本發(fā)明涉及船用產(chǎn)品檢測(cè)領(lǐng)域，尤其涉及一種提供穩(wěn)定地磁場(chǎng)環(huán)境的裝置和方法。
背景技術(shù)：
船用磁羅經(jīng)是重要的航海指向儀器，一般船舶至少安裝一臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)磁羅經(jīng)或一臺(tái)操舵羅經(jīng)。1977年國(guó)際海事組織(IMO)規(guī)定，在駕駛艙內(nèi)安裝的航行和通信設(shè)備必須提供與羅經(jīng)安全距離。地球磁場(chǎng)和船舶環(huán)境磁場(chǎng)會(huì)引起船舶駕駛艙通導(dǎo)儀表磁化，羅經(jīng)在該磁力作用下會(huì)產(chǎn)生偏差，使之偏離磁子午線的方向。為測(cè)定具有該類影響的通訊導(dǎo)行儀器儀表與羅經(jīng)之間的最小距離，即羅經(jīng)偏差滿足航海要求的安全距離，就需要提供該測(cè)量時(shí)所需相對(duì)穩(wěn)定的地磁場(chǎng)環(huán)境。
羅經(jīng)安全距離的測(cè)試是利用地球磁場(chǎng)強(qiáng)度與角度的關(guān)系，將對(duì)角度的測(cè)量轉(zhuǎn)化為對(duì)磁場(chǎng)強(qiáng)度的測(cè)量，在測(cè)得磁場(chǎng)強(qiáng)度的同時(shí)讀取受試儀器儀表各單元與磁強(qiáng)計(jì)的距離。一般測(cè)試時(shí)，要求選一個(gè)除了地磁場(chǎng)外無(wú)其他磁干擾的空曠地方，即要求提供一個(gè)穩(wěn)定的地磁場(chǎng)環(huán)境。一種實(shí)現(xiàn)方式是：在實(shí)驗(yàn)室中通過(guò)鋼板，硅鋼片和坡莫合金建立地磁屏蔽的實(shí)驗(yàn)室，然后在屏蔽室內(nèi)人工搭建需要的地磁場(chǎng)，該方法的缺點(diǎn)是造價(jià)過(guò)高，占地面積大，施工周期長(zhǎng)，設(shè)備無(wú)法移動(dòng)，不便于測(cè)試大型設(shè)備，優(yōu)點(diǎn)是磁場(chǎng)環(huán)境穩(wěn)定，可以根據(jù)需要模擬地球不同經(jīng)緯度磁場(chǎng)。另一種實(shí)現(xiàn)方式是，根據(jù)地磁變化規(guī)律和外界環(huán)境變化，選擇在夜間，人車等活動(dòng)少的時(shí)間段，對(duì)測(cè)試精度要求不高和忽略外界干擾地磁場(chǎng)來(lái)測(cè)量，這種方法的缺點(diǎn)是收到測(cè)試時(shí)間的限制。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明提供一種提供穩(wěn)定地磁場(chǎng)環(huán)境的裝置和方法，通過(guò)三軸磁傳感器監(jiān)測(cè)外界磁場(chǎng)環(huán)境變化，時(shí)時(shí)補(bǔ)償?shù)胶ツ坊羝澗€圈中，以補(bǔ)償外界磁場(chǎng)的變化，從而提供磁羅經(jīng)安全距離測(cè)試所需的穩(wěn)定地磁場(chǎng)環(huán)境，本發(fā)明造價(jià)較低，易于實(shí)現(xiàn)，利于提高測(cè)量精度，不受測(cè)試時(shí)間場(chǎng)地限制。
為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供一種提供穩(wěn)定地磁場(chǎng)環(huán)境的裝置，包含：
多個(gè)三軸磁傳感器，其設(shè)置在磁羅經(jīng)安全距離測(cè)試所需的穩(wěn)定地磁場(chǎng)測(cè)試環(huán)境周圍，該三軸磁傳感器用于測(cè)量穩(wěn)定地磁場(chǎng)測(cè)試環(huán)境周圍的三個(gè)相互垂直方向上的磁場(chǎng)；
多個(gè)磁信號(hào)處理模塊，每個(gè)磁信號(hào)處理模塊分別電性連接一個(gè)三軸磁傳感器，用于將三軸磁傳感器測(cè)量到的磁場(chǎng)信號(hào)轉(zhuǎn)換為線性電信號(hào)；
多路信號(hào)合成模塊，其電性連接所有的磁信號(hào)處理模塊，用于根據(jù)多路線性電信號(hào)疊加計(jì)算外界磁場(chǎng)變化的三個(gè)相互垂直的分量；
三個(gè)電流放大模塊，其電性連接多路信號(hào)合成模塊，用于將三個(gè)磁場(chǎng)變化分量分別轉(zhuǎn)換為相對(duì)應(yīng)的電流源信號(hào)；
三維亥姆霍茲線圈，其電性連接三個(gè)電流放大模塊，用于根據(jù)電流源信號(hào)補(bǔ)償外界變化磁場(chǎng)，以形成穩(wěn)定地磁場(chǎng)環(huán)境。
若三軸磁傳感器的數(shù)量大于一個(gè)，則將所有的三軸磁傳感器均勻設(shè)置在測(cè)試環(huán)境周圍，若三軸磁傳感器的數(shù)量為一個(gè)，則將該三軸磁傳感器設(shè)置在五分鐘內(nèi)磁場(chǎng)變化量大于500nT的區(qū)域。
所述的多路信號(hào)合成模塊采用上位機(jī)。
所述的三維亥姆霍茲線圈的形狀為雙數(shù)多邊形或圓形。
本發(fā)明還提供一種提供穩(wěn)定地磁場(chǎng)環(huán)境的方法，包含以下步驟：
步驟S1、三軸磁傳感器測(cè)量周圍環(huán)境的三個(gè)相互垂直方向上的磁場(chǎng)；
步驟S2、磁信號(hào)處理模塊將三軸磁傳感器測(cè)量到的磁場(chǎng)信號(hào)轉(zhuǎn)換為線性電信號(hào)；
步驟S3、多路信號(hào)合成模塊根據(jù)多路線性電信號(hào)疊加計(jì)算外界磁場(chǎng)變化的三個(gè)相互垂直的分量；
步驟S4、電流放大模塊將多路信號(hào)合成模塊輸出的三個(gè)磁場(chǎng)變化分量轉(zhuǎn)換為相對(duì)應(yīng)的電流源信號(hào)；
步驟S5、三維亥姆霍茲線圈根據(jù)電流源信號(hào)補(bǔ)償外界變化磁場(chǎng)，以形成穩(wěn)定地磁場(chǎng)環(huán)境。
磁信號(hào)處理模塊同時(shí)將磁場(chǎng)信號(hào)中的噪音信號(hào)去除。
所述的步驟S3中，疊加計(jì)算磁場(chǎng)分量的方法包含：均值計(jì)算法和比例系數(shù)計(jì)算法。
本發(fā)明通過(guò)三軸磁傳感器監(jiān)測(cè)外界磁場(chǎng)環(huán)境變化，時(shí)時(shí)補(bǔ)償?shù)胶ツ坊羝澗€圈中，以補(bǔ)償外界磁場(chǎng)的變化，從而提供磁羅經(jīng)安全距離測(cè)試所需的穩(wěn)定地磁場(chǎng)環(huán)境，本發(fā)明造價(jià)較低，易于實(shí)現(xiàn)，利于提高測(cè)量精度，不受測(cè)試時(shí)間場(chǎng)地限制。
附圖說(shuō)明
圖1是本發(fā)明提供的一種提供穩(wěn)定地磁場(chǎng)環(huán)境的裝置的結(jié)構(gòu)示意圖
具體實(shí)施方式
以下根據(jù)圖1具體說(shuō)明本發(fā)明的較佳實(shí)施例。
如圖1所示，本發(fā)明提供一種提供穩(wěn)定地磁場(chǎng)環(huán)境的裝置，包含：
多個(gè)三軸磁傳感器1，其設(shè)置在磁羅經(jīng)安全距離測(cè)試所需的穩(wěn)定地磁場(chǎng)測(cè)試環(huán)境周圍，該三軸磁傳感器1用于測(cè)量穩(wěn)定地磁場(chǎng)測(cè)試環(huán)境周圍的三個(gè)相互垂直方向上的磁場(chǎng)；
多個(gè)磁信號(hào)處理模塊2，每個(gè)磁信號(hào)處理模塊2分別電性連接一個(gè)三軸磁傳感器1，用于將三軸磁傳感器測(cè)量到的磁場(chǎng)信號(hào)轉(zhuǎn)換為線性電信號(hào)；
多路信號(hào)合成模塊3，其電性連接所有的磁信號(hào)處理模塊2，用于根據(jù)多路線性電信號(hào)疊加計(jì)算外界磁場(chǎng)變化的三個(gè)相互垂直的分量；
三個(gè)電流放大模塊4，其電性連接多路信號(hào)合成模塊3，用于將三個(gè)磁場(chǎng)變化分量分別轉(zhuǎn)換為相對(duì)應(yīng)的電流源信號(hào)；
三維亥姆霍茲線圈5，其電性連接三個(gè)電流放大模塊4，用于根據(jù)電流源信號(hào)補(bǔ)償外界變化磁場(chǎng)，以形成穩(wěn)定地磁場(chǎng)環(huán)境。
所述的三軸磁傳感器可測(cè)量三個(gè)方向相互垂直的磁場(chǎng)，本實(shí)施例中，采用的三軸磁傳感器的測(cè)量分辨率為10nT以下，量程不小于100000nT。
若三軸磁傳感器的數(shù)量大于一個(gè)，則將所有的三軸磁傳感器均勻設(shè)置在測(cè)試環(huán)境周圍，若三軸磁傳感器的數(shù)量為一個(gè)，則將該三軸磁傳感器設(shè)置在五分鐘內(nèi)磁場(chǎng)變化量大于500nT的區(qū)域，三軸磁傳感器的數(shù)量越多，磁場(chǎng)測(cè)試精度越大。
所述的多路信號(hào)合成模塊可以采用上位機(jī)。
所述的三維亥姆霍茲線圈是由三個(gè)相互垂直的線圈組成，用以補(bǔ)償外界變化磁場(chǎng)，該三維亥姆霍茲線圈的形狀為雙層圓形，線圈的匝數(shù)和大小與磁場(chǎng)的均勻區(qū)的大小有關(guān)。
磁場(chǎng)強(qiáng)度B
式中μ0＝4π·10-7H/m，N為線圈匝數(shù)，I為線圈上通的直流電流，R為亥姆霍茲線圈半徑，Y為亥姆霍茲兩個(gè)線圈中心點(diǎn)連線的中點(diǎn)為坐標(biāo)的原點(diǎn)。
本發(fā)明還提供一種提供穩(wěn)定地磁場(chǎng)環(huán)境的方法，包含以下步驟：
步驟S1、三軸磁傳感器測(cè)量周圍環(huán)境的三個(gè)相互垂直方向上的磁場(chǎng)；
步驟S2、磁信號(hào)處理模塊將三軸磁傳感器測(cè)量到的磁場(chǎng)信號(hào)轉(zhuǎn)換為線性電信號(hào)；
磁信號(hào)處理模塊同時(shí)將磁場(chǎng)信號(hào)中的噪音信號(hào)去除，使數(shù)據(jù)具有較好的線性度；
步驟S3、多路信號(hào)合成模塊根據(jù)多路線性電信號(hào)疊加計(jì)算外界磁場(chǎng)變化的三個(gè)相互垂直的分量；
步驟S4、電流放大模塊將多路信號(hào)合成模塊輸出的三個(gè)磁場(chǎng)變化分量轉(zhuǎn)換為相對(duì)應(yīng)的電流源信號(hào)；
電流源信號(hào)大小與輸入的磁場(chǎng)變化量大小成正比關(guān)系，與外界亥姆霍茲線圈阻抗無(wú)關(guān)；
步驟S5、三維亥姆霍茲線圈根據(jù)電流源信號(hào)補(bǔ)償外界變化磁場(chǎng)，以形成穩(wěn)定地磁場(chǎng)環(huán)境。
所述的步驟S3中，疊加計(jì)算磁場(chǎng)分量的方法包含：均值計(jì)算法和比例系數(shù)計(jì)算法。
所述的上位機(jī)采用均值計(jì)算法計(jì)算磁場(chǎng)分量的方法包含：
1、將磁信號(hào)處理模塊輸出的多路線性電信號(hào)(模擬信號(hào))轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)；
2、通過(guò)濾波方式去除非正常信號(hào)；
3、根據(jù)三軸磁傳感器的數(shù)量對(duì)數(shù)字信號(hào)取平均值，獲得外界磁場(chǎng)變化的X/Y/Z三個(gè)相互垂直方向的分量；
4、將獲得外界磁場(chǎng)變化的X/Y/Z三個(gè)相互垂直方向的分量經(jīng)過(guò)數(shù)模變換，輸出三個(gè)方向的模擬控制量。
所述的上位機(jī)采用比例系數(shù)計(jì)算法計(jì)算磁場(chǎng)分量的方法包含：
1、將磁信號(hào)處理模塊輸出的多路線性電信號(hào)(模擬信號(hào))轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)；
2、通過(guò)濾波方式去除非正常信號(hào)；
3、根據(jù)磁場(chǎng)變化數(shù)值在X/Y/Z三方向分量，按照由大到小排列分別為ΔT1,ΔT2,…ΔTn，去除最大最小變化磁場(chǎng)值ΔT1,ΔTn，計(jì)算外界磁場(chǎng)變化的X/Y/Z三個(gè)相互垂直方向的分量ΔT：
ΔT＝(ΔT2*0.9+ΔT3*0.8+ΔT4…ΔTn-3+ΔTn-2*1.2+ΔTn-1*1.1)/n-2，n≥4；
ΔT＝(ΔT1+…+ΔTn)/n，n≤3；
4、將獲得外界磁場(chǎng)變化的X/Y/Z三個(gè)相互垂直方向的分量經(jīng)過(guò)數(shù)模變換，輸出三個(gè)方向的輸出三個(gè)方向的模擬控制量。
本發(fā)明通過(guò)三軸磁傳感器監(jiān)測(cè)外界磁場(chǎng)環(huán)境變化，時(shí)時(shí)補(bǔ)償?shù)胶ツ坊羝澗€圈中，以補(bǔ)償外界磁場(chǎng)的變化，從而提供磁羅經(jīng)安全距離測(cè)試所需的穩(wěn)定地磁場(chǎng)環(huán)境，本發(fā)明造價(jià)較低，易于實(shí)現(xiàn)，利于提高測(cè)量精度，不受測(cè)試時(shí)間場(chǎng)地限制。
盡管本發(fā)明的內(nèi)容已經(jīng)通過(guò)上述優(yōu)選實(shí)施例作了詳細(xì)介紹，但應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到上述的描述不應(yīng)被認(rèn)為是對(duì)本發(fā)明的限制。在本領(lǐng)域技術(shù)人員閱讀了上述內(nèi)容后，對(duì)于本發(fā)明的多種修改和替代都將是顯而易見的。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)由所附的權(quán)利要求來(lái)限定。