坑道水核磁共振探测激发磁场计算与测试方法研究

提出一种测量激发场垂直于地磁场分量的测量方法：应用固定线圈电磁感应法测量激发场,应用磁通门传感器测量地磁场,通过矢量运算求解激发场垂直于地磁场的分量。制作了激发场测量装置,通过对比激发场的径向分量和轴向分量的理论计算值和实测值,验证测量装置有效性。分析固定点处激发场垂直于地磁场的分量受线圈布设方向的影响,推导出固定点处激发场垂直于地磁场的分量取最大值时线圈布设角度求解方法,为实际探测线圈布设方向提供理论指导。     

双分量环形磁通门测斜传感器测量原理分析

在地下勘测,钻井探矿等领域,需要测斜仪对钻头的姿态进行精确定位与控制,实时监测地底下钻头的姿态变化。现有的测斜仪通常为三分量磁通门传感器与三分量加速度传感器相结合,其结构复杂,且磁通门传感器与加速度传感器的轴向要求方向一致,因此需要人工调节与算法调节,加大了前期传感器布置与补偿的计算难度。本文研究了新型测斜传感器,采用环形铁芯设计和铁芯不固定的方法,设计了双分量环形磁通门传感器,并通过铁芯与磁通门传感器的敏感轴方向上磁通量之间的角度关系,通过三维坐标轴旋转计算得出测量被测物体的俯仰角等姿态变化。经过试验表明,新型测斜传感器能对物体的姿态角进行精准测量,精度高,且省去了加速度传感器,简化了传感器结构和测量参数,并且简化了角度测量算法与正交度补偿算法。     

三分量磁通门传感器轴定向问题研究

利用三分量磁通门传感器进行磁场测量时需知传感器的三个方向轴,而在传感器的安装工程中其三轴方向难于固定,这给磁场测量带来了不便。针对上述问题,从三分量磁通门传感器测量原理出发推导了传感器三轴定向计算公式和有背景干扰磁场时的轴定向误差计算公式;设计了三分量磁通门传感器三轴定向的仿真实验和物理实验,以实验数据为基础分析了背景磁场干扰源对磁通门传感器三轴定向的影响。研究表明:在高精度磁场测量中必须严格控制背景干扰磁场大小来减小传感器轴定向误差,所得结论对磁场测量有一定的实际指导意义。     

新型环形同点单铁芯双分量磁通门传感器

双分量磁通门传感器在金属磁记忆检测中得到广泛使用,且使用的双分量磁通门传感器为双铁芯式跑道型设计的磁通门传感器。由于传感器中的双铁芯磁参数不一致、铁芯不闭合的原因,产生变压器效应,形成了测量噪声。双分量磁通门通常由两个磁通门传感器平行放置而成。因此,由于传感器铁芯参数,线圈参数不可能完全一致所造成的传感器之间的一致性差,而且双分量或多分量磁通门传感器存在着几何中心不重合的问题。本文研究设计了新型双分量磁通门传感器,采用环形铁芯设计,直接应用单铁芯调理双方向的磁通门信号,改善了双分量传感器的一致性差、几何中心不同点的问题,有效的抑制了变压器噪声,提高了磁通门传感器的测量中的测量准确度,减少了测量误差。     

空间运动物体的一种三轴定向方法

这个系统利用重力加速度计与磁通门磁强计实现对三维空间物体的姿态测量，并能以此为基准实现物体空间移动轨迹的检测。在方向的测量中使用了3个传感器代替代统的单个传感器测量，以减小加速度计与磁通门计在与物体运动方向成较小角度时灵敏度的下降。通过实验得知这种方法是十分有效的。     

磁通门技术及其应用

磁通门是测量环境磁场的系统 ,它利用高磁导率、低矫顽力的软磁材料铁芯在激磁作用下 ,感应线圈出现随环境磁场强度而变的偶次谐波分量电势的特征 ,通过高性能的滤波器测量偶次谐波分量。磁通门的典型应用是载体姿势方位的测量 ,实际应用中结构参数校正是十分重要的。     

磁通门信号处理电路的优化设计与实验研究

磁通门信号处理电路作为磁通门磁场测量的重要组成部分,其电路参数的设计选择直接影响了测量的精度、时效性和稳定性。在分析磁通门测量原理的基础上,设计制作了磁通门信号处理电路;在综合考虑探头灵敏度和功耗下,得到在6.25 kHz的正弦激励下,较优的激励电压峰峰值为14.5 V;通过对信号处理电路各环节的建模及简化分析,得出信号处理电路系统为一个二阶Ⅰ型系统,并通过实验方法测定了开环比例系数,然后按最优二阶模型,对其进行了优化设计。最后,对所设计制作电路进行了稳定性和重复性实验,得到稳定性精度为6.1 nT(1σ),重复性精度为13.05 nT(1σ),精度满足多数磁导航应用要求。     

基于SVR的三轴磁通门传感器误差修正研究

提出了一种基于支持向量回归机(SVR)的三轴磁通门传感器误差修正方法。分析和理论计算了三轴磁通门传感器中由于三轴非正交、灵敏度不一致与零点漂移所引起的测量误差;设计了相应矩阵形式的数学模型对该误差进行修正。构造新的目标函数,使修正模型的参数矩阵转换为等价的线性形式,从而建立起中间模型。再由SVR算法辨识出中间模型系数,并通过中间模型系数与参数矩阵之间的关系,实现对误差修正模型的辨识。用实际地磁场测量数据进行测试,结果表明:三轴磁通门传感器在不同姿态下的测量误差由800 nT修正到60 nT以下。该研究为提高三轴磁通门传感器性能提供了一种可行方法。     

基于地磁模型的两轴航向算法

介绍了一种利用地磁模型把三轴数字磁通门变为两轴数字磁通门的方法,首先介绍了一种最新版本的地球磁场模型;接着分析了三轴数字磁通门的工作原理;最后通过利用地磁模型给出了实现两轴数字磁通门的方法.通过不同地点的实验数据表明,利用地磁模型后,两轴数字磁通门的航向误差满足无人机飞行的系统要求.相对于三轴数字磁通门而言,两轴数字磁通门结构由三维立体变成了二维平面,飞机的活动范围也不受限制,航向误差也满足要求.两轴数字磁通门也符合了无人机小体积、微型化、高精度的系统发展趋势.     

关于模糊PID控制器推理机维数的研究

对一维(1D)至三维(3D)模糊PID控制器进行了系统的分析研究,提出了四项系 统功能特性指标来评价不同结构的控制器;这包括控制分量合成,耦合影响,增益相关和规则 增长.通过对最常见的二维Mamdani模糊控制器进行分析研究,发现该控制器存在功能缺 陷.为此,提出了最优结构的一维模糊PID控制器.该控制器采用了"1D-3D"映射关系的模糊 推理机,从而实现了三个控制分量可以独立不相关的调整功能.通过与二维和三维控制器比 较结果表明,一维控制器具有最佳系统功能特性.     

基于三轴磁强计和重力测量的融合导航算法

为了减小地磁导航的估计误差协方差,提高导航的可靠性和准确性,将重力作为一种新的量测信息引入到地磁导航系统中,提出了基于三轴磁强计与重力测量的融合导航算法.该算法以飞行器的位置与速度向量作为状态向量,建立状态方程;以飞行器所在位置的地磁场强度矢量与重力场强度矢量作为观测向量,建立观测方程;设计了一种联邦滤波器,用于融合三轴磁强计与重力测量仪表提供的量测信息.由于量测方程与状态方法都是非线性的,因此采用无迹卡尔曼滤波器(UKF)作为子滤波器可获得较高精度.仿真结果表明:该方法得到的位置估计误差小于30m,速度误差小于5m/s.与单一地磁导航、重力导航方法相比,该组合导航方法显示出更好的收敛性与可靠性.     

基于椭球拟合的磁力计误差校正方法研究

针对工作环境下的MEMS磁力计易受磁场干扰,且传统误差补偿速度慢、需要外部信息辅助而影响地磁信息获取时效性和精度的问题,提出一种基于椭球拟合的磁力计误差修正算法。建立基于刻度因子误差、非正交误差、零偏误差和软硬磁特性的磁力计误差模型,采用最小二乘平差法估计椭球拟合算法中的椭球方程系数,得到校准后的磁场强度值。实验结果表明,经过论文提出的椭球拟合算法校正后的磁场强度波动幅度明显小于磁力计测量的原始磁场强度,能够有效降低磁力计测量误差。     

基于Cs原子磁力仪的高灵敏度磁场方向测量方法

介绍了自旋调制标量原子磁强计矢量化测试方法,从主磁场幅值和横向磁场的测试灵敏度得到该方法的磁场方向测量灵敏度为0.75μrad/Hz1/2.从磁场方向测量的角度与其他标量原子磁强计矢量化测量方法进行了对比,表明:该方法更简洁,并且能直接给出主磁场方向与磁力线的偏离信号,在地震地磁监测和磁力线寻的制导等领域中具有独特的应用价值.     

地磁传感器误差参数估计与补偿方法

地磁传感器误差参数通常在事前标定校准,但校准参数在长时间的置放后,或者应用环境的发生改变时,地磁传感器校准参数将会发生变化,从而造成磁测补偿效果并不理想。为期解决上述问题,本文提出了基于滤波技术的地磁传感器误差参数估计与补偿方法。仿真结果表明该方法是可行的,最为重要的是磁传感器通过参数估计与磁测补偿后,其测量精度最少提高了一个数量级。     

基于 NI CompactRIO 的多通道磁场采集系统的设计与实现

针对磁法勘探、地磁导航等不同技术领域的地磁测量需求,提出了一种多传感器模块化采集方案,构建了基于NI CompactRIO的多通道磁场采集系统.系统整合了光泵磁力仪,磁通门磁力仪,惯性导航模块以及GPS模块,可满足不同情况下的实验需求.为了解决多传感器组件同时采集时数据无法同步的问题,提出了基于GPS的同步授时技术以保证数据的有效性.利用插值计数器实现了数字倒数插值测频法,在铯光泵磁力仪有效输出范围内,磁测分辨率优于0.006 nT.在吉林大学电磁屏蔽室中,对系统噪声水平进行了评估,评估结果表明采集系统的PSD为7 pT/Hz@1 Hz,符合设计要求.最后在长春南湖和内蒙古桃合木苏木两个实验场地应用采集系统,验证了系统在野外恶劣环境下能够稳定工作,并高效地完成采集任务.     

基于磁阻传感器的铁磁体探测系统设计

简要介绍了铁磁体在地磁场中的模型,针对磁异信号的检测,设计了一种基于各项异性磁阻传感器的三轴测试系统。硬件电路主要包括：磁阻传感器、置位／复位电路、信号调理电路、A／D转换电路及控制电路。该系统由Honeywell公司HMC1001和1002组成三轴测量传感器,利用FPGA作为控制器实现对磁异信号的采集。试验结果表明,系统能够对移动目标铁磁体进行有效检测,并可达到较高的检测精度。     

航姿系统矢量传感器非对准误差及其校正

航姿参考系统中三轴磁强计与三轴加速度计常采用椭球拟合法进行误差校正与补偿,其缺点是校正后不同传感器之间以及传感器坐标系与载体坐标系之间往往还存在非对准误差.由定量分析得知此类非对准误差所引起的航姿参考系统航向角误差具有常值误差与半圆罗差之和的形式.利用地磁矢量与重力矢量的点积为常数这一性质,并结合三维旋转矩阵的小角度近似表达式,对椭球拟合法校正后的传感器非对准误差进行了补偿,在不同磁干扰条件下均可使校正效果得到改善,航向剩余误差(均方根)平均减小30%以上.     

旋转弹用滚转角磁测系统设计

针对传统捷联式惯性测量系统存在积累误差导致滚转角测试误差较大的问题,设计一种新型的基于纯地磁场信息的滚转角磁测系统。该系统以磁测姿态原理为基础,以嵌入式微控制器STM32F415为控制、解算核心实现对滚转角的测量。通过高精度三轴速率转台的飞行仿真实验结果表明,该滚转角磁测系统能够实时准确地解算出载体滚转角,测量误差保持在 3度以内,具有较强的可行性和较高的测试精度。该滚转角磁测系统具有体积小、测量误差不随时间积累等优点,为旋转弹的滚转角测量提出了新的思路,具有一定的工程应用价值。     

基于线性化参数模型的三轴磁场传感器校准方法

针对三轴磁场传感器零偏误差、刻度因子不一致性误差和非正交误差等,建立了磁场传感器的三个敏感轴与参考正交坐标系的转换矩阵;基于标量校准思想,推导了传感器三轴测量值与磁场标量值之间的线性化参数模型;根据最小二乘原理,进行传感器模型参数辨识。选取两款三轴磁通门磁力仪进行了误差校准实验研究,校准后,传感器的测量误差可以降低一个数量级。在实验过程中,不需要高精度的实验设备,在稳定地磁场环境下即可进行。实验研究表明,此方法是一种方便易行、精度较高的传感器校准方法。     

Cs光泵磁强计补偿地磁变化的方法

在弱磁测量技术当中,往往需要在一定的工作空间区域内获得稳定的磁场。光泵磁强计具有高灵敏度、高分辨力的优点。主要介绍使用光泵磁强计补偿地磁感应温度的原理、设备组成及实验。根据锁相环原理,利用Cs光泵磁强计和线圈系统把地磁感应强度的波动补偿到小于0.1nT,可以获得稳定度很高的恒定磁场空间。恒定磁场空间可以用来校准磁通门磁强计和其它磁传感器。