一种基于磁场的无线三维倾角传感器的制造方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种基于磁场的无线三维倾角传感器，涉及倾角传感器【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。本实用新型的有益效果在于：采用两个微型三轴磁力计对磁感应强度进行采集，克服了现有技术的倾角传感器只能检测一维或二维倾角。容易穿透水、泥土、岩土、建筑物等，可以用于实现三维倾角的检测系统中，构造简单，成本低廉，性能稳定，可广泛应用于民用领域的三维倾角检测。采用工程塑料外壳可用于恶劣环境中检测，不受外界干扰。
【专利说明】一种基于磁场的无线三维倾角传感器
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及一种倾角传感器【技术领域】，特别涉及一种基于磁场的无线三维倾角传感器。
【背景技术】
[0002]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。
[0003]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。
[0004]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。随着高性能三轴磁传感器的发展及小型化，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。
[0005]综上所述，有必要设计一种构造简单，使用方便，能穿透水、岩石和土体，且适应恶劣环境下全天候工作的基于磁场的无线三维倾角传感器，以解决上述问题。
实用新型内容
[0006]有鉴于此，本实用新型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，构造简单，使用方便，价格低廉，能在恶劣的环境下全天候工作。
[0007]本实用新型通过以下技术手段解决上述技术问题:
[0008]一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。
[0009]进一步，所述外壳为长方体；
[0010]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、闻度方向平7TT ;
[0011]进一步，所述滤波器采用陷波滤波器；
[0012]进一步，所述外壳为工程塑料外壳；
[0013]进一步，所述通信模块为无线通信装置。
[0014]本实用新型的有益效果:基于磁场的无线三维倾角传感器采用2个微型三轴磁力计对磁感应强度进行采集，克服了现有技术的倾角传感器只能检测一维或二维倾角。容易穿透水、泥土、岩土、建筑物等，可以用于实现三维倾角的检测系统中。基于磁场的无线三维倾角传感器构造简单，成本低廉，性能稳定，可广泛应用于民用领域的三维倾角检测。采用工程塑料外壳可用于恶劣环境中检测，不受外界干扰。
【专利附图】
【附图说明】
[0015]下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步描述。
[0016]图1为本实用新型的结构示意图；
[0017]图2为基于磁场的无线三维倾角传感器检测方法中三维倾角传感器的动坐标系与地磁场坐标系的关系图。
【具体实施方式】
[0018]以下将结合附图对本实用新型进行详细说明，如图1所示:
[0019]本实用新型的一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、2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2个微型三轴磁力计连接，所述微型三轴磁力计、数据接口、陷波滤波器、微控制器、通信控制器和通信模块顺次连接。通过2个微型三轴磁力计对现场的磁感应强度进行检测，将实际检测到的磁感应强度数据通过数据接口传送给滤波器的输入端，滤波器对数据进行滤波，滤除无用的数据。滤波器的输出端与微控制器连接，微控制器接收到滤波器输出的数据，对数据进行预处理及将数据缓存。采用微型三轴磁力计，可以检测三维磁感应强度数据，克服了现有技术中倾角传感器只能检测一维或二维的倾角的问题。由于微型三轴磁力计是基于磁场的数据采集，所以三维倾角传感器不容易受到外界环境的干扰，穿透能力强，能穿透水、泥土、岩土和建筑物等。三维倾角传感器不存在线性问题，没有采用单片机对线性处理进行处理，成本低廉，构造简单，性能稳定，能全天候准确检测到磁场数据。
[0020]作为上述技术方案的进一步改进，外壳为长方体，便于放置在物体上。
[0021]作为上述技术方案的进一步改进，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。
[0022]作为上述技术方案的进一步改进，滤波器采用陷波滤波器，滤出微型三轴磁力计采集到的无用磁场数据。
[0023]作为上述技术方案的进一步改进，外壳采用工程塑料外壳，工程塑料外壳可以使三维倾角传感器恶劣的环境下进行工作。
[0024]作为上述技术方案的进一步改进，通信模块采用无线通信装置。采用无线通信装置与数据处理终端进行通信，可以省去USB接线的麻烦。
[0025]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，具体包括以下步骤:
[0026]步骤一:定义地磁坐标系为OXYZ: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，在一般情况下，地磁坐标系与地理坐标系重合，在地磁坐标系OXYZ上计算地磁场磁感应强度的理论值。在地磁坐标系OXYZ上，根据国际参考地磁场(IGRF)是描述地球主磁场的标准全球模型,对磁位球谐函数计算沿轴向的微商，则得到地磁场磁感应强度的三分量的计算值为(Bx，BY, Bz)。
[0027]步骤二:定义无线三维倾角传感器的动坐标系为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，在无线三维倾角传感器的动坐标系oxyz上可得到地磁场磁感应强度的实测值。根据在2个坐标系中的地磁场磁感应强度及旋转变换中的欧拉定理，假设倾角传感器的起始坐标系oxyz与地磁坐标系OXYZ平行，OXYZ坐标绕Z轴转动Θ角度得到坐标系OX' Y' Z，再绕的X'轴转动Φ角度得到坐标系OX' Y1Z'，最后绕1轴转动供角度得到OX1Y1Z1坐标系，即oxyz坐标系。根据空间解析几何的概念，即可得到无线三维倾角传感器的三个轴线在地磁坐标系OXYZ中各自的三维倾角(a X，β χ, Y χ) > ( a y, β y, γ y)和(α ζ, β z, y z),其夹角关系见图2。在地球磁场磁感应强度的测量过程中，无线三维倾角传感器的平动对实测值的影响远小于旋转自由度，故坐标转换中忽略平动的因素。在倾角传感器的动坐标系oxyz上，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，By2，Bz2)。
[0028]步骤三:根据空间三维坐标转换，则实测磁感应强度与地磁场磁感应强度之间的关系为:
^λΛ ?ΒΛ〔V
Bv =R By = R3R2R1 By
[0029]BBB
Kij=J KijZ JKjjZ J
(I),
[0030]式⑴中，(Bx，By，Bz)为实测磁感应强度，包括(Bxl，ByI,BzI)和(Bx2，By2，Bz2)。R1 > R2> R3> R为旋转矩阵。分别为:
^ Cos^ sin <9 O、
[0031]Ri = -sin^ cos 沒 O
V 0 0 V⑵，
O O、
[0032]R2= O cos 沴 sin 沴
、0 —sin 沴 cos^ J(3)
[0033]
rcos φ 0 —sinp、
R3= 0 I 0
、sin妒 0 cosφ J(4)
[0034]
<cos 沪 cos 沒—sin ^sin ^sin Θ cos 妒 sin θ + sin φ?χχφο^θ -sin φο^φ、
R =-cos^sin Θcos 0 cos 沒sin ^
、sinpcos6^ + cos妒sin 彡sin 汐 sin 妒sin0 —cos妒sin 彡cos汐 cos^cos^ y
(5)。
[0035]将两个微型三轴磁力计实测的磁感应强度的三分量(Bxl，ByI, BzI)和(Bx2，By2，Bz2)，及基于国际参考地磁场(IGRF)的计算值代入式(I)，根据罗格德矩阵的性质，可求得旋转矩阵R。
[0036]步骤四:根据三维倾角传感器的χ轴在X、Y、Z的方向余弦为(ax, aY, az)，y轴在X、Y、Z的方向余弦为(bx, bY, bz), ζ轴在X、Y、Z的方向余弦为(cx, cY, cz),贝U
rax bx C Λ 「10 0、
[0037]αγ bY cY =R1 O I O其中，R-1为矩阵R的逆矩阵。
\az bz cz y 、0 O Iy (g)
[0038]步骤五:根据三维倾角传感器的χ轴在OXYZ坐标系的三维倾角为(α χ，β x，Y x)，y轴在OXYZ坐标系的三维倾角为(ay，i3y，Yy)，z轴在OXYZ坐标系的三维倾角为(α ζ，β z，Y z)，则
'ax a Λf ax hx cx、
[0039]βχ Py β-_ = arccos aY bY cY
Yy Yz jV aZcZ j(7)，
[0040]由式(7)得到三维倾角传感器的三个轴线(长度、宽度和高度方向)任一状态下与地磁坐标系的绝对倾角，即:(αχ，βχ, yx)为无线三维倾角传感器的长度方向分别在北向水平、东向水平、竖向的三维倾角；(ay，^y, Yy)为无线三维倾角传感器的宽度方向分别在北向水平、东向水平、竖向的三维倾角；(αζ，βζ, Yz)为无线三维倾角传感器的高度方向分别在北向水平、东向水平、竖向的三维倾角。
[0041]步骤六:将无线三维倾角传感器放在被检测物体上，分别检测出物体的初始状态三个轴线与北向水平、东向水平、竖向的初始三维倾角和物体倾斜状态下的三个轴线与北向水平、东向水平、竖向的三维倾角，用所述倾斜状态下的三维倾角减去初始状态下的三维倾角，就得到物体的三维倾角的变化量。
[0042]比如在检测建筑物的倾角时，将无线倾角传感器布置在建筑物，根据上述的步骤测得无线三维倾角传感器的三个轴线与北向水平、东向水平、竖向的初始三维倾角。当建筑物发生倾斜时，无线三维倾角传感器随建筑物倾斜，根据上述步骤测得无线三维倾角传感器的三个轴线与北向水平、东向水平、竖向的三维倾角；初始状态和倾斜状态的三个轴线与北向水平、东向水平、竖向的三维倾角相减，即可得到建筑物的三维倾角的变化量。
[0043]最后说明的是，以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本实用新型进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本实用新型的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本实用新型技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本实用新型的权利要求范围当中。
【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。
【文档编号】G01C9/00GK203940857SQ201420390046
【公开日】2014年11月12日 申请日期:2014年7月15日 优先权日:2014年7月15日
【发明者】江胜华, 江文华, 吕高 申请人:江胜华