一种用于校准水下磁场传感器的装置的制作方法

本实用新型属于磁场传感器测量、校准技术领域，具体涉及一种用于校准水下磁场传感器的装置。

背景技术：

磁场传感器是可以将各种磁场及其变化的量转变成电信号输出的装置。自然界和人类社会生活的许多地方都存在磁场或与磁场相关的信息。利用人工设置的永久磁体产生的磁场，可作为许多种信息的载体。因此，探测、采集、存储、转换、复现和监控各种磁场和磁场中承载的各种信息的任务，自然就落在磁场传感器身上。在当今的信息社会中，磁场传感器已成为信息技术和信息产业中不可缺少的基础元件。目前，人们已研制出利用各种物理、化学和生物效应的磁场传感器，并已在科研、生产和社会生活的各个方面得到广泛应用，承担起探究种种信息的任务。

在海底、水下安装的磁场传感器，因长期工作在水下，由于不易拆卸、移动，对其进行计量检定、校准、测试均十分困难，水下磁场传感器长期不能计量受控，无法保证传感器的有效使用。目前磁场传感器计量、校准的技术水平较高，但是基本是在实验室中进行，有些也可在工程现场进行校准，对置于数十米深海底的传感器进行量值溯源十分困难。

技术实现要素：

针对现有技术的缺陷和不足，本实用新型通过提供一种用于校准水下磁场传感器的装置，解决在海底、水下安装的磁场传感器因长期工作在水下，由于不易拆卸、移动，对其进行计量检定、校准、测试均十分困难的技术问题。

为实现上述目的，本实用新型的技术方案为：

一种用于校准水下磁场传感器的装置，其包括无人直升机、飞行控制器，吊舱、吊舱控制器和标准三维磁场测量仪；所述吊舱为用于产生所需磁场标准量值的标准磁场发生器，所述吊舱悬挂于无人直升机的正下方，所述无人直升机上安装有GNSS定位和伺服系统，在飞行控制器的控制下精确定位，从而保证吊舱能准确、稳定地对准标准三维磁场测量仪或对准在水下被校准的水下磁场传感器的位置；所述吊舱在吊舱控制器的控制下产生所需要的标准磁场量值。

优选的，所述标准三维磁场测量仪包括标准三维磁场测量仪扫描部件、标准三维磁场测量仪显示部件以及计算机，所述计算机用于处理标准三维磁场测量仪扫描测量的数据；测试时吊舱需准确、稳定地对准标准三维磁场测量仪扫描部件。

进一步，所述飞行控制器的系统软件内安装有飞行控制软件，用于对无人直升机进行航路规划，并根据被校准的水下磁场传感器的位置坐标，实现自动航行，从而定位在被校准的水下磁场传感器的上方。

进一步，本实用新型还提供了所述的用于校准水下磁场传感器的装置的使用方法，包括以下步骤：

(1)标准磁场发生器输出量值校准：无人直升机悬挂吊舱飞行至标准三维磁场测量仪扫描部件的上方H高度，对直升机进行精确定位并稳定保持；启动标准三维磁场测量仪，对边长为h的立体空间进行磁场扫描测量，将扫描测量的数据进行计算机处理，得到标准磁场发生器的矩形磁场线圈电流I与磁场强度B、位置坐标间x、y、z的函数关系，即MCC函数；

(2)对被校准的水下磁场传感器进行测试：无人直升机悬挂吊舱飞行至被校准的水下磁场传感器上方，对无人直升机进行精确定位并稳定保持，使被校准的水下磁场传感器在已知磁场量值的空间区域的中心；根据被校准的水下磁场传感器的磁场强度测量点，确定标准磁场发生器的矩形磁场线圈的电流值；通过吊舱控制器给标准磁场发生器的矩形磁场线圈设置工作电流，在被校准的水下磁场传感器周围产生标准磁场，被校准的水下磁场传感器将磁场转变为电信号；在被校准的水下磁场传感器连接的地面测量装置上采集磁场测量值Bs，将这个采集的磁场测量值Bs与标准磁场发生器输出的磁场标准值进行比较，得到被校准的水下磁场传感器的测量误差。

进一步，步骤(1)中，H高度为标准磁场发生器的矩形磁场线圈所在的高度或者为规定的标线高度。

进一步，所述的MCC函数为磁场-位置-电流函数，其函数关系为：

I＝fx(Bx,x,y,z)

I＝fy(By,x,y,z)

I＝fz(Bz,x,y,z)

式中：

I:标准磁场发生器的矩形磁场线圈电流，A；

Bx，By，Bz：x，y，z方向的磁场分量，T；

x，y，z：x，y，z方向的位置坐标；

MCC函数代表的意义是在指定的坐标x，y，z位置上，得到磁场强度为B的磁场，在标准磁场发生器的矩形磁场线圈中应施加的电流强度为I；

MCC函数表征的磁场强度B的范围应覆盖被校准的水下磁场传感器、和与其连接的地面测量装置所构成的测量范围。

优选的，步骤(1)中，为了得到更大空间内的标准磁场量值，可以将标准三维磁场测量仪分别向前、后、左、右、上、下平移h距离，进行磁场扫描测量，得到更大空间的MCC 函数。

进一步，步骤(1)中，当被校准的水下磁场传感器有多个测量点需要进行校准时，可以通过吊舱控制器连续设置B1、B2、......、Bn个磁场量值，通过吊舱控制器给标准磁场发生器的矩形磁场线圈设置工作电流，在被校准的水下磁场传感器周围产生标准磁场，在被校准的水下磁场传感器连接的地面测量装置上采集磁场测量值Bs1、Bs2、......、Bsn，同样与标准磁场发生器输出的磁场标准值进行比较，得到被校准的水下磁场传感器各个测量点的测量误差。

进一步，当有多个被校准的水下磁场传感器需要进行校准时，可将每个被校准的水下磁场传感器的位置坐标输入到飞行控制器中，由飞行控制软件自动规划航路，精确定位在每一个被校准的水下磁场传感器的位置上；将校准值测量点输入到吊舱控制器中，随着自动规划航路的进行，设定校准测试点，完成校准过程。

优选的，步骤(2)中，在对被校准的水下磁场传感器测试中，无人直升机悬挂吊舱飞行至被校准的水下磁场传感器上方H-0.5h高度。

进一步，步骤(2)中，按照MCC函数或按照MCC数据表格确定标准磁场发生器的矩形磁场线圈的电流值；MCC数据表格根据被校准传感器测量值场磁强度做成，在MCC数据表格中直接查找被校准的水下磁场传感器所在位置和需要测量值的磁场强度，所对应标准磁场发生器的矩形磁场线圈施加的电流强度。

与现有技术相比，本实用新型具有如下优点：

使用本实用新型的装置和方法能够对不能移动的传感器、人员不易到达的位置的传感器、海底传感器等的校准测试，无需潜水、无需打捞，在现场、远距离均可实施校准工作。

附图说明

下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。

图1为本实用新型的用于校准水下磁场传感器的装置的组成框架图；

图2为本实用新型的吊舱的原理示意图；

图3为本实用新型的吊舱控制器的原理示意图；

图4为标准磁场发生器的输出量值校准示意图；

图5为水下磁场传感器的测试示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明。

实施例1一种用于校准水下磁场传感器的装置

如图1所示，本实用新型的用于校准水下磁场传感器的装置包括无人直升机、飞行控制器、吊舱、吊舱控制器、标准三维磁场测量仪等。其中标准三维磁场测量仪是磁场测量标准设备。具体装置组成如下：

无人直升机：直升机实现悬挂吊舱，使吊舱精确定位在三维空间；无人直升机安装有精确的GNSS定位和稳定伺服系统(图中未示出)，在飞行控制器的控制下精确定位，保证吊舱能准确、稳定地对准标准三维磁场测量仪扫描部件，或者对准被校准的水下磁场传感器的位置。

飞行控制器：是控制无人机飞行的操纵器，实现对无人直升机飞行的控制。该控制器是通用控制设备。

飞行控制软件：飞行控制软件安装在飞行控制器的系统软件中，主要是对无人直升机进行航路规划，根据被校准的水下磁场传感器的位置坐标，实现自动航行、定位在被校准的水下磁场传感器上方。

吊舱：所述吊舱为一用于产生所需要的磁场标准量值的标准磁场发生器，通过吊舱控制器设定标准磁场发生器输出标准磁场量值。如图2所示，所述吊舱包括矩形磁场线圈、稳定直流电流源、D/A变换器、CPU处理器I、通信接口I、无线通信机I以及用于为整个电子电路供电的电源I。所述吊舱控制器通过无线通信机将指令和控制信息传送到吊舱，吊舱的无线通信机接收这些指令和控制信息，并将其通过通信接口传送到CPU处理器I，经过CPU处理器I的解码、处理后，将数字化的标准量值送到D/A变换器，变换成电流模拟量，电流在矩形磁场线圈上产生标准磁场。

吊舱控制器：吊舱控制器是控制标准磁场发生器(即吊舱)工作的操纵器，实现控制标准磁场发生器的工作状态、控制输出标准磁场量值。如图3所示，所述吊舱控制器包括触摸屏、CPU处理器II、通信接口II、无线通信机II以及为整个电子电路供电的电源II。触摸屏是吊舱控制器的信息输入、输出设备，用于显示标准磁场发生器的工作状态，输入控制指令和信息；CPU处理器II是吊舱控制器的控制核心，完成驱动触摸屏，接收触摸屏输入的信息，显示由吊舱传来的标准磁场发生器的状态信息；CPU处理器II将触摸屏输入的控制信息进行编码，通过通信接口II将编码送到无线通信机II，由无线通信机II调制后以无线电波的形式发送到空间；吊舱控制器发出的无线电信号由吊舱内的无线通信机I接收。

标准三维磁场测量仪：该标准三维磁场测量仪是一台通用的计量标准设备，在陆地上使用，该设备自带计算机及其应用软件。所述标准三维磁场测量仪包括标准三维磁场测量仪扫描部件、标准三维磁场测量仪显示部件以及计算机。功能是通过对三维空间进行磁场扫描测量，得到三维空间的磁场量值的分布，通过计算机处理得到需要的函数、曲线、图表等。该标准三维磁场测量仪安装在地面上，用于在现场校准标准磁场发生器的量值，使标准磁场发生器量值具有溯源性。

实施例2标准磁场发生器输出量值校准

在测试使用前，必须对标准磁场发生器输出的量值进行校准，使标准磁场发生器输出的标准量值具有溯源性，而后开始对被校准的水下磁场传感器和与被校准的水下磁场传感器连接的地面测量装置(测量装置为被校准的水下磁场传感器本身装置的一部分)进行校准测量。校准方法是采样用标准三维磁场测量仪，在实际使用的场所，模拟实际使用的情况，对标准磁场发生器进行校准测量。如图4所示，无人直升机悬挂吊舱飞行至标准三维磁场测量仪扫描部件上方H高度，启动直升机定位系统，精确定位、并稳定保持，其任何方向上的摆动、漂移应不影响测量。

启动标准三维磁场测量仪，对边长为h的立体空间进行描磁扫场测量，将扫描测量的数据进行计算机处理，得到标准磁场发生器的矩形磁场线圈电流I与磁场强度B、位置坐标间x、 y、z的函数关系，磁场-位置-电流函数，简称MCC函数。该函数表征的磁场强度B的范围应覆盖被校准传感器的测量范围内。

I＝fx(Bx,x,y,z)

I＝fy(By,x,y,z)

I＝fz(Bz,x,y,z)

式中：

I:标准磁场发生器的矩形线圈电流，A；

Bx，By，Bz：x，y，z方向的磁场分量，T；

x，y，z：x，y，z方向的位置坐标。

该函数由计算机处理标准三维磁场测量仪扫描磁场测量的数据自动生成，其意义就是在指定的坐标x，y，z位置上，得到磁场强度为B磁场，在标准磁场发生器的矩形磁场线圈中应施加的电流强度I。电流0～Im对应标准磁场发生器产生磁场强度为0～Bm。也以可根据被校准传感器磁场强度测量点做成MCC数据表格，在表格中直接查找被校准传感器所在位置和需要的标准磁场强度，所对应的标准磁场发生器的矩形磁场线圈施加的电流强度。为了得到更大空间内的标准磁场量值，可以将标准三维磁场测量仪分别向前、后、左、右、上、下平移h距离，进行磁场扫描测试，得到更大空间的MCC函数。

其上，H是吊舱(即标准磁场发生器)与标准三维磁场测量仪扫描部件的距离、或被校准的水下磁场传感器的距离，或者是规定的标线高度(实际工作中可以确定一个统一的标高，作为计算的基准值)。h是三维磁场测量仪的扫描部件，扫描测量的立方体空间的边长。H高度为标准磁场发生器的矩形磁场线圈所在的高度或者为规定的标线高度。

实施例3一种水下磁场传感器的测量方法

如图5所示，无人直升机悬挂吊舱飞行至被校准的水下磁场传感器上方(H-0.5h)高度，启动直升机定位系统，精确定位、并保持稳定，使被校准的水下磁场传感器在已知磁场强度量值空间区域的中心，其任何方向上的摆动、漂移应不影响测量。

根据被校准的水下磁场传感器的磁场强度测量点，按照MCC函数或查MCC数据表格，确定标准磁场发生器的矩形磁场线圈的电流值。通过吊舱控制器给标准磁场发生器的矩形磁场线圈设置工作电流，在被校准的水下磁场传感器周围产生标准磁场，被校准的水下磁场传感器将磁场转变为电信号。在与被校准的水下磁场传感器相连接地面测量装置上采集磁场测量值Bs，将这个采集的磁场测量值Bs与标准磁场发生器输出的标准磁场值进行比较，得到被校准的水下磁场传感器的测量误差。

当被校准的水下磁场传感器有多个测量点需要进行校准时，可以通过吊舱控制器连续设置B1、B2、......、Bn个磁场量值，通过吊舱控制器给标准磁场发生器的矩形磁场线圈设置工作电流，在被校准的水下磁场传感器周围产生标准磁场，在与被校准的水下磁场传感器相连接地面测量装置上采集磁场测量值Bs1、Bs2、......、Bsn，同样与标准磁场发生器输出的标准磁场值进行比较，得到被校准的水下磁场传感器各个测量点的测量误差。

当有多个被校准的水下磁场传感器需要进行校准时，可将每个被校准的水下磁场传感器的位置坐标输入到飞行控制器中，由飞行控制软件自动规划航路，精确定位在每一个被校准的水下磁场传感器的位置上；将校准值测量点输入到吊舱控制器中，随着自动规划航路的进行，设定校准测试点，完成校准过程。

以上所述仅为实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。