雙分量環(huán)形磁通門測(cè)斜傳感器測(cè)量原理分析*

徐 斌,顧 偉

(上海海事大學(xué)科學(xué)研究院,上海 200135)

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雙分量環(huán)形磁通門測(cè)斜傳感器測(cè)量原理分析*

徐 斌,顧 偉*

(上海海事大學(xué)科學(xué)研究院,上海 200135)

在地下勘測(cè),鉆井探礦等領(lǐng)域,需要測(cè)斜儀對(duì)鉆頭的姿態(tài)進(jìn)行精確定位與控制,實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)地底下鉆頭的姿態(tài)變化?，F(xiàn)有的測(cè)斜儀通常為三分量磁通門傳感器與三分量加速度傳感器相結(jié)合,其結(jié)構(gòu)復(fù)雜,且磁通門傳感器與加速度傳感器的軸向要求方向一致,因此需要人工調(diào)節(jié)與算法調(diào)節(jié),加大了前期傳感器布置與補(bǔ)償?shù)挠?jì)算難度。本文研究了新型測(cè)斜傳感器,采用環(huán)形鐵芯設(shè)計(jì)和鐵芯不固定的方法,設(shè)計(jì)了雙分量環(huán)形磁通門傳感器,并通過(guò)鐵芯與磁通門傳感器的敏感軸方向上磁通量之間的角度關(guān)系,通過(guò)三維坐標(biāo)軸旋轉(zhuǎn)計(jì)算得出測(cè)量被測(cè)物體的俯仰角等姿態(tài)變化。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)表明,新型測(cè)斜傳感器能對(duì)物體的姿態(tài)角進(jìn)行精準(zhǔn)測(cè)量,精度高,且省去了加速度傳感器,簡(jiǎn)化了傳感器結(jié)構(gòu)和測(cè)量參數(shù),并且簡(jiǎn)化了角度測(cè)量算法與正交度補(bǔ)償算法。

磁場(chǎng)測(cè)量;環(huán)形鐵芯;磁通門;測(cè)斜儀

隨著科技的發(fā)展,磁測(cè)量技術(shù)已經(jīng)在越來(lái)越多的工業(yè)領(lǐng)域具有著重要的地位。磁通門傳感器作為磁測(cè)量傳感器的一員,具有性能優(yōu)良、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、重量輕、成本低等優(yōu)點(diǎn),已經(jīng)得到了廣泛認(rèn)可以及應(yīng)用。在地下勘測(cè),鉆井探礦等領(lǐng)域,需要測(cè)斜儀對(duì)鉆頭的姿態(tài)進(jìn)行精確定位與控制,實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)地底下鉆頭的姿態(tài)變化?，F(xiàn)有的測(cè)斜儀通常為三分量磁通門傳感器與三分量加速度傳感器相結(jié)合,其結(jié)構(gòu)復(fù)雜,且磁通門傳感器與加速度傳感器的軸向要求方向一致,因此需要人工調(diào)節(jié)與算法調(diào)節(jié),加大了前期傳感器布置與補(bǔ)償?shù)挠?jì)算難度。

本文針對(duì)鉆井的測(cè)斜角度要求小,精確度要求高等特點(diǎn),設(shè)計(jì)了新型測(cè)斜傳感器,采用環(huán)形雙分量磁通門傳感器和鐵芯不固定的方法,通過(guò)鐵芯與磁通門傳感器的敏感軸磁通量之間的角度關(guān)系,測(cè)量被測(cè)物體的傾斜角度等姿態(tài)變化,省去了重力加速度傳感器,具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,測(cè)量參數(shù)少,算法簡(jiǎn)單,正交度補(bǔ)償算法簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。

1 現(xiàn)有磁性測(cè)斜儀存在的問(wèn)題

測(cè)斜技術(shù)是確定物體在空間的傾斜和傾向的專門技術(shù),它應(yīng)用于空間飛行器的慣性測(cè)量系統(tǒng)、機(jī)器人的機(jī)械臂伸展方向確定、車船體傾斜測(cè)量、巖體傾向判斷、工程鉆孔軌跡監(jiān)測(cè)等許多方面?，F(xiàn)今在許多工程測(cè)量領(lǐng)域,特別是空間物理和地球物理領(lǐng)域,發(fā)展了地球重力場(chǎng)和磁場(chǎng)的測(cè)量方法。這些方法用于測(cè)斜技術(shù),即以三分量重力加速度計(jì)和三分量磁通門磁力計(jì),構(gòu)成測(cè)斜系統(tǒng),測(cè)量物體軸向的靜態(tài)重力加速度分量和磁場(chǎng)強(qiáng)度分量,把物體坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)到大地坐標(biāo)系下,通過(guò)數(shù)值計(jì)算,誤差校正,能準(zhǔn)確確定物體的傾斜和傾向,判斷物體的空間位置。

現(xiàn)有的磁場(chǎng)測(cè)斜儀在重力加速度傳感器的輔助下,已經(jīng)能精確測(cè)量物體的姿態(tài)角[1],滿足大多數(shù)工業(yè)需求。然而傳統(tǒng)磁場(chǎng)測(cè)斜儀在電路設(shè)計(jì)中,需要對(duì)三分量加速度數(shù)據(jù)及三分量磁場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換,調(diào)理,分析,詳見文獻(xiàn)[2-3]。在傳感器組成結(jié)構(gòu)中,必須對(duì)這兩組三分量傳感器進(jìn)行嚴(yán)格的坐標(biāo)軸重合調(diào)整,及三軸正交補(bǔ)償。因此其測(cè)量算法及誤差矯正算法略顯復(fù)雜[4]。而且,現(xiàn)有的磁性測(cè)斜儀所采用的三分量磁通門傳感器為雙鐵芯結(jié)構(gòu)的磁通門傳感器,其和三分量加速度傳感器的幾何中心均不在用一點(diǎn)上,也會(huì)引起磁場(chǎng)測(cè)量誤差。

2 雙分量環(huán)形磁通門傳感器基本原理

磁通門對(duì)于環(huán)境磁場(chǎng)來(lái)說(shuō),好像是一道“門”,它能將環(huán)境磁場(chǎng)調(diào)制成偶次諧波感應(yīng)電勢(shì),這種現(xiàn)象被稱為磁通門現(xiàn)象[5]。

傳統(tǒng)磁通門傳感器有一個(gè)在弱磁場(chǎng)中就能達(dá)到飽和磁化的由高磁導(dǎo)率合金制成的磁芯,最基本的做法是在2個(gè)平行的磁芯上分別繞以初級(jí)和次級(jí)線圈,2個(gè)初級(jí)線圈串聯(lián)起來(lái)通以激勵(lì)磁場(chǎng),使磁芯達(dá)到飽和狀態(tài),次級(jí)線圈與差動(dòng)放大器相連[6]。在外磁場(chǎng)為零時(shí),磁芯中所感應(yīng)的交流磁通的正半周與負(fù)半周完全對(duì)稱,從而消除變壓器效應(yīng),次級(jí)線圈輸出為0。當(dāng)沿磁芯軸向有直流磁場(chǎng)時(shí),則磁芯將在某一半周先達(dá)到飽和,正負(fù)半周不對(duì)稱,2個(gè)次級(jí)線圈的輸出電壓差與磁通量的變化率成正比,測(cè)量此電壓可得到地磁場(chǎng)的變化[7-8]。

現(xiàn)有磁通門傳感器有單鐵芯式和雙鐵芯式,本文的雙分量環(huán)形鐵芯設(shè)計(jì)是由雙鐵芯跑道型磁通門傳感器改良而來(lái)。其鐵芯線圈結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖1中灰色圓形為鐵芯,為黃色代表激磁線圈,紅色為感應(yīng)線圈。

圖1 環(huán)形磁芯磁通門探頭結(jié)構(gòu)

圖2為雙分量環(huán)形磁通門結(jié)構(gòu),圖2中灰色圓形為鐵芯,為黃色代表激磁線圈,紅色為感應(yīng)線圈1,藍(lán)色為感應(yīng)線圈2,感應(yīng)線圈相互正交放置。因?yàn)樵谕F芯上同時(shí)繞2組感應(yīng)線圈,但因感應(yīng)線圈基本垂直,正交度誤差一般能控制在1°,因此,在感應(yīng)線圈中只會(huì)產(chǎn)生小于sin(1°)的弱耦合磁場(chǎng),因此可以忽略感應(yīng)線圈之間的弱耦合磁場(chǎng)[9]。

圖2 雙分量環(huán)形磁芯磁通門結(jié)構(gòu)

雙分量環(huán)形磁通門的磁通門測(cè)量原理與單環(huán)形磁通門測(cè)量原理一致。環(huán)形鐵芯可由任意直徑為分界,分成形狀尺寸和電磁參數(shù)完全對(duì)等的兩部分,不考慮鐵芯的退磁,聚磁,磁滯和趨膚效應(yīng),忽略鐵芯飽和,磁導(dǎo)率μ變化對(duì)激磁電路阻抗的影響,即認(rèn)為由恒流源激磁,激磁線圈在鐵芯環(huán)形的任意切線方向形成磁場(chǎng)。所有切線方向的磁場(chǎng)按分割直徑為X軸,垂直于直徑為Y軸的方向進(jìn)行分解,并積分可分別得到鐵芯兩部分的激磁磁場(chǎng)[10-11],如圖1中X-Y軸所示。

設(shè)環(huán)形鐵芯半徑為R,激磁線圈匝數(shù)為N,恒流源電流為I,即在環(huán)形鐵芯內(nèi)部的激磁磁場(chǎng)為Hm=NNI。N平均分布于環(huán)形上,Hm與半周長(zhǎng)πR成反比。對(duì)Hm沿著X軸與Y軸方向分解,積分為:

(3)

由三折線代表鐵芯磁化曲線,則可由圖3所示求解理想條件下的感應(yīng)線圈輸出信號(hào)。圖3中HS為磁芯飽和磁場(chǎng)強(qiáng)度;H0為外加被測(cè)磁場(chǎng);Hx為X軸方向的激磁磁場(chǎng);μ0為磁芯未飽和時(shí)的磁導(dǎo)率,其中μ為鐵芯磁導(dǎo)率;f1為激磁磁場(chǎng)頻率;曲線H1和H2是兩磁芯的磁場(chǎng)強(qiáng)度曲線。

圖3 磁通門信號(hào)圖解法

在圖3中,當(dāng)t=0時(shí),兩根磁芯上的激磁磁場(chǎng)強(qiáng)度均為最大;當(dāng)被測(cè)磁場(chǎng)強(qiáng)度H0=0時(shí),兩磁芯中的磁場(chǎng)強(qiáng)度大小相等,方向相反,因而穿過(guò)公共感應(yīng)線圈的磁場(chǎng)強(qiáng)度為零,從而使總的輸出電勢(shì)為零。當(dāng)被測(cè)磁場(chǎng)強(qiáng)度H0不為零時(shí),圖3左下方實(shí)線所代表的磁芯上的激磁磁場(chǎng)與被測(cè)磁場(chǎng)H0同向,因而相加,磁芯飽和程度較深,返回飽和磁場(chǎng)強(qiáng)度HS需要的2πf1t2較大;虛線所代表的磁芯上的激磁磁場(chǎng)與被測(cè)磁場(chǎng)反向,因而相減,磁芯飽和程度較淺,返回飽和磁場(chǎng)強(qiáng)度-HS需要的時(shí)間2πf1t1較小。同理,實(shí)線所代表的磁芯上的激磁磁場(chǎng)強(qiáng)度在負(fù)半周時(shí)與被測(cè)磁場(chǎng)強(qiáng)度反向,達(dá)到反向飽和磁場(chǎng)強(qiáng)度-HS,需要的2πf1t4較大;虛線所代表的磁芯上的激磁磁場(chǎng)強(qiáng)度在正半周時(shí)與被測(cè)磁場(chǎng)強(qiáng)度H0同向,達(dá)到飽和磁場(chǎng)強(qiáng)度HS需要的2πf1t3較小[12]。以X軸為測(cè)量方向?yàn)槔?圖1中X軸左為上、其磁感應(yīng)強(qiáng)度為B1,右為下、其磁感應(yīng)強(qiáng)度為B2,X軸方向感應(yīng)線圈在有外界磁場(chǎng)時(shí)的上下鐵芯中的磁感應(yīng)強(qiáng)度B分別為:

(4)

總感應(yīng)線圈的中的磁通量φ為:

φ=BS=(B1+B2)S=S[μ1(H0+Hxcos(2π)f1t)+μ2(H0-Hxcos(2π)f1t)]

(5)

對(duì)感應(yīng)線圈中的磁通量φ進(jìn)行泰勒展開以及三角函數(shù)和差化積公式變換后得到磁通量的二次諧波分量φ2x和感應(yīng)線圈輸出二次諧波信號(hào)E2x:

(6)

其中,S為鐵芯的橫截面積,W2為感應(yīng)線圈匝數(shù)。

(7)

3 新型測(cè)斜儀傳感器測(cè)量原理及設(shè)計(jì)

本文基于現(xiàn)有的測(cè)斜儀其結(jié)構(gòu)復(fù)雜,前期傳感器布置與算法補(bǔ)償難度大的問(wèn)題,提出了應(yīng)用鐵芯不固定的方法的新型測(cè)斜原理,即采用環(huán)形磁通門傳感器放于屏蔽桶中,且傳感器鐵芯浮于硅油之上。在傳感器發(fā)生姿態(tài)變化時(shí),即骨架偏離水平面時(shí),鐵芯仍然由于硅油液體的流動(dòng)來(lái)始終保持在水平位置。因?yàn)榇艌?chǎng)在屏蔽桶內(nèi),傳感器是固定的,即內(nèi)部空間磁場(chǎng)微弱且完全不變,水平變化量和HZ變化就有數(shù)學(xué)關(guān)系。一開始水平時(shí),水平磁場(chǎng)總量是可以確定的一個(gè)矢量大小。如果原來(lái)中心點(diǎn)為某一固定磁場(chǎng)方向的矢量,在屏蔽桶傾斜時(shí),該固定磁場(chǎng)方向的變化與屏蔽桶完全一致,傳感器的感應(yīng)線圈方向即測(cè)量方向也隨著屏蔽桶一起發(fā)生方向變化。在傾斜時(shí)因?yàn)殍F芯仍然水平,因此進(jìn)入鐵芯的磁通量發(fā)生變化,所以在原傳感器測(cè)量的固定磁場(chǎng)方向上的水平總量大小發(fā)生變化,從而水平總量也發(fā)生相應(yīng)變化。

圖4 測(cè)斜儀傳感器磁場(chǎng)走向示意圖

由上文環(huán)形磁通門測(cè)量原理可以看出,環(huán)形磁通門傳感器測(cè)量的磁場(chǎng)為沿磁芯軸向的直流磁場(chǎng)。其2個(gè)次級(jí)線圈的輸出電壓差與磁通量的變化率成正比,因此當(dāng)鐵芯與傳感器感應(yīng)線圈軸向不一致時(shí),測(cè)量的磁場(chǎng)值的磁場(chǎng)方向?yàn)閭鞲衅鞲袘?yīng)線圈軸向的磁場(chǎng)方向。如圖4所示,傳感器斜置時(shí),鐵芯始終保持水平,在鐵芯方向存在直流磁場(chǎng),傳感器的磁場(chǎng)測(cè)量方向?yàn)楦袘?yīng)線圈的軸線方向。感應(yīng)線圈所感應(yīng)到的線圈軸向的磁通量變化與鐵中的磁通量變化成θ角。在外部磁場(chǎng)不變的情況下,傳感器中的磁通量總量不變。由平衡姿態(tài)測(cè)得的磁場(chǎng)和傾斜姿態(tài)時(shí)測(cè)得的磁場(chǎng)可計(jì)算得出測(cè)斜儀的傾角θ,并由傾角與雙分量磁場(chǎng)數(shù)據(jù)計(jì)算得出物體的各個(gè)姿態(tài)角。其只需采用了兩組雙分量磁場(chǎng)數(shù)據(jù)即4個(gè)測(cè)量參數(shù),進(jìn)行計(jì)算,并且雙分量環(huán)形磁通門傳感器幾何中心同點(diǎn),測(cè)量算法與正交補(bǔ)償算法得到有效的簡(jiǎn)化。

因傳感器轉(zhuǎn)動(dòng)后,測(cè)量坐標(biāo)軸原點(diǎn)不變,傳感器所測(cè)磁場(chǎng)磁通量不變,磁場(chǎng)方向不變,其在大地坐標(biāo)系O-XYZ中如圖5所示。

圖5 傳感器傾角

圖6 傾角角分解圖

因?yàn)閭鞲衅髟谄帘瓮皟?nèi)的相對(duì)位置不變,因此旋轉(zhuǎn)后的磁場(chǎng)的坐標(biāo)系O1-X1Y1Z1的原點(diǎn)與大地坐標(biāo)系O-XYZ的原點(diǎn)重合。傾斜后,屏蔽桶內(nèi)固有磁場(chǎng)方向隨著屏蔽桶的方向變化而變化,原磁場(chǎng)方向與傾斜后的磁場(chǎng)方向夾角即為傳感器傾角θ角。

(8)

由OZ1軸與OZ軸的夾角θ分解為OZ1軸與OZ軸的姿態(tài)角α與γ,如圖6所示。

(9)

航向角α為測(cè)量坐標(biāo)軸OX繞OZ軸旋轉(zhuǎn)的角度,橫滾角γ為測(cè)量坐標(biāo)軸OY繞OX軸旋轉(zhuǎn)的角度,俯仰角φ為測(cè)量坐標(biāo)軸OX繞OY軸旋轉(zhuǎn)的角度。

(10)

由方程(8)、(9)和矩陣方程(10)聯(lián)立得出航向角α,橫滾角γ,俯仰角φ。

基于新型測(cè)斜儀測(cè)量原理,針對(duì)現(xiàn)有磁性測(cè)斜儀傳感器幾何中心不重合以及測(cè)量算法和誤差矯正算法復(fù)雜的問(wèn)題,本文提出采用環(huán)型雙分量磁通門傳感器的新型磁性測(cè)斜儀傳感器。新型磁性測(cè)斜儀傳感器由磁通門傳感器和小型磁屏蔽桶組成,如圖7所示。在磁屏蔽桶的中央固定住環(huán)形磁通門傳感器,磁通門傳感器按水平面放置。

圖7 測(cè)斜儀傳感器結(jié)構(gòu)圖

圖8 環(huán)形磁通門傳感器內(nèi)側(cè)面剖視圖

為了能夠正確的測(cè)量鉆頭的姿態(tài)角變化,在測(cè)量磁場(chǎng)的時(shí)候,要對(duì)周圍的環(huán)境磁場(chǎng)干擾進(jìn)行屏蔽,使傳感器置于一個(gè)相對(duì)不變化的磁場(chǎng)中?？稍谄帘窝b置中設(shè)置霍爾姆斯線圈,人為產(chǎn)生磁場(chǎng)或者直接利用過(guò)磁化磁屏蔽桶中的剩磁,該剩磁由屏蔽桶材料磁化所引起的磁場(chǎng),其隨著屏蔽桶的方向變化而變化,其大小不變?cè)谄帘瓮爸醒氲拇艌?chǎng)方向相對(duì)于屏蔽桶是不變的。以該磁場(chǎng)被平行姿態(tài)時(shí)的傳感器所測(cè)得的磁場(chǎng)為基準(zhǔn),與傾斜姿態(tài)時(shí)傳感器測(cè)得的磁場(chǎng)進(jìn)行比較計(jì)算。

同時(shí)對(duì)于雙分量環(huán)形磁通門傳感器,我們采用環(huán)形空心骨架,在骨架中放置半桶硅油,再放入環(huán)形鐵芯薄皮,使鐵芯浮于硅油之上,如圖8所示。在傳感器發(fā)生姿態(tài)變化時(shí),即骨架偏離水平面時(shí),鐵芯仍然由于硅油液體的流動(dòng)來(lái)始終保持在水平位置。

4 測(cè)斜傳感器測(cè)試

本文對(duì)新型測(cè)斜儀進(jìn)行了試驗(yàn)測(cè)試,圖9為測(cè)試流程圖、圖10為測(cè)試用雙分量環(huán)形磁通門傳感器,三軸正交旋轉(zhuǎn)平臺(tái)及調(diào)試電路板的實(shí)物圖。

圖9 測(cè)試流程圖

圖10 測(cè)試用測(cè)斜傳感器實(shí)物圖

將雙分量環(huán)形磁通門傳感器置于屏蔽桶內(nèi)固定,用三軸正交旋轉(zhuǎn)平臺(tái)的固定夾固定屏蔽桶位置,首先調(diào)節(jié)三軸正交旋轉(zhuǎn)平臺(tái)水平面,使環(huán)形磁通門傳感器置于水平面之上。然后讀取第1組原始水平時(shí)磁場(chǎng)數(shù)據(jù)。其磁場(chǎng)數(shù)據(jù)使用上位機(jī)進(jìn)行磁場(chǎng)采集,采集頻率為6 s 1個(gè)磁場(chǎng)數(shù)據(jù)。在實(shí)際測(cè)量中,使傳感器靜止后測(cè)量其1 min的磁場(chǎng),磁場(chǎng)單位為nT。然后分別對(duì)其進(jìn)行10°,20°,25°傾斜,采取任意4組不同角度組合的姿態(tài),進(jìn)行磁場(chǎng)測(cè)量,測(cè)得磁場(chǎng)測(cè)量值。每個(gè)角度時(shí)靜止1 min,使采樣數(shù)據(jù)穩(wěn)定。

表1為測(cè)斜傳感器測(cè)磁數(shù)據(jù)。水平無(wú)傾斜數(shù)據(jù)為測(cè)斜傳感器置于三軸正交旋轉(zhuǎn)平臺(tái)調(diào)節(jié)至水平面時(shí)的數(shù)據(jù)。然后對(duì)三軸正交旋轉(zhuǎn)平臺(tái)進(jìn)行調(diào)節(jié)使測(cè)斜傳感器傾斜,三軸正交旋轉(zhuǎn)平臺(tái)調(diào)整至任取的4組角度時(shí)的實(shí)時(shí)磁場(chǎng)測(cè)量數(shù)據(jù),在每個(gè)角度固定保持1 min,以確保測(cè)磁傳感器的磁場(chǎng)數(shù)據(jù)穩(wěn)定。

表1 新型測(cè)斜儀傳感器磁場(chǎng)在各角度測(cè)量值

表2為測(cè)斜傳感器在三軸正交旋轉(zhuǎn)平臺(tái)上傾斜時(shí)的4組角度讀數(shù),有三軸正交旋轉(zhuǎn)平臺(tái)的角度表盤讀取,其精度為1°

表2 三軸正交旋轉(zhuǎn)平臺(tái)上的各個(gè)傾斜角度刻度值

表3為新型測(cè)斜儀測(cè)量計(jì)算出的傳感器的各個(gè)姿態(tài)的姿態(tài)角,其由上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算后得出。

表3 新型測(cè)斜儀計(jì)算所得傳感器的姿態(tài)角

比較表3中的計(jì)算數(shù)據(jù)與表2的三軸正交旋轉(zhuǎn)平臺(tái)的三組角度讀數(shù),可以看出,其誤差不超過(guò)0.5°,因此新型測(cè)斜儀精度符合日常測(cè)量需要。

由上文的數(shù)據(jù)表可以看出,其與三軸正交旋轉(zhuǎn)平臺(tái)上的刻度讀數(shù)基本一致,且傳感器穩(wěn)定性在1 nT,說(shuō)明新型測(cè)斜儀可以準(zhǔn)確測(cè)得傳感器的各個(gè)姿態(tài)的姿態(tài)角,且誤差小,精度高,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,具有實(shí)用價(jià)值。

5 結(jié)論

從上文可以得出,本文所研究的新型測(cè)斜傳感器,采用環(huán)形鐵芯設(shè)計(jì)和鐵芯不固定的方法,設(shè)計(jì)了固定于小型蔽桶中的雙分量環(huán)形磁通門傳感器,并通過(guò)鐵芯與磁通門傳感器的敏感軸方向上磁通量之間的角度關(guān)系,通過(guò)三維坐標(biāo)軸旋轉(zhuǎn)計(jì)算得出測(cè)量被測(cè)物體的俯仰角等姿態(tài)變化。其具有幾何中心同點(diǎn),鐵芯參數(shù)一致,測(cè)磁靈敏度一致的特點(diǎn)。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)表明,新型測(cè)斜傳感器能對(duì)物體的姿態(tài)角進(jìn)行精準(zhǔn)測(cè)量,精度高,且省去了加速度傳感器,簡(jiǎn)化了傳感器結(jié)構(gòu)和測(cè)量參數(shù),并且簡(jiǎn)化了角度測(cè)量算法與正交度補(bǔ)償算法,對(duì)被測(cè)物體傾斜角不大的的場(chǎng)合具有實(shí)用價(jià)值,對(duì)以后測(cè)斜儀的發(fā)展提出了新的方向。

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徐斌(1985-),男,上海海事大學(xué)物流工程學(xué)院在讀博士研究生,研究方向?yàn)榇艌?chǎng)測(cè)量,xubin725@sina.com;

顧偉(1958-),男,上海海事大學(xué),科學(xué)研究院,教授,博士生導(dǎo)師,現(xiàn)任上海海事大學(xué)科學(xué)研究院常務(wù)副院長(zhǎng)、航運(yùn)技術(shù)與控制工程交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任、上海市造船學(xué)會(huì)理事、中國(guó)電工學(xué)會(huì)船舶電氣委員會(huì)理事。主要研究方向?yàn)楦劭凇⒋白詣?dòng)化與機(jī)電一體化技術(shù)。主持和參加了上海市、交通部、企事業(yè)單位委托科研項(xiàng)目十多項(xiàng),獲中國(guó)航海科技三等獎(jiǎng)一項(xiàng)、上海市科技進(jìn)步獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)兩項(xiàng)及三等獎(jiǎng)兩項(xiàng)、安全生產(chǎn)科技成果獎(jiǎng)三等獎(jiǎng)一項(xiàng)。共申請(qǐng)專利23項(xiàng),其中發(fā)明專利14項(xiàng),實(shí)用新型9項(xiàng);獲得授權(quán)專利10項(xiàng),其中發(fā)明專利1項(xiàng),實(shí)用新型9項(xiàng)。在《IEEE transactions on IM》、《機(jī)械工程學(xué)報(bào)》、《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》、《儀器儀表學(xué)報(bào)》、《中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)》、《中國(guó)造船》等刊物發(fā)表論文近三十篇,其中EI、SCI、ISTP檢索論文近二十篇,weigu@shmtu.edu.cn。

ANewRing-CorewithSingle-IronDualComponentFluxgateSensor*

XUBin,GUWei*

(Logistics Engineering College,Shanghai Maritime Univ.,Shanghai 200135,China)

In the underground survey,drilling exploration and other fields,the clinometers is need to pose for bit accurate positioning and control,and for monitoring ground drill attitude change. The inclinometer is usually designed by three component fluxgate sensor with three-component acceleration sensor,and its structure is complex. Because the axial fluxgate sensor and acceleration sensor requirements direction,therefore it needs to manual adjustment and algorithm adjustment,so the computational difficulty of the sensor arrangement and compensation is increase. The fluxgate sensor is usually double core structure. Because the three component fluxgate sensor geometry center point and core parameters are inconsistent,the difficulty of the three component fluxgate sensor correction is further increase. This paper studied the new inclinometer by using the method of unfixed core and annular iron design. Through the angle relationship between flux on the sensitive axis direction of the magnetic fluxgate sensor with the iron core,the pose variation of the measured object is measured. It eliminates the acceleration sensor and simplify the sensor structure and parameters and simplifies the angle measurement algorithm and orthogonal compensation algorithm.

fluxgate sensor;ring-core;double component with the same point

項(xiàng)目來(lái)源:國(guó)家國(guó)際科技合作專項(xiàng)項(xiàng)目(2012DFG7150)

2014-05-08修改日期:2014-07-22

10.3969/j.issn.1004-1699.2014.09.015

TP212

:A

:1004-1699(2014)09-1232-06