一种用于TMR三轴集成磁传感器的分量解算方法技术

本发明专利技术公开了一种用于TMR三轴集成磁传感器的分量解算方法，本发明专利技术包括建立磁传感器的磁场三分量解耦校正模型；标定磁传感器坐标系得到x、y、z三轴方向；在磁传感器坐标系的基础上，标定磁传感器的敏感体安装角度偏差，得到任意一路敏感体的安装角度偏差θ

【技术实现步骤摘要】
一种用于TMR三轴集成磁传感器的分量解算方法
本专利技术涉及弱磁场传感
，具体涉及一种用于TMR三轴集成磁传感器的分量解算方法。
技术介绍
弱磁场传感技术广泛应用于磁性目标探测、地磁导航、磁存储、地质勘探、生物医学等军事和国民经济领域。随着军、民用磁信息获取的应用需求提升，发展具有高分辨率、高灵敏度、高正交性的三轴磁传感器具有重要意义。TMR(穿隧磁阻效应)三轴集成传感器综合采用了“磁变轨”(磁变轨结构可见于公开号为CN103116144A的中文专利文献)、磁场实时补偿(补偿线圈结构可见于公开号为CN103323794A的中文专利文献)、磁通调制(磁通调制结构可见于公开号为CN110286338A)等技术，抑制了磁滞、非线性及1/f噪声的影响，并且具有一体化程度及三轴正交性高的特点，具有成为小型化高性能三轴磁传感器的巨大优势(所涉及的三轴集成传感器整体结构可见于公开号为CN103323795A、CN103116143A的中国专利文献)。然而，TMR三轴集成传感器的高度集成对解算方式提出了较高的要求，但由于经典的三轴磁源线圈受技术工艺的限制，其正交度在0.1°左右，从而使得解算精度偏低，无法适应现代智能传感对更高精度和灵敏度的解算要求。因此，如何针对上述TMR三轴集成磁传感器提出一种新的分量解算方法以适应现代智能传感对更高精度和灵敏度的解算要求已成为一项亟待解决的关键技术问题。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题：针对现有技术的上述问题，提供一种用于TMR三轴集成磁传感器的分量解算方法，本专利技术提出了一种基于单轴磁源和三轴无磁转台的新型解耦解算方式，可实现高精度和高正交度的传感器三分量解算。为了解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案为：一种用于TMR三轴集成磁传感器的分量解算方法，该方法的步骤包括：1)建立磁传感器的磁场三分量解耦校正模型；2)标定磁传感器坐标系得到x、y、z三轴方向；3)在磁传感器坐标系的基础上，标定磁传感器的敏感体安装角度偏差，得到任意一路敏感体的安装角度偏差θi，其中i为磁传感器的通道序号，i的取值范围为1～4；标定磁传感器的变轨系数，得到任意一路敏感体的变轨系数γi；标定传感器的初始磁场，得到磁传感器任意一路敏感体的初始磁场V0i/(Siαi)；标定磁传感器线圈系数，得到磁传感器任意一路敏感体的补偿线圈自身励磁系数Lii和任意两路不同敏感体的补偿线圈之间耦合系数Lij；4)将标定好的参数代入磁场三分量解耦校正模型求解磁场三分量。可选地，步骤1)的详细步骤包括：分别建立磁场解耦数学模型、磁传感器误差校正模型，将磁场解耦数学模型、磁传感器误差校正模型两者叠加得到磁传感器的磁场三分量解耦校正模型。可选地，所述磁场解耦数学模型的函数表达式如下式所示：上式中，通式βk、ζk、ηk分别为实际磁场坐标系和磁传感器坐标系之间的映射系数，k取值范围为1～3；通式θi表示第i路敏感体的安装角度偏差，通式V0i/(Siαi)表示第i路敏感体的初始磁场，其中V0i为第i路的初始电压大小，Si为第i路的交流灵敏度，αi为第i路的调制效率，BX、BY、BZ分别为需要解算求解的实际磁场三分量，通式Ii表示第i路敏感体的补偿线圈电流；通式Lii表示第i路敏感体的补偿线圈自身的励磁系数；通式Lij表示第i,j路两路不同敏感体的补偿线圈之间的互耦系数；通式γi表示第i路敏感体的变轨系数，其中i为磁传感器的通道序号；可选地，所述磁传感器误差校正模型的函数表达式如下：上式中，BX、BY、BZ分别为待解算的实际磁场三分量，Lijx,Lijy,Lijz分别表示磁传感器不同补偿线圈之间耦合对磁场三分量的影响系数；ΔLij/Lij表示补偿线圈的耦合系数误差百分比，θix,θiy,θiz分别表示各敏感体工艺偏差角对磁场三分量的影响系数，Δθi/θi表示各路敏感体安装角度偏差百分比，γix,γiy,γiz分别为变轨系数误差对磁场三分量的影响系数；Δγi/γi表示各路变轨系数误差百分比，a1,a2,a3分别为初始磁场差异对磁场三分量的影响系数；Δ(V0i/Siαi)/(V0i/Siαi)表示各路初始磁场误差百分比，Liix,Liiy,Liiz分别为各补偿线圈自身励磁系数对磁场三分量的影响系数,ΔLii/Lii表示各路线圈励磁系数误差百分比。可选地，步骤2)的详细步骤包括：将磁传感器放置在单轴磁源形成固定方向的交流外磁场中，首先对任意选定的1号敏感体进行标定，转动三轴无磁转台外框、中框和内框的角度，观察1号敏感体输出，当1号敏感体的输出达到最大时，将此时1号敏感体所对应方向设为传感器坐标系x轴正方向；在此基础上再对相邻的2号敏感体进行标定，转动三轴无磁转台外框、中框和内框的角度，观察2号敏感体输出，当2号敏感体的输出达到最大时，将此时2号敏感体所对应方向为和传感器坐标系x轴正方向确定传感器坐标系的xoy平面，根据传感器坐标系x轴和xoy平面确定磁传感器坐标系y轴和z轴方向。可选地，步骤3)中标定磁传感器的敏感体安装角度偏差的详细步骤包括：在标定传感器坐标系的基础上，利用单轴磁源形成固定方向的交流外磁场，利用敏感体只会对某一特定方向上的磁场发生感应的特殊敏感性质，通过三轴无磁转台实现磁传感器的各个单路敏感体的对轴，标定各个单路敏感体的空间朝向，确定四路敏感体的空间角，并根据下式计算得到四路敏感体中任意一路敏感体的安装角度偏差θi；上式中，(cosθx1,cosθy1,cosθz1)和(cosθx2,cosθz2,cosθz2)分别表示两个敏感体的空间角。可选地，步骤3)中标定磁传感器的变轨系数的详细步骤包括：利用单轴磁源形成固定方向的交流外磁场，通过转动三轴无磁转台，实现磁传感器的变轨块垂向方向与标定磁场方向一致，并保持磁传感器的姿态固定不变，标定时改变交流外磁场的磁场大小ΔB，同时记录流经四路敏感体对应的补偿线圈的电流变化，并根据下式计算得到磁传感器四路变轨系数：上式中，γi表示第i路变轨系数，Lii表示第i路敏感体对应补偿线圈的自身励磁系数，ΔIi表示第i路敏感体对应的补偿线圈的电流变化，ΔB为标定时改变交流外磁场的磁场大小。可选地，步骤3)中标定传感器的初始磁场时，初始磁场的计算函数表达式如下式所示：上式中，BX、BY、BZ分别为待解算的实际磁场三分量，通式βk、ζk、ηk分别为实际磁场坐标系和磁传感器坐标系之间的映射系数，k取值范围为1～3；通式θi表示第i路敏感体的安装角度偏差，通式V0i/(Siαi)表示第i路敏感体的初始磁场，其中V0i为第i路的初始电压大小，Si为第i路的交流灵敏度，αi为第i路的调制效率，通式Ii表示第i路敏感体的补偿线圈电流；通式Lii表示第i路敏感体的补偿线圈自身的励磁系数；通式Lij表示第i,j路两路不同敏感体的补偿线圈之间的互耦系本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于TMR三轴集成磁传感器的分量解算方法，其特征在于，该方法的步骤包括：/n1)建立磁传感器的磁场三分量解耦校正模型；/n2)标定磁传感器坐标系得到x、y、z三轴方向；/n3)在磁传感器坐标系的基础上，标定磁传感器的敏感体安装角度偏差，得到任意一路敏感体的安装角度偏差θ

【技术特征摘要】
1.一种用于TMR三轴集成磁传感器的分量解算方法，其特征在于，该方法的步骤包括：
1)建立磁传感器的磁场三分量解耦校正模型；
2)标定磁传感器坐标系得到x、y、z三轴方向；
3)在磁传感器坐标系的基础上，标定磁传感器的敏感体安装角度偏差，得到任意一路敏感体的安装角度偏差θi，其中i为磁传感器的通道序号，i的取值范围为1～4；标定磁传感器的变轨系数，得到任意一路敏感体的变轨系数γi；标定传感器的初始磁场，得到磁传感器任意一路敏感体的初始磁场V0i/(Siαi)；标定磁传感器线圈系数，得到磁传感器任意一路敏感体的补偿线圈自身励磁系数Lii和任意两路不同敏感体的补偿线圈之间耦合系数Lij；
4)将标定好的参数代入磁场三分量解耦校正模型求解磁场三分量。


2.根据权利要求1所述的用于TMR三轴集成磁传感器的分量解算方法，其特征在于，步骤1)的详细步骤包括：分别建立磁场解耦数学模型、磁传感器误差校正模型，将磁场解耦数学模型、磁传感器误差校正模型两者叠加得到磁传感器的磁场三分量解耦校正模型。


3.根据权利要求2所述的用于TMR三轴集成磁传感器的分量解算方法，其特征在于，所述磁场解耦数学模型的函数表达式如下式所示：












上式中，通式βk、ζk、ηk分别为实际磁场坐标系和磁传感器坐标系之间的映射系数，k取值范围为1～3；通式θi表示第i路敏感体的安装角度偏差，通式V0i/(Siαi)表示第i路敏感体的初始磁场，其中V0i为第i路的初始电压大小，Si为第i路的交流灵敏度，αi为第i路的调制效率，BX、BY、BZ分别为需要解算求解的实际磁场三分量，通式Ii表示第i路敏感体的补偿线圈电流；通式Lii表示第i路敏感体的补偿线圈自身的励磁系数；通式Lij表示第i,j路两路不同敏感体的补偿线圈之间的互耦系数；通式γi表示第i路敏感体的变轨系数，其中i为磁传感器的通道序号。


4.根据权利要求3所述的用于TMR三轴集成磁传感器的分量解算方法，其特征在于，所述磁传感器误差校正模型的函数表达式如下：


















上式中，BX、BY、BZ分别为待解算的实际磁场三分量，Lijx,Lijy,Lijz分别表示磁传感器不同补偿线圈之间耦合对磁场三分量的影响系数；ΔLij/Lij表示补偿线圈的耦合系数误差百分比，θix,θiy,θiz分别表示各敏感体工艺偏差角对磁场三分量的影响系数，Δθi/θi表示各路敏感体安装角度偏差百分比，γix,γiy,γiz分别为变轨系数误差对磁场三分量的影响系数；Δγi/γi表示各路变轨系数误差百分比，a1,a2,a3分别为初始磁场差异对磁场三分量的影响系数；Δ(V0i/Siαi)/(V0i/Siαi)表示各路初始磁场误差百分比，Liix,Liiy,Liiz分别为各补偿线圈自身励磁系数对磁场三分量的影响系数,ΔLii/Lii表示各路线圈励磁系数误差百分比。


5.根据权利要求1所述的用于TMR三轴集成磁传感器的分量解算方法，其特征在于，步骤2)的详细步骤包括：将磁传感器放置在单轴磁源形成固定方向的交流外磁场中，首先对任意选定的1号敏感体进行标定，转动三轴无磁转台外框、中框和内框的角度，观察1号敏感体输出，当1号敏感体的输出达到最大时，将此时1号敏感体所对应方向设为传感器坐标系x轴正方向；在此基础上再对相邻的2号敏感体进行标定，转动三轴无磁转台外框、中框和内框的角度，观察2号敏感体输出，当2号敏感体的输出达到最大时，将此时2号敏感体所对应方...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡佳飞，潘孟春，张琦，李裴森，张君盛，杜青法，彭俊平，邱伟成，陈棣湘，
申请(专利权)人：中国人民解放军国防科技大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43