[发明专利]一种三轴磁传感器磁轴垂直度的标定方法

权利要求书

1.一种三轴磁传感器磁轴垂直度的标定方法，采用三维磁场发生器和无磁转台，所述的三维磁场发生器由三组相互正交的赫姆霍兹线圈及相应的程控恒流源组成，程控恒流源由计算机控制，产生相应的恒定或预期变化的电流，从而在三组相互正交的赫姆霍兹线圈中心指定的局部空间，产生预期、可控的三维磁场，采用外加固定大磁场、通过记录传感器输出过零位置，进而进行计算得到标定数据，其特征在于，方法如下：

首先把三维磁场发生器和无磁转台安装好，并把需要标定的磁传感器固定在无磁转台上，由三维磁场发生器给出一个从上到下的大磁场，使得磁传感器处在磁场中，该磁场大小远大于环境磁场，使得磁传感器各测量轴测得的该磁场分量的数值不为0即为满量程，以提高过零的灵敏度并消除环境磁场的影响；

坐标系定义如下：选取惯性坐标系为外环坐标系O₀-x₀y₀z₀：坐标原点O₀在无磁转台的旋转中心上，z₀轴指向磁场发生装置的竖直方向，与竖直方向产生的磁场方向平行，x₀轴指向水平方向与磁场发生装置一个产生水平磁场的方向平行，y₀轴与x₀轴、z₀轴成右手正交坐标系，选取无磁转台初始状态，定义外环轴指向x₀轴方向、中环轴指向y₀轴方向、内环轴指向z₀轴方向时的状态为无磁转台初始状态，选取与中环框架固连的中环坐标系O₁-x₁y₁z₁：坐标原点O₁在无磁转台的旋转中心上，初始时刻与O₀-x₀y₀z₀重合；选取与内环框架固连的内环坐标系O₂-x₂y₂z₂：坐标原点O₂在无磁转台的旋转中心上，初始时刻与O₁-x₁y₁z₁重合；选取与夹具框架固连的目标坐标系O₃-x₃y₃z₃：坐标原点O₃在无磁转台的旋转中心上，初始时刻与O₂-x₂y₂z₂重合；选取非正交磁轴坐标系O-m n p，坐标原点O在无磁转台的旋转中心上，m、n、p分别为三轴磁传感器三个磁轴的真实方向。

通过给定的z₀方向的外加磁场，旋转无磁转台的3个轴，使得传感器，m、n轴输出为0，记录无磁转台3轴角度值；再旋转无磁转台的3个轴，使得传感器m、p轴输出为0，记录无磁转台3轴角度值；继续旋转无磁转台的3个轴，使得传感器n、p轴输出为0，记录无磁转台3轴角度值，O-m n p各轴方向的单位矢量om在O₃-x₃y₃z₃中的坐标为r₁₁，r₂₁，r₃₁；on在O₃-x₃y₃z₃中的坐标为r₁₂，r₂₂，r₃₂；op在O₃-x₃y₃z₃中的坐标为r₁₃，r₂₃，r₃₃；

则有：

r112+r212+r312=1---(1)]]>

r122+r222+r322=1---(2)]]>

r132+r232+r332=1---(3)]]>

且从O-m n p到O₃-x₃y₃z₃的坐标变换为：

RT3=r11r12r13r21r22r23r31r32r33---(4)]]>

从O₃-x₃y₃z₃到O₂-x₂y₂z₂的坐标变换为：

R32=cosγ-sinγ0sinγcosγ0001---(5)]]>

从O₂-x₂y₂z₂到O₁-x₁y₁z₁的坐标变换为：

R21=cosβ0sinβ010-sinβ0cosβ---(6)]]>

从O₁-x₁y₁z₁到O₀-x₀y₀z₀的坐标变换为：

R10=1000cosα-sinα0sinαcosα---(7)]]>

从O-mnp到O₀-x₀y₀z₀的坐标变换为：

⁰R_T＝⁰R₁¹R₂²R₃³R_T    (8)

其中：

α为从初始状态到终止状态无磁转台外环轴转过的角度，三次试验转过的角度分别为α₁、α₂、α₃；

β为从初始状态到终止状态无磁转台中环轴转过的角度，三次试验转过的角度分别为β₁、β₂、β₃；

γ为从初始状态到终止状态无磁转台内环轴转过的角度，三次试验转过的角度分别为γ₁、γ₂、γ₃；

对应于三次试验的旋转角度，三次试验从O-mnp到O₀-x₀y₀z₀的坐标变换分别为⁰R_T1、⁰R_T2、⁰R_T3；

记外加磁场强度为H，终止状态下外加磁场沿磁传感器三轴方向的磁场分量分别为h_m、h_n、h_p，

则有：

00H=RT1000hp---(9)]]>

00H=RT200hn0---(10)]]>

00H=RT30hm00---(11)]]>

由(9)可得：

cosβ₁cosγ₁r₁₃-cosβ₁sinγ₁r₂₃+sinβ₁r₃₃＝0    (12)

(sinα₁sinβ₁cosγ₁+cosα₁sinγ₁)r₁₃+(-sinα₁sinβ₁sinγ₁+cosα₁cosγ₁)r₂₃-sinα₁cosβ₁r₃₃＝0(13)

由(10)可得：

cosβ₂cosγ₂r₁₂-cosβ₂sinγ₂r₂₂+sinβ₂r₃₂＝0    (14)

(sinα₂sinβ₂cosγ₂+cosα₂sinγ₂)r₁₂+(-sinα₂sinβ₂sinγ₂+cosα₂cosγ₂)r₂₂-sinα₂cosβ₂r₃₂＝0(15)

由(11)可得：

cosβ₃cosγ₃r₁₁-cosβ₃sinγ₃r₂₁+sinβ₃r₃₁＝0    (16)

(sinα₃sinβ₃cosγ₃+cosα₃sinγ₃)r₁₁+(-sinα₃sinβ₃sinγ₃+cosα₃cosγ₃)r₂₁-sinα₃cosβ₃r₃₁＝0(17)

解由方程(1)-(3)，方程(12)-(17)所组成的齐次方程组，可以解出³R_T，即传感器三个磁轴相对于传感器固定坐标系的标定矩阵。

2.根据权利要求1所述的一种三轴磁传感器磁轴垂直度的标定方法，其特征在于：对需要标定的磁传感器，当环境磁场的影响无法忽略，则需要一个磁屏蔽室，标定设备安装在磁屏蔽室内。