一种基于磁场的无线三维倾角传感器及其检测方法技术

本发明专利技术公开了一种基于磁场的无线三维倾角传感器及其检测方法，涉及测量技术领域，包括外壳，在所述外壳内包括电源、两个微型三轴磁力计、数据接口、滤波器、微控制器、通信控制器和通信模块，所述电源分别与两个微型三轴磁力计连接，所述微型三轴磁力计、数据接口、滤波器、微控制器、通信控制器和通信模块顺次连接。本发明专利技术的有益效果在于：构造简单，可在土体、水中、岩石内使用，地球磁场不易受外界信号干扰，不需要用单片机进行数据处理，成本低廉，能广泛应用于室内、建筑物、水、泥土、岩土等各种环境中倾角的测量，且操作简单、性能稳定。实现了精确数据测量，为后续的三维倾角的计算提供数据支持。

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】本专利技术公开了，涉及测量
，包括外壳，在所述外壳内包括电源、两个微型三轴磁力计、数据接口、滤波器、微控制器、通信控制器和通信模块，所述电源分别与两个微型三轴磁力计连接，所述微型三轴磁力计、数据接口、滤波器、微控制器、通信控制器和通信模块顺次连接。本专利技术的有益效果在于：构造简单，可在土体、水中、岩石内使用，地球磁场不易受外界信号干扰，不需要用单片机进行数据处理，成本低廉，能广泛应用于室内、建筑物、水、泥土、岩土等各种环境中倾角的测量，且操作简单、性能稳定。实现了精确数据测量，为后续的三维倾角的计算提供数据支持。【专利说明】
本专利技术属于测量
，涉及一种基于磁场的无线三维倾角传感器及其检测方 法。
技术介绍
倾角传感器广泛应用于建筑、地质、航空、交通、矿产钻探、石油钻井、军事等诸多 领域，在仪器科学领域有重要的地位。传统倾角传感器的测量方式有固体摆式、液体摆式、 气体摆式等，主要基于重力场的变化实现倾角测量，诸多学者基于上述测量原理改进研制 了不同的倾角传感器，如液态介质差动电容式倾角传感器、加速度式倾角传感器、导电液倾 角传感器、光纤布拉格光栅倾角传感器等，但存在不利于传感器小型化、材料选用范围有 限、加工生产工艺较复杂等缺点，且大多具有非线性的问题，需要单片机进行数据处理和非 线性校正，影响成本和测量精度。另一方面，上述倾角传感器通常仅测量一个方向或两个方 向的倾角，难以测量三维倾角。 随着光纤传感器技术的发展，采用光纤传感技术改进的光纤陀螺仪，克服了陀螺 仪在倾角传感器测量方面的累积误差漂移等缺点，可实现三维倾角的高精度、快速测量， 具有可承载高动态环境、线性度好、稳定性高等优点，但目前大多应用在军用领域，在民用 领域的光纤陀螺仪精度被大幅度降低，且其成本尚需进一步降低。通过光纤激光器可实 现三维倾角的精确测量，但目前成本过高，仅应用在极少数军事工业领域。基于微机电系 (Micro-Electro-Mechanical Systems, MEMS)和微加速度传感器、气体摆传感器制作的倾 角传感器已得到广泛的研究，如果大规模应用在民用领域尚需进一步考虑价格并降低生产 工艺的复杂程度，且不适合恶劣环境下长期工作。 基于地磁场的磁场定位和磁力勘探，目前逐渐应用到水下目标定位与导航、金属 物探、水域探测、城市工程物探、考古以及军事物探等方面，具有隐蔽性好、适应性强、不易 受干扰等优点。随着高性能三轴磁力计的发展及小型化，目前可采用磁传感器通过地磁场 的测量实现运动物体相对地磁北的方向角监测，已应用在腹腔镜微创手术和钻孔倾斜等领 域的研究或应用，但仅为一维角度的测量，且构造过于复杂。总体而言，基于地磁场的磁测 技术构造倾角传感器是一项值得借鉴的研究方法。 鉴于亟需一种可在恶劣环境下服役、且操作简单、价格低廉的三维倾角传感器的 现状，针对磁测技术可穿透水、岩石和土体，且适应恶劣环境下全天候工作的特征，本专利技术 采用三轴磁力计构造一种简单、使用方便的无线三维倾角传感器及其检测方法。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术要解决的技术问题在于提供一种基于磁场的无线三维倾角传感 器及其检测方法，基于磁场的无线三维倾角传感器构造简单，成本低廉，可以在室内、建筑 物、水、泥土、岩土等各种环境中服役。 本专利技术通过以下技术手段解决上述技术问题： -种基于磁场的无线三维倾角传感器，包括外壳，在所述外壳内包括电源、两个微 型三轴磁力计、数据接口、滤波器、微控制器、通信控制器和通信模块，所述电源分别与两个 微型三轴磁力计连接，所述微型三轴磁力计、数据接口、滤波器、微控制器、通信控制器和通 信模块顺次连接。 进一步，所述外壳为长方体； 进一步，所述两个微型三轴磁力计分别位于无线三维无线倾角传感器的两端，所 述两个微型三轴磁力计的X、y和Z轴一致且x、y和Z轴分别与所述无线三维倾角传感器的 长度、览度、1?度方向平灯； 进一步，所述滤波器采用陷波滤波器； 进一步，所述外壳为工程塑料外壳； 进一步，所述通信模块为无线通信装置； 一种利用基于磁场的无线三维倾角传感器检测倾角的方法，具体包括： 步骤一：定义地磁坐标系为0ΧΥΖ，其中，北向N水平分量为X轴、东向E水平分量 为Y轴、垂直D分量为Z轴，根据国际地磁场模型，得到地磁场感应强度的三分量计算值为 (B x, Βγ, Βζ)； 步骤二：定义无线三维倾角传感器实测的坐标系为oxyz,其中，χ轴、y轴和ζ轴分 别为无线三维倾角传感器的长度、宽度和高度方向，所述无线三维倾角传感器的起始坐标 系与地磁坐标系0ΧΥΖ平行，0ΧΥΖ坐标绕Ζ轴转动Θ角度得到坐标系ΟΧ' γ' Ζ，再绕的 X'轴转动φ角度得到坐标系ΟΧ' Υ'，最后绕Yi轴转动妒角度得到坐标系，得到 oxyz标系，第一微型三轴磁力计和第二微型三轴磁力计实测的磁感应强度的三分量分别为 (Bxl，Byl，Bzl)和（Bx2，B y2，Bz2); 步骤三：根据三维坐标转换，所述实测磁感应强度与地磁感应强度的关系： 【权利要求】1. 一种基于磁场的无线三维倾角传感器，包括外壳，其特征在于：在所述外壳内包括 电源、两个微型三轴磁力计、数据接口、滤波器、微控制器、通信控制器和通信模块，所述电 源分别与两个微型三轴磁力计连接，所述微型三轴磁力计、数据接口、滤波器、微控制器、通 信控制器和通信模块顺次连接。2. 如权利要求1所述的基于磁场的无线三维倾角传感器，其特征在于：所述外壳为长 方体。3. 如权利要求1所述的基于磁场的无线三维倾角传感器，其特征在于：所述两个微型 三轴磁力计分别位于无线三维无线倾角传感器的两端，所述两个微型三轴磁力计的X、y和 z轴一致且X、y和z轴分别与所述无线三维倾角传感器的长度、宽度、高度方向平行。4. 如权利要求1所述的基于磁场的无线三维倾角传感器，其特征在于：所述滤波器采 用陷波滤波器。5. 如权利要求1所述的基于磁场的无线三维倾角传感器，其特征在于：所述外壳采用 工程塑料外壳。6. 如权利要求1所述的基于磁场的无线三维倾角传感器，其特征在于：所述通信模块 为无线通信装置。7. -种利用基于磁场的无线三维倾角传感器的检测方法，其特征在于：具体包括： 步骤一：定义地磁坐标系为OXYZ，其中，北向N水平分量为X轴、东向E水平分量为Y 轴、垂直D分量为Z轴，据国际地磁场模型，得到地磁场感应强度的三分量计算值为（BX，BY， Bz); 步骤二：定义无线三维倾角传感器实测的坐标系为oxyz，其中，x轴、y轴和z轴分别 为无线三维倾角传感器的长度、宽度和高度方向，所述无线三维倾角传感器的起始坐标系 与地磁坐标系0XYZ平行，0XYZ坐标绕Z轴转动Θ角度得到坐标系ΟΧ' γ' Z，再绕的X' 轴转动Φ角度得到坐标系〇Χ< ，最后绕Yi轴转动-角度得到0XJA坐标系，得到 oxyz标系，第一微型三轴磁力计和第二微型三轴磁力计实测的磁感应强度的三分量分别为 (Bxl，Byl，Bzl)和（Bx2，B y2，Bz2); 步骤三：根据三维坐标转换，所述实测磁感应强度与地磁感应强度的关系：其中，（Bx，By本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于磁场的无线三维倾角传感器，包括外壳，其特征在于：在所述外壳内包括电源、两个微型三轴磁力计、数据接口、滤波器、微控制器、通信控制器和通信模块，所述电源分别与两个微型三轴磁力计连接，所述微型三轴磁力计、数据接口、滤波器、微控制器、通信控制器和通信模块顺次连接。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：江胜华，江文华，吕高，
申请(专利权)人：江胜华，
类型：发明
国别省市：湖北;42