续绕z轴旋转被测磁强计，使x轴读数由负值变为零，此时，投影移动到x₂、y₂，x₂垂直于B_e，记录此时被测磁强计的转动角度α₂。由于x₂和y₁都垂直于B_e，则根据几何知识可以得知前后两次读数为零期间被测磁强计所转过的角度(即x₁和x₂之间的角度，y₁和y₂之间的角度)就是x轴和y轴的投影的夹角F，则F等于α₂-α₁。

从上面的分析可以看出，图1和图2中z轴和y轴可以相互替换，从而计算得出x轴与z轴的夹角。同理，z轴和x轴可以相互替换，从而计算得出y轴与z轴的夹角。

本发明基于上述原理提出，其基本思想在于：首先使被测磁强计的z轴与地磁矢量方向B_e垂直，再绕z轴方向旋转被测磁强计，根据x轴和y轴的读数以及被测磁强计的转动角度得出x轴和y轴的相位差F，将相位差F作为x轴与y轴的夹角E，E值的误差可以忽略不计。同理测出x轴与z轴的夹角以及y轴与z轴的夹角。

下面结合附图，通过具体实施例对本发明做进一步详细说明。

实施例一

本实施例的被测磁强计事先经过了机械定位，其各个轴间非正角度均小于2度，测量轴间夹角的具体方法步骤如下：

a，使被测磁强计的z轴与地磁矢量方向垂直；

b，将整个被测磁强计绕z轴转动，使y轴读数由负值变为零，记录此时被测磁强计的转动角度α₁，然后继续转动使x轴读数由负值变为零，记录此时被测磁强计的转动角度α₂，计算x轴与y轴的相位差为α₂-α₁，该值即可作为被测磁强计的x轴与y轴的夹角，当然，也可以采用不同于本实施例的其他现有方法来计算x轴与y轴的相位差；

c，将步骤a、b中的z轴和y轴相互替换，重复步骤a、b，计算被测磁强计的x轴和z轴的夹角；

d，将步骤a、b中的z轴和x轴相互替换，重复步骤a、b，计算被测磁强计的y轴和z轴的夹角。

实施例二：

本实施例描述了一个测量三分量磁强计轴间夹角的装置，如图3所示。该装置用无磁材料制作，包括：一个底座1，一个水平转台2，一个水平轴3，一个角度传感器4，一个固定板5，一个调节板6和三个微调螺钉7，底座1的位置固定，水平转台2安装在底座1上，能够相对底座1水平转动；水平轴3安装在水平转台2的固定位置上，其中轴与水平转台2的平面平行，水平轴3能够绕其中轴转动；角度传感器4安装在水平轴3上，用于测量水平轴3的转动角度；固定板5固定安装在水平轴3上；调节板6用于固定被测磁强计8，通过微调螺钉7与固定板连接5，通过调节微调螺钉7来调节调节板6与固定板5的相对角度。

实施例三：

本实施例采用实施例二描述的装置来测量三分量磁强计轴间夹角。其具体步骤如下：

1，为了转动z轴，需要使被测磁强计的z轴与水平轴的中轴方向重合，在z轴与地磁矢量方向B_e大致垂直时，假如转动水平轴3时z轴读数不变，就可以确定z轴与中轴方向重合。本步骤首先调整z轴，使其与地磁矢量方向垂直：固定底座1不动，安装被测磁强计8于调节板6上，使被测磁强计8的z轴大致平行于水平轴3的中轴，转动水平转台2，使被测磁强计8的z轴读数不超过100nT(此时z轴的读数视为零)，则z轴与地磁矢量方向垂直；

2，调节微调螺钉7，使水平轴3转动时被测磁强计8的z轴读数的最大值与最小值之差不超过30nT(此时z轴的读数视为不变)，由于此时z轴与地磁矢量方向B_e大致垂直，因此可以确定被测磁强计的z轴与水平轴的中轴方向重合；

3，经过步骤2后，z轴与B_e已经不再垂直，因此需要再次调整z轴：本步骤再次转动水平转台2，使被测磁强计8的z轴读数不超过30nT(此时z轴的读数视为零)，以保证z轴与B_e垂直；

4，转动水平轴3，即转动z轴，使被测磁强计8的y轴读数由负值变为零，记录角度传感器4的读数α₁，继续转动水平轴3，使x轴读数由负值变为零，记录角度传感器4的读数α₂，则被测磁强计的x轴与y轴的夹角为α₂-α₁；

5，将步骤1～4中的z轴和y轴相互替换，重复步骤1～4，计算被测磁强计的x轴和z轴的夹角；

6，将步骤1～4中的z轴和x轴相互替换，重复步骤1～4，计算被测磁强计的y轴和z轴的夹角。

本领域普通技术人员可以理解：实现上述方法实施例的全部或部分步骤可以通过程序指令相关的硬件来完成，前述的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，执行包括上述方法实施例的步骤；而前述的存储介质包括：ROM、RAM、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (4)

1.一种测量三分量磁强计轴间夹角的方法，被测磁强计的各个轴间非正角度均小于2度，其特征在于，包括以下步骤：

a，使所述被测磁强计的z轴与地磁矢量方向垂直；

b，将整个被测磁强计绕z轴转动，根据x轴和y轴的读数以及被测磁强计的转动角度得出x轴和y轴的相位差，将该相位差作为被测磁强计的x轴与y轴的夹角；

c，将步骤a、b中的z轴和y轴相互替换，重复步骤a、b，得出被测磁强计的x轴和z轴的夹角；

d，将步骤a、b中的z轴和x轴相互替换，重复步骤a、b，得出被测磁强计的y轴和z轴的夹角。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤b具体为：将整个被测磁强计绕z轴转动，使y轴读数由负值变为零，记录此时被测磁强计的转动角度α₁，然后继续转动使x轴读数由负值变为零，记录此时被测磁强计的转动角度α₂，则被测磁强计的x轴与y轴的夹角为α₂-α₁。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：所述方法采用一个专用的测定装置，所述装置用无磁材料制作，包括：一个底座，一个水平转台，一个水平轴，一个角度传感器，一个固定板，一个调节板和三个微调螺钉，所述底座的位置固定，所述水平转台安装在底座上，能够相对底座水平转动；所述水平轴安装在水平转台的固定位置上，其中轴与水平转台的平面平行，所述水平轴能够绕其中轴转动；所述角度传感器安装在水平轴上，用于测量水平轴的转动角度；所述固定板固定安装在水平轴上；所述调节板用于固定被测磁强计，通过所述微调螺钉与所述固定板连接，通过调节微调螺钉来调节调节板与固定板的相对角度；

所述步骤a具体为：

a1，固定底座不动，安装被测磁强计于调节板上，使被测磁强计的z轴大致平行于水平轴的中轴，转动水平转台，使被测磁强计的z轴读数为零；

a2，调节微调螺钉，使水平轴转动时被测磁强计的z轴读数不变；

a3，再次转动水平转台，使被测磁强计的z轴读数为零；

所述步骤b具体为：转动水平轴，使被测磁强计的y轴读数由负值变为零，记录角度传感器的读数α₁，继续转动水平轴，使x轴读数由负值变为零，记录角度传感器的读数α₂，则被测磁强计的x轴与y轴的夹角为α₁-αα₂。

4.一种用于权利要求1所述方法的装置，其特征在于，所述装置用无磁材料制作，包括以下部分：一个底座，一个水平转台，一个水平轴，一个角度传感器，一个固定板，一个调节板和三个微调螺钉，

所述底座的位置固定，所述水平转台安装在底座上，能够相对底座水平转动；所述水平轴安装在水平转台的固定位置上，其中轴与水平转台的平面平行，所述水平轴能够绕其中轴转动；所述角度传感器安装在水平轴上，用于测量水平轴的转动角度；所述固定板固定安装在水平轴上；所述调节板用于固定被测磁强计，通过所述微调螺钉与所述固定板连接，通过调节微调螺钉来调节调节板与固定板的相对角度。