基于磁屏蔽桶的磁力計三軸噪聲水平計算

潘家偉 成都理工大學信息科學與技術學院 劉丞鳴 天津職業技術師范大學自動化與電氣工程學院

基于磁屏蔽桶的磁力計三軸噪聲水平計算

潘家偉 成都理工大學信息科學與技術學院 劉丞鳴 天津職業技術師范大學自動化與電氣工程學院

本案例以某款通用磁力計為實驗載體，通過在三維屏蔽磁測桶產生的零磁空間將磁力計的三軸噪聲水平運用數學工具計算出來。硬件部分基于STM32微處理器將磁力計的測量數據存儲到SD卡內，經過ASSIC碼到十進制數據轉換產生可直接用于數學計算的實際數據。本方法通過MATLAB編程實現磁力計的三軸噪聲水平計算，對磁力計精度測量相對其他方法更加規范合理，具有較好的實用性。

磁力計 STM32 零磁空間 MATLAB 噪聲水平

1 引言

磁力計是姿態解算的重要部件，在我國各個領域都廣泛使用。根據中華人民共和國地質礦產行業標準地面高精度磁測技術規程的磁力儀性能的校驗，運用亥姆霍茲線圈制作的磁屏蔽桶營造出的零磁空間可以對磁力計三個軸的零偏進行量化計算，對磁力計的零偏數據進行加工處理將有助于姿態解算精度的提升。

2 設計方案

本系統硬件是針對某磁力計進行的零偏數據存儲，硬件功能區如下圖2-1所示：

圖2-1 硬件電路結構框圖

2.1 電路各單元功能介紹

整個電路板，實際上就是一個單片機最小系統的小拓展。電路板功能單元包括以下方面：

①主控芯片：STM32使用庫函數開發，而且資料豐富便于學習和程序修改在微控制器領域使用普遍。其中本案例使用STM32ZET6為核心的處理器進行通信和數據存儲。

②磁力計：采用某款時下通用的磁力計進行實驗。

③電源模塊：使用4．2v可充電鋰電池進行供電，為減少文波干擾，使用濾波電路保證供電電平的平穩。

④磁感應強度數據存儲：通過與STM32串口通信，把數據寫入一張通用TF卡。

3 實驗方法

磁測規范要求在使用磁力儀進行高精度磁測時，必須測定儀器的噪聲水平。本次試用的硬件只做一套測試，因而根據規范內容必須單個磁力計在磁場穩定的地點進行數百次測試。為了既能夠測出磁力計三軸的零偏同時測定磁力計的噪聲水平，選擇磁場強度為零的屏蔽桶內進行實驗。磁屏蔽桶主要構成部件是亥姆霍茲線圈，成套的系統解決了亥姆三維地磁補償線圈在地磁場屏蔽時無法屏蔽地磁的實時波動問題。在零磁空間內，分別實現X、Y、Z軸向磁場零的輸入，這種情況下采集到的磁力計數據表征的是三個軸向的零偏情況。

4 MATLAB數據處理方案

數據處理方案因規范的要求，采用以下方法實現：

①實驗的時間較長，記錄的數據較多，第一個數開始間隔4個數抽點，MATLAB的函數形式為x1/y1/z1=VarName1/ VarName2/VarName3/(1：5：end)；

②數據采集為0．2HZ，采樣讀數間隔為5～10S，按照七點平滑取各個軸數據的平均值，用for函數實現從第四個數開始連續7個數取一個均值；

③用轉置的辦法把X、Y、Z軸三行數據轉換成一個列矩陣；

④使用MATLAB的函數，將公式代碼實現得到實測的三軸噪聲水平。

5 實驗結果驗證

根據其中1次測得的數據，經過MATLAB運算，測得該磁力計三個軸的噪聲系數分別是0．1555nT；0．2285nT；0．7051nT。實驗結果滿足通常三軸磁力計產品的特征，即X、Y軸的噪聲水平要好于Z軸。實驗結果如下圖5-1所示：

圖5-1 X、Y、Z軸噪聲水平

6 實驗總結

通過上述分析和實驗驗證，基于STM32控制芯片的磁場強度數據采集板設計合理、工作正常。運用行業規范和要求，經過MATLAB數學軟件計算對某款磁力計進行了成功的噪聲水平測試。減少了磁力計在使用中的誤差，為姿態數據融合校驗精度提高提供幫助，具有一定的應用價值。

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