一種基于磁場的無線三維傾角傳感器及其檢測方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于磁場的無線三維傾角傳感器及其檢測方法，涉及測量【技術(shù)領(lǐng)域】，包括外殼，在所述外殼內(nèi)包括電源、兩個微型三軸磁力計、數(shù)據(jù)接口、濾波器、微控制器、通信控制器和通信模塊，所述電源分別與兩個微型三軸磁力計連接，所述微型三軸磁力計、數(shù)據(jù)接口、濾波器、微控制器、通信控制器和通信模塊順次連接。本發(fā)明的有益效果在于：構(gòu)造簡單，可在土體、水中、巖石內(nèi)使用，地球磁場不易受外界信號干擾，不需要用單片機進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，成本低廉，能廣泛應(yīng)用于室內(nèi)、建筑物、水、泥土、巖土等各種環(huán)境中傾角的測量，且操作簡單、性能穩(wěn)定。實現(xiàn)了精確數(shù)據(jù)測量，為后續(xù)的三維傾角的計算提供數(shù)據(jù)支持。
【專利說明】一種基于磁場的無線三維傾角傳感器及其檢測方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于測量【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及一種基于磁場的無線三維傾角傳感器及其檢測方 法。

【背景技術(shù)】
[0002] 傾角傳感器廣泛應(yīng)用于建筑、地質(zhì)、航空、交通、礦產(chǎn)鉆探、石油鉆井、軍事等諸多 領(lǐng)域，在儀器科學(xué)領(lǐng)域有重要的地位。傳統(tǒng)傾角傳感器的測量方式有固體擺式、液體擺式、 氣體擺式等，主要基于重力場的變化實現(xiàn)傾角測量，諸多學(xué)者基于上述測量原理改進(jìn)研制 了不同的傾角傳感器，如液態(tài)介質(zhì)差動電容式傾角傳感器、加速度式傾角傳感器、導(dǎo)電液傾 角傳感器、光纖布拉格光柵傾角傳感器等，但存在不利于傳感器小型化、材料選用范圍有 限、加工生產(chǎn)工藝較復(fù)雜等缺點，且大多具有非線性的問題，需要單片機進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和非 線性校正，影響成本和測量精度。另一方面，上述傾角傳感器通常僅測量一個方向或兩個方 向的傾角，難以測量三維傾角。
[0003] 隨著光纖傳感器技術(shù)的發(fā)展，采用光纖傳感技術(shù)改進(jìn)的光纖陀螺儀，克服了陀螺 儀在傾角傳感器測量方面的累積誤差漂移等缺點，可實現(xiàn)三維傾角的高精度、快速測量， 具有可承載高動態(tài)環(huán)境、線性度好、穩(wěn)定性高等優(yōu)點，但目前大多應(yīng)用在軍用領(lǐng)域，在民用 領(lǐng)域的光纖陀螺儀精度被大幅度降低，且其成本尚需進(jìn)一步降低。通過光纖激光器可實 現(xiàn)三維傾角的精確測量，但目前成本過高，僅應(yīng)用在極少數(shù)軍事工業(yè)領(lǐng)域?；谖C電系 (Micro-Electro-Mechanical Systems, MEMS)和微加速度傳感器、氣體擺傳感器制作的傾 角傳感器已得到廣泛的研究，如果大規(guī)模應(yīng)用在民用領(lǐng)域尚需進(jìn)一步考慮價格并降低生產(chǎn) 工藝的復(fù)雜程度，且不適合惡劣環(huán)境下長期工作。
[0004] 基于地磁場的磁場定位和磁力勘探，目前逐漸應(yīng)用到水下目標(biāo)定位與導(dǎo)航、金屬 物探、水域探測、城市工程物探、考古以及軍事物探等方面，具有隱蔽性好、適應(yīng)性強、不易 受干擾等優(yōu)點。隨著高性能三軸磁力計的發(fā)展及小型化，目前可采用磁傳感器通過地磁場 的測量實現(xiàn)運動物體相對地磁北的方向角監(jiān)測，已應(yīng)用在腹腔鏡微創(chuàng)手術(shù)和鉆孔傾斜等領(lǐng) 域的研究或應(yīng)用，但僅為一維角度的測量，且構(gòu)造過于復(fù)雜?？傮w而言，基于地磁場的磁測 技術(shù)構(gòu)造傾角傳感器是一項值得借鑒的研究方法。
[0005] 鑒于亟需一種可在惡劣環(huán)境下服役、且操作簡單、價格低廉的三維傾角傳感器的 現(xiàn)狀，針對磁測技術(shù)可穿透水、巖石和土體，且適應(yīng)惡劣環(huán)境下全天候工作的特征，本發(fā)明 采用三軸磁力計構(gòu)造一種簡單、使用方便的無線三維傾角傳感器及其檢測方法。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 有鑒于此，本發(fā)明要解決的技術(shù)問題在于提供一種基于磁場的無線三維傾角傳感 器及其檢測方法，基于磁場的無線三維傾角傳感器構(gòu)造簡單，成本低廉，可以在室內(nèi)、建筑 物、水、泥土、巖土等各種環(huán)境中服役。
[0007] 本發(fā)明通過以下技術(shù)手段解決上述技術(shù)問題：
[0008] -種基于磁場的無線三維傾角傳感器，包括外殼，在所述外殼內(nèi)包括電源、兩個微 型三軸磁力計、數(shù)據(jù)接口、濾波器、微控制器、通信控制器和通信模塊，所述電源分別與兩個 微型三軸磁力計連接，所述微型三軸磁力計、數(shù)據(jù)接口、濾波器、微控制器、通信控制器和通 信模塊順次連接。
[0009] 進(jìn)一步，所述外殼為長方體；
[0010] 進(jìn)一步，所述兩個微型三軸磁力計分別位于無線三維無線傾角傳感器的兩端，所 述兩個微型三軸磁力計的X、y和Z軸一致且x、y和Z軸分別與所述無線三維傾角傳感器的 長度、覽度、1?度方向平燈；
[0011] 進(jìn)一步，所述濾波器采用陷波濾波器；
[0012] 進(jìn)一步，所述外殼為工程塑料外殼；
[0013] 進(jìn)一步，所述通信模塊為無線通信裝置；
[0014] 一種利用基于磁場的無線三維傾角傳感器檢測傾角的方法，具體包括：
[0015] 步驟一：定義地磁坐標(biāo)系為0ΧΥΖ，其中，北向N水平分量為X軸、東向E水平分量 為Y軸、垂直D分量為Z軸，根據(jù)國際地磁場模型，得到地磁場感應(yīng)強度的三分量計算值為 (B x, Βγ, Βζ)；
[0016] 步驟二：定義無線三維傾角傳感器實測的坐標(biāo)系為oxyz,其中，χ軸、y軸和ζ軸分 別為無線三維傾角傳感器的長度、寬度和高度方向，所述無線三維傾角傳感器的起始坐標(biāo) 系與地磁坐標(biāo)系0ΧΥΖ平行，0ΧΥΖ坐標(biāo)繞Ζ軸轉(zhuǎn)動Θ角度得到坐標(biāo)系ΟΧ' γ' Ζ，再繞的 X'軸轉(zhuǎn)動φ角度得到坐標(biāo)系ΟΧ' Υ'，最后繞Yi軸轉(zhuǎn)動妒角度得到坐標(biāo)系，得到 oxyz標(biāo)系，第一微型三軸磁力計和第二微型三軸磁力計實測的磁感應(yīng)強度的三分量分別為 (Bxl，Byl，Bzl)和（Bx2，B y2，Bz2);
[0017] 步驟三：根據(jù)三維坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，所述實測磁感應(yīng)強度與地磁感應(yīng)強度的關(guān)系：

【權(quán)利要求】
1. 一種基于磁場的無線三維傾角傳感器，包括外殼，其特征在于：在所述外殼內(nèi)包括 電源、兩個微型三軸磁力計、數(shù)據(jù)接口、濾波器、微控制器、通信控制器和通信模塊，所述電 源分別與兩個微型三軸磁力計連接，所述微型三軸磁力計、數(shù)據(jù)接口、濾波器、微控制器、通 信控制器和通信模塊順次連接。
2. 如權(quán)利要求1所述的基于磁場的無線三維傾角傳感器，其特征在于：所述外殼為長 方體。
3. 如權(quán)利要求1所述的基于磁場的無線三維傾角傳感器，其特征在于：所述兩個微型 三軸磁力計分別位于無線三維無線傾角傳感器的兩端，所述兩個微型三軸磁力計的X、y和 z軸一致且X、y和z軸分別與所述無線三維傾角傳感器的長度、寬度、高度方向平行。
4. 如權(quán)利要求1所述的基于磁場的無線三維傾角傳感器，其特征在于：所述濾波器采 用陷波濾波器。
5. 如權(quán)利要求1所述的基于磁場的無線三維傾角傳感器，其特征在于：所述外殼采用 工程塑料外殼。
6. 如權(quán)利要求1所述的基于磁場的無線三維傾角傳感器，其特征在于：所述通信模塊 為無線通信裝置。
7. -種利用基于磁場的無線三維傾角傳感器的檢測方法，其特征在于：具體包括： 步驟一：定義地磁坐標(biāo)系為OXYZ，其中，北向N水平分量為X軸、東向E水平分量為Y 軸、垂直D分量為Z軸，據(jù)國際地磁場模型，得到地磁場感應(yīng)強度的三分量計算值為（BX，BY， Bz); 步驟二：定義無線三維傾角傳感器實測的坐標(biāo)系為oxyz，其中，x軸、y軸和z軸分別 為無線三維傾角傳感器的長度、寬度和高度方向，所述無線三維傾角傳感器的起始坐標(biāo)系 與地磁坐標(biāo)系0XYZ平行，0XYZ坐標(biāo)繞Z軸轉(zhuǎn)動Θ角度得到坐標(biāo)系ΟΧ' γ' Z，再繞的X' 軸轉(zhuǎn)動Φ角度得到坐標(biāo)系〇Χ< ，最后繞Yi軸轉(zhuǎn)動-角度得到0XJA坐標(biāo)系，得到 oxyz標(biāo)系，第一微型三軸磁力計和第二微型三軸磁力計實測的磁感應(yīng)強度的三分量分別為 (Bxl，Byl，Bzl)和（Bx2，B y2，Bz2); 步驟三：根據(jù)三維坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，所述實測磁感應(yīng)強度與地磁感應(yīng)強度的關(guān)系：
其中，（Bx，By，Bz)為實測磁感應(yīng)強度，包括（Bxl，B yl， ， Bzl)和（Bx2, By2, Bz2)，Rp R2, R3, R為旋轉(zhuǎn)矩陣，將所述兩個微型三軸磁力計實測的磁感應(yīng) 強度和基于國際參考地磁場的三分量計算值代入上式中，根據(jù)羅格德矩陣的性質(zhì)，求得旋 轉(zhuǎn)矩陣R ; 步驟四：根據(jù)無線三維傾角傳感器的X軸在X、Y、Z的方向余弦為（ax，aY，az)，y軸在X、 Y、Z的方向余弦為（bx，bY，bz)，z軸在X、Y、Z的方向余弦為（c x，cY，cz)，則得到：
其中，IT1表示矩陣R的逆矩陣； 步驟五：根據(jù)無線三維傾角傳感器的X軸在OXYZ地磁坐標(biāo)系的三維傾角為（α χ，β x， Y x)，y軸在OXYZ地磁坐標(biāo)系的三維傾角為（a y，β y，Y y)，z軸在OXYZ地磁坐標(biāo)系的三維 傾角為（αζ，βζ，Yz)，則得到：
得到無線三維傾角傳感器三個軸線在 9 地磁坐標(biāo)系的絕對傾角大?。? 步驟六：將無線三維傾角傳感器放在被檢測物體上，分別檢測出被檢測物體的初始狀 態(tài)無線三維傾角傳感器三個軸線與北向水平、東向水平、堅向的初始三維傾角和物體傾斜 狀態(tài)下的無線三維傾角傳感器三個軸線與北向水平、東向水平、堅向的三維傾角，用所述傾 斜狀態(tài)下的三維傾角減去初始狀態(tài)下的三維傾角，得到物體的三維傾角的變化量。
8.如權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于：所述步驟三中，所述
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【文檔編號】G01C9/00GK104111063SQ201410335650
【公開日】2014年10月22日 申請日期:2014年7月15日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月15日
【發(fā)明者】江勝華, 江文華, 呂高 申請人:江勝華