專利名稱：：空間三軸運(yùn)動(dòng)磁場模擬裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及磁場，有關(guān)空間變化磁場的仿真模擬設(shè)備，特別是一種基于矢量疊加和控制矩陣擬合自標(biāo)定算法的空間三軸運(yùn)動(dòng)磁場模擬裝置，可用于在小范圍空間內(nèi)仿真高精度運(yùn)動(dòng)磁場。
背景技術(shù)：
：在航天、空間科學(xué)等領(lǐng)域的科學(xué)研究與試驗(yàn)中，經(jīng)常需要在地面模擬空間飛行器在軌道飛行過程中相對飛行器本體的變化磁場。為了激勵(lì)目標(biāo)磁敏感器產(chǎn)生預(yù)期的輸出，目前典型的運(yùn)動(dòng)磁場模擬方法有兩種最直接的一種方式是用單軸線圈產(chǎn)生固定方向的磁場，將磁敏感器(又稱磁強(qiáng)計(jì))置于轉(zhuǎn)臺(tái)上，由轉(zhuǎn)臺(tái)的運(yùn)動(dòng)來改變磁場相對磁強(qiáng)計(jì)的方向進(jìn)而獲得相對敏感器的運(yùn)動(dòng)磁場。但這種模擬方式要求三軸無磁轉(zhuǎn)臺(tái)，設(shè)備相對昂貴，并且轉(zhuǎn)臺(tái)存在著轉(zhuǎn)角范圍限制和機(jī)械時(shí)延，精度不高。參見圖1。另一種方法正好相反磁強(qiáng)計(jì)位置固定，以磁場的運(yùn)動(dòng)來獲得相對運(yùn)動(dòng)磁場。采用無磁框架(如木質(zhì)或鋁質(zhì))搭構(gòu)空間正交的三軸磁線圈，每個(gè)方向采用兩個(gè)線框平行放置以獲得較好的磁場線性度，各軸向通過電流分別控制產(chǎn)生X、Y和Z方向的預(yù)設(shè)運(yùn)動(dòng)磁場，參見文獻(xiàn)[李金煉自動(dòng)模擬地磁場的人工磁場裝置福州大學(xué)學(xué)報(bào)Vol.25No51997.10P52～54]。如圖2所示。但這種磁場模擬器體積較大，不便搬動(dòng)，同時(shí)考慮地磁場的影響，必須保證三軸空間正交的精度、同軸線框間的平行度以及線框與試驗(yàn)當(dāng)?shù)卮艌龇较虻奶囟P(guān)系，其框架的安裝復(fù)雜繁瑣，并且整個(gè)設(shè)備移動(dòng)后，由于地磁場基底和線框狀態(tài)的變化，三軸電流控制系數(shù)均需要重新調(diào)整，比較費(fèi)時(shí)。相對第一種方法，實(shí)際是用安裝上的復(fù)雜度替代了敏感器轉(zhuǎn)臺(tái)控制的復(fù)雜度。實(shí)際應(yīng)用中往往只需要在磁強(qiáng)計(jì)所在的小空間內(nèi)產(chǎn)生模擬磁場就夠了，并且最好能應(yīng)用在磁敏感器已安裝在整機(jī)上的情況。這對轉(zhuǎn)臺(tái)式或框架式的磁模擬器都是無能為力的。因此迫切需要一種方便移動(dòng)，體積小巧，精度較高并且可以圍繞磁模擬區(qū)域任意放置的空間三軸運(yùn)動(dòng)磁場模擬裝置。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明要解決的技術(shù)問題在于克服上述已有技術(shù)存在的安裝繁瑣，定位難度大，不便對固聯(lián)整機(jī)的磁強(qiáng)計(jì)施加作用的缺點(diǎn)，提供一種空間三軸運(yùn)動(dòng)磁場模擬裝置，該裝置應(yīng)具有安裝定位難度小、移動(dòng)方便、體積小、重量輕、磁場模擬精度較高和可圍繞磁模擬區(qū)域任意放置的優(yōu)點(diǎn)。本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思是采用小型通電螺線管代替線圈，采用一體化固聯(lián)結(jié)構(gòu)達(dá)到小型化目的，同時(shí)由計(jì)算機(jī)軟件來擬合控制系數(shù)矩陣，用算法來簡化安裝的復(fù)雜性，無需再調(diào)整磁模擬器線框安裝方向。本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下一種空間三軸運(yùn)動(dòng)磁場模擬裝置，其特點(diǎn)在于它的構(gòu)成是①.一三軸磁模擬器是在一正方體固定框的三正交對稱軸位置向內(nèi)分別安設(shè)有螺線管，該三個(gè)螺線管的導(dǎo)線接入控制電纜接插口；②.該控制電纜接插口通過一電纜與一程控恒流源連接；③.一目標(biāo)磁強(qiáng)計(jì)通過信號(hào)線與帶有A/D采集卡的控制計(jì)算機(jī)相連；④.該計(jì)算機(jī)的輸出串行接口RS232通過導(dǎo)線接該程控恒流源。所述的三個(gè)螺線管軸線正交度＜5°，軸線間空間線距小于5毫米。本發(fā)明空間三軸運(yùn)動(dòng)磁場模擬裝置的制備方法，包括下列步驟①根據(jù)模擬磁場強(qiáng)度B，通過下式估算繞制螺線管的匝數(shù)、層數(shù)、體積<math><mrow><mi>B</mi><mo>=</mo><munderover><mi>Σ</mi><mrow><mi>i</mi><mo>=</mo><mn>1</mn></mrow><mi>m</mi></munderover><munderover><mi>Σ</mi><mrow><mi>j</mi><mo>=</mo><mn>1</mn></mrow><mi>n</mi></munderover><msub><mi>B</mi><mn>0</mn></msub><mo>=</mo><munderover><mi>Σ</mi><mrow><mi>i</mi><mo>=</mo><mn>1</mn></mrow><mi>m</mi></munderover><munderover><mi>Σ</mi><mrow><mi>j</mi><mo>=</mo><mn>1</mn></mrow><mi>n</mi></munderover><mfrac><mrow><msub><mi>μ</mi><mn>0</mn></msub><msup><msub><mi>IR</mi><mi>i</mi></msub><mn>2</mn></msup></mrow><mrow><mn>2</mn><msup><mrow><mo>(</mo><msup><msub><mi>R</mi><mi>i</mi></msub><mn>2</mn></msup><mo>+</mo><msup><msub><mi>x</mi><mi>j</mi></msub><mn>2</mn></msup><mo>)</mo></mrow><mrow><mn>3</mn><mo>/</mo><mn>2</mn></mrow></msup></mrow></mfrac></mrow></math>其中m為螺線管線圈層數(shù)n為每層線圈的匝數(shù)Ri＝Ro+(i-1)dXi＝Xo+(j-1)dd為導(dǎo)線直徑；Ro是最內(nèi)圈回路半徑；Xo是離螺線管最近匝線圈平面距離；②繞制螺線管，并將三個(gè)螺線管正交安裝在正方體固定框上，該三個(gè)螺線管的軸線正交度＜5°，其軸線間空間線距小于5毫米；③將各元部件通過導(dǎo)線連接，形成控制計(jì)算機(jī)通過A/D數(shù)據(jù)采集卡，對目標(biāo)磁強(qiáng)計(jì)反饋采樣，通過RS232串口驅(qū)動(dòng)程控恒流源為三軸磁模擬器提供控制電流；④分別對x、y、z螺線管單獨(dú)通電，用磁強(qiáng)計(jì)測試模擬磁場，并畫出控制電壓與各軸磁強(qiáng)輸出曲線圖，檢查數(shù)據(jù)線性度；⑤通過下式的矢量線性疊加原理Bx＝k11Vx+k12Vy+k13Vz+B0xBy＝k21Vx+k22Vy+k23Vz+B0yBz＝k31Vx+k32Vy+k33Vz+B0z每次僅控制改變一軸螺線管電流，另外兩軸電流給為零，分別形成(1)令Vy＝0，Vz＝0，改變Vx，有Bx＝k11Vx+BoxBy＝k21Vx+BoyBz＝k31Vx+Boz(2)令Vx＝0，Vz＝0，改變Vy，有Bx＝k12Vy+BoxBy＝k22Vy+BoyBz＝k32Vy+Boz(3)令Vx＝0，Vy＝0，改變Vz，有Bx＝k31Vz+BoxBy＝k32Vz+BoyBz＝k33Vz+Boz⑥根據(jù)最小二乘方法擬合確定⑤中的系數(shù)k11～k33，構(gòu)建磁模擬控制矩陣<math><mrow><mi>A</mi><mo>=</mo><mfencedopen='['close=']'><mtable><mtr><mtd><msub><mi>k</mi><mn>11</mn></msub></mtd><mtd><msub><mi>k</mi><mn>12</mn></msub></mtd><mtd><msub><mi>k</mi><mn>13</mn></msub></mtd></mtr><mtr><mtd><msub><mi>k</mi><mn>21</mn></msub></mtd><mtd><msub><mi>k</mi><mn>22</mn></msub></mtd><mtd><msub><mi>k</mi><mn>23</mn></msub></mtd></mtr><mtr><mtd><msub><mi>k</mi><mn>31</mn></msub></mtd><mtd><msub><mi>k</mi><mn>32</mn></msub></mtd><mtd><msub><mi>k</mi><mn>33</mn></msub></mtd></mtr></mtable></mfenced><mo>;</mo></mrow></math>⑦求逆矩陣A-1；⑧計(jì)算機(jī)根據(jù)A-1控制各線圈電壓，對模擬磁場進(jìn)行控制。本發(fā)明裝置最核心的部分是小型化的三軸磁模擬器和控制矩陣標(biāo)定擬合算法。本發(fā)明裝置的工作過程是首先擬合標(biāo)定裝置的控制系數(shù)，控制計(jì)算機(jī)通過串口輸出若干組擬合電壓，經(jīng)程控恒流源對磁模擬器三軸施加電流控制，由目標(biāo)磁敏感器檢測產(chǎn)生的模擬磁場，并將其信號(hào)作為反饋采集進(jìn)控制計(jì)算機(jī)，通過控制算法逐漸擬合出控制矩陣及抵銷地磁場的基值電壓。然后利用計(jì)算出的控制算法對磁模擬器進(jìn)行預(yù)定的磁場模擬控制。本發(fā)明較現(xiàn)有磁模擬方法有如下積極效果1.本發(fā)明作為一種運(yùn)動(dòng)磁場模擬裝置，由于以磁場的運(yùn)動(dòng)替代了轉(zhuǎn)臺(tái)上敏感器的運(yùn)動(dòng)，可做到360度三維連續(xù)模擬，精度較高。省略了轉(zhuǎn)臺(tái)，從而減小了模擬磁器的空間體積、重量，做到小型化。2.通過算法進(jìn)一步簡化了模擬器線框初始安裝定位的難度，方便移動(dòng)，可以圍繞磁模擬區(qū)域任意放置，可以對已安裝在整機(jī)上的磁敏感器進(jìn)行磁模擬激勵(lì)，有利于進(jìn)行整機(jī)閉環(huán)仿真。本發(fā)明具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值、推廣意義1.在一定的空間范圍內(nèi)產(chǎn)生均勻磁場，可以是零磁場，也可以是某一設(shè)定磁場，為磁測量裝置提供背景磁場。2.針對需要仿真的目標(biāo)在地球磁場空間內(nèi)運(yùn)動(dòng)，包括平動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，磁場相對目標(biāo)不斷變化，本發(fā)明可以在模擬空間產(chǎn)生相對目標(biāo)自身的運(yùn)動(dòng)磁場，或特定的磁場。便于實(shí)現(xiàn)目標(biāo)磁環(huán)境特性，包括干擾磁場的物理仿真。磁場可以是單分量磁場，也可以是兩分量和三分量磁場。3.可提供低頻磁場源，為磁敏感測量裝置提供磁場測量的物理環(huán)境。4.可用于小型磁設(shè)備的調(diào)試，系統(tǒng)測試或生產(chǎn)驗(yàn)收。圖1為第一種傳統(tǒng)運(yùn)動(dòng)磁場模擬器示意圖圖2為第二種傳統(tǒng)運(yùn)動(dòng)磁場模擬器示意圖圖3為本發(fā)明空間三軸運(yùn)動(dòng)磁場模擬裝置連接示意圖圖4是本發(fā)明三軸磁模擬器內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖圖5是本發(fā)明三軸磁模擬螺線管繞制關(guān)系示意圖圖6是本發(fā)明磁模擬器X軸控制電壓與磁強(qiáng)計(jì)X輸出關(guān)系曲線。具體實(shí)施例方式下面結(jié)合實(shí)施例及其附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。首先請參閱圖3、圖4，由圖可知，本發(fā)明空間三軸運(yùn)動(dòng)磁場模擬裝置構(gòu)成如下①.一三軸磁模擬器1是在一正方體固定框11的三正交對稱軸位置向內(nèi)分別安設(shè)有螺絲管12、13、14，該三個(gè)螺線管12、13、14的導(dǎo)線接入控制電纜接插口15；②.該控制電纜接插口15通過一電纜2與一程控恒流源3連接；③.一目標(biāo)磁強(qiáng)計(jì)7通過信號(hào)線6與帶有A/D采集卡的控制計(jì)算機(jī)5相連；④.該計(jì)算機(jī)5的輸出串行接口RS232通過導(dǎo)線4接該程控恒流源3。其中三軸磁模擬器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖4所示，由三個(gè)正交安裝的螺線管12、13、14和外固定框11以及控制電纜接插口15組成。磁螺線管12、13、14的繞制依據(jù)如下根據(jù)畢奧-沙伐爾定律可以求出載電流I，半徑為R的圓形回路在其軸線上一點(diǎn)所引起的磁感應(yīng)，見式(1)。擴(kuò)展到m層，每層n匝的情況，見式(2)。<math><mrow><msub><mi>B</mi><mn>0</mn></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>μ</mi><mn>0</mn></msub><msup><mi>IR</mi><mn>2</mn></msup></mrow><mrow><mn>2</mn><msup><mrow><mo>(</mo><msup><mi>R</mi><mn>2</mn></msup><mo>+</mo><msup><mi>x</mi><mn>2</mn></msup><mo>)</mo></mrow><mrow><mn>3</mn><mo>/</mo><mn>2</mn></mrow></msup></mrow></mfrac><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow><mo>(</mo><mn>1</mn><mo>)</mo></mrow></mrow></math>u0為磁導(dǎo)率，真空中為4π×10-7亨利/米x為距回路平面的距離<math><mrow><mi>B</mi><mo>=</mo><munderover><mi>Σ</mi><mrow><mi>i</mi><mo>=</mo><mn>1</mn></mrow><mi>m</mi></munderover><munderover><mi>Σ</mi><mrow><mi>j</mi><mo>=</mo><mn>1</mn></mrow><mi>n</mi></munderover><msub><mi>B</mi><mn>0</mn></msub><mo>=</mo><munderover><mi>Σ</mi><mrow><mi>i</mi><mo>=</mo><mn>1</mn></mrow><mi>m</mi></munderover><munderover><mi>Σ</mi><mrow><mi>j</mi><mo>=</mo><mn>1</mn></mrow><mi>n</mi></munderover><mfrac><mrow><msub><mi>μ</mi><mn>0</mn></msub><msup><msub><mi>IR</mi><mi>i</mi></msub><mn>2</mn></msup></mrow><mrow><mn>2</mn><msup><mrow><mo>(</mo><msup><msub><mi>R</mi><mi>i</mi></msub><mn>2</mn></msup><mo>+</mo><msup><msub><mi>x</mi><mi>j</mi></msub><mn>2</mn></msup><mo>)</mo></mrow><mrow><mn>3</mn><mo>/</mo><mn>2</mn></mrow></msup></mrow></mfrac><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow><mo>(</mo><mn>2</mn><mo>)</mo></mrow></mrow></math>式中Ri＝R0+(i-1)d(3)xj＝x0+(j-1)d(4)d是導(dǎo)線直徑，R0是最內(nèi)圈回路半徑，x0是離螺線管最近匝線圈平面距離；m為螺線管線圈層數(shù)；n為每層線圈的匝數(shù)。將(3)(4)式帶入(2)式便可根據(jù)需要模擬的磁場磁感應(yīng)強(qiáng)度B的大小選擇螺線管繞制的合適層數(shù)m與每層的匝數(shù)n，參閱圖5；進(jìn)一步考慮螺線管銅線的電阻率、線徑還可以估算出螺線管的質(zhì)量、功耗。為了簡化磁模擬器1在使用時(shí)的初始安置，本發(fā)明的設(shè)計(jì)允許磁模擬器1圍繞磁強(qiáng)計(jì)7區(qū)域任意放置，不必要求磁模擬器1的磁軸一定與磁強(qiáng)計(jì)7的軸線重合，也無須考慮環(huán)境地磁場的方向。所有這些必須在軟件控制算法中解決。一般情況控制電壓與模擬磁場的關(guān)系很可能是非線性的，需要繁雜的標(biāo)定。不過幸運(yùn)的是由于需要模擬的磁場區(qū)域較小，只要將磁強(qiáng)計(jì)7放置在螺線管12、13、14軸線附近便可以滿足模擬磁場與控制電壓(電流)的線性關(guān)系。那么三軸控制的疊加也成線性關(guān)系，本裝置巧妙利用了這一性質(zhì)。如式5所示。具體算法描述為<math><mrow><mover><mi>B</mi><mi>ω</mi></mover><mo>=</mo><msub><mi>V</mi><mi>x</mi></msub><mo>·</mo><msub><mover><mi>B</mi><mi>ω</mi></mover><mi>x</mi></msub><mo>+</mo><msub><mi>V</mi><mi>y</mi></msub><mo>·</mo><msub><mover><mi>B</mi><mi>ω</mi></mover><mi>y</mi></msub><mo>+</mo><msub><mi>V</mi><mi>z</mi></msub><mo>·</mo><msub><mover><mi>B</mi><mi>ω</mi></mover><mi>z</mi></msub><mo>+</mo><msub><mover><mi>B</mi><mi>ω</mi></mover><mn>0</mn></msub></mrow></math>式中Vx、Vy、Vz——加在三個(gè)螺線管12、13、14上的控制電壓(標(biāo)量)，可控；——磁強(qiáng)計(jì)7測得的結(jié)果，上述幾個(gè)磁場的疊加，可測?！鬏S單位控制電壓在磁強(qiáng)計(jì)7放置點(diǎn)產(chǎn)生的磁場矢量；——試驗(yàn)地點(diǎn)的環(huán)境磁場；A——控制電壓到磁強(qiáng)計(jì)測量值之間的模擬矩陣(3×3)。目標(biāo)磁強(qiáng)計(jì)7和本磁模擬裝置相對位置固定后，是定值，A也就是常值矩陣。求取模擬矩陣A以及環(huán)境基磁的過程是輸出若干組(一般5～7組即可)控制電壓并測量相應(yīng)的模擬磁場根據(jù)線性最小二乘法估計(jì)可以擬合確定出控制系數(shù)矩陣A與的具體值，具體計(jì)算也可以利用數(shù)學(xué)計(jì)算軟件。線性最小二乘法擬合原理如下對于給定一組數(shù)據(jù){(xi，yi)，i＝1，2，...，N}，希望采用線性多項(xiàng)式模型y(x)＝f(a，x)＝a1x+a2(6)對數(shù)據(jù)組進(jìn)行描述，求取a1，a2使下式達(dá)到最小<math><mrow><msubsup><mrow><mo>|</mo><mo>|</mo><mi>δ</mi><mo>|</mo><mo>|</mo></mrow><mn>2</mn><mn>2</mn></msubsup><mo>=</mo><mi>min</mi><mrow><mo>(</mo><munderover><mi>Σ</mi><mrow><mi>i</mi><mo>=</mo><mn>1</mn></mrow><mi>N</mi></munderover><msup><mrow><mo>(</mo><msub><mi>y</mi><mi>i</mi></msub><mo>-</mo><mi>f</mi><mrow><mo>(</mo><mi>a</mi><mo>,</mo><msub><mi>x</mi><mi>i</mi></msub><mo>)</mo></mrow><mo>)</mo></mrow><mn>2</mn></msup><mo>)</mo></mrow><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow><mo>(</mo><mn>7</mn><mo>)</mo></mrow></mrow></math>解為＝V-1·y(8)其中<math><mrow><mover><mi>a</mi><mo>)</mo></mover><mo>=</mo><mfencedopen='['close=']'><mtable><mtr><mtd><msub><mi>a</mi><mn>1</mn></msub></mtd></mtr><mtr><mtd><msub><mi>a</mi><mn>2</mn></msub></mtd></mtr></mtable></mfenced><mo>,</mo></mrow></math><math><mrow><mi>V</mi><mo>=</mo><mfencedopen='['close=']'><mtable><mtr><mtd><msub><mi>x</mi><mn>1</mn></msub></mtd><mtd><mn>1</mn></mtd></mtr><mtr><mtd><msub><mi>x</mi><mn>2</mn></msub></mtd><mtd><mn>1</mn></mtd></mtr><mtr><mtd><mi>M</mi></mtd><mtd><mi>M</mi></mtd></mtr><mtr><mtd><msub><mi>x</mi><mi>N</mi></msub></mtd><mtd><mn>1</mn></mtd></mtr></mtable></mfenced><mo>,</mo></mrow></math><math><mrow><mi>y</mi><mo>=</mo><mfencedopen='['close=']'><mtable><mtr><mtd><msub><mi>y</mi><mn>1</mn></msub></mtd></mtr><mtr><mtd><msub><mi>y</mi><mn>2</mn></msub></mtd></mtr><mtr><mtd><mi>M</mi></mtd></mtr><mtr><mtd><msub><mi>y</mi><mi>N</mi></msub></mtd></mtr></mtable></mfenced><mo>.</mo></mrow></math>這里，V就是著名的Vandermonde矩陣。A與B0求出后，然后反解(5)式可以得到需要模擬的磁場與控制電壓的對應(yīng)關(guān)系，參見(9)式<math><mrow><mover><mi>V</mi><mi>ω</mi></mover><mo>=</mo><msup><mi>A</mi><mrow><mo>-</mo><mn>1</mn></mrow></msup><mo>·</mo><mrow><mo>(</mo><mover><mi>B</mi><mi>ω</mi></mover><mo>-</mo><msub><mover><mi>B</mi><mi>ω</mi></mover><mn>0</mn></msub><mo>)</mo></mrow><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow><mo>(</mo><mn>9</mn><mo>)</mo></mrow></mrow></math>另外，多次實(shí)踐證明如果磁環(huán)境較好(磁場穩(wěn)定度小于額定誤差量級)，可以只對模擬矩陣擬合標(biāo)定一次后，直接進(jìn)行開環(huán)控制，不必反饋。只有磁環(huán)境穩(wěn)定度較差時(shí)可以把模擬矩陣當(dāng)作時(shí)變函數(shù)，通過反饋進(jìn)行實(shí)時(shí)擬合標(biāo)定。本發(fā)明的制作方法包括下列步驟第1步，根據(jù)(2)式估算的磁模擬器螺線管的匝數(shù)、層數(shù)、體積、功耗等參數(shù)繞制螺線管12、13、14，見圖5，將三軸螺線管正交安裝在圖5所示的框架上，三個(gè)螺線管12、13、14的軸線正交度保證在5度以內(nèi)，軸線間空間線距小于5mm即可，由后續(xù)算法補(bǔ)償安裝精度。第2步，按一般控制系統(tǒng)搭建方式，控制計(jì)算機(jī)5通過A/D數(shù)據(jù)采集卡對目標(biāo)磁強(qiáng)計(jì)7反饋采樣，通過RS232串口驅(qū)動(dòng)程控恒流源3為磁模擬器1提供控制電流。第3步，以目標(biāo)磁強(qiáng)計(jì)7各軸量程均為-50000nT～+50000nT為例，首先控制磁模擬器1的X軸輸出，使目標(biāo)磁強(qiáng)計(jì)7輸出基本覆蓋量程，另外兩軸輸出為零。如控制電壓序列為Vx＝[-101234]伏特，Vy＝0，Vz＝0模擬產(chǎn)生的磁場B為表中灰色部分，Bx、By、Bz分別為目標(biāo)磁強(qiáng)計(jì)7三軸的輸出，目標(biāo)磁強(qiáng)計(jì)7的放置不同，輸出也會(huì)不同，此處數(shù)據(jù)僅為說明該方法。序號(hào)1～n控制電壓Vx(mV)磁敏感器測模擬磁場(10nT)BxByBz1-10004910130-26853166112-2660141598-2648327832627208070260538405925682031000420005300064000第4步，分別畫出控制電壓與各軸磁敏感器輸出的曲線圖，檢測采樣數(shù)據(jù)線性度，參見圖6。如果線性度不好，可能需要檢查是否存在磁環(huán)境干擾。第5步，在上文所述矢量線性疊加原理以及Vy＝0，Vz＝0的前提下，有Bx＝k11Vx+B0xBy＝k21Vx+B0yBz＝k31Vx+B0z利用(8)式最小二乘法擬合Vx與磁敏感器各軸輸出間的線性關(guān)系，得到模擬矩陣A的第一列和環(huán)境基磁場矢量第6步，同理重復(fù)上述第3步～第5步，分別對磁模擬器Y軸、Z軸模擬矩陣列向量擬合，得到模擬矩陣A的第二列和第三列以及環(huán)境基磁場矢量第7步，拼裝模擬矩陣<math><mrow><mi>A</mi><mo>=</mo><mfencedopen='['close=']'><mtable><mtr><mtd><msub><mi>k</mi><mn>11</mn></msub></mtd><mtd><msub><mi>k</mi><mn>12</mn></msub></mtd><mtd><msub><mi>k</mi><mn>13</mn></msub></mtd></mtr><mtr><mtd><msub><mi>k</mi><mn>21</mn></msub></mtd><mtd><msub><mi>k</mi><mn>22</mn></msub></mtd><mtd><msub><mi>k</mi><mn>23</mn></msub></mtd></mtr><mtr><mtd><msub><mi>k</mi><mn>31</mn></msub></mtd><mtd><msub><mi>k</mi><mn>32</mn></msub></mtd><mtd><msub><mi>k</mi><mn>33</mn></msub></mtd></mtr></mtable></mfenced><mo>,</mo></mrow></math>對A求矩陣的逆得到控制矩陣A-1；為提高精度可以對環(huán)境基磁平均，利用(9)式對模擬磁場進(jìn)行控制。權(quán)利要求1、一種空間三軸運(yùn)動(dòng)磁場模擬裝置，其特征在于它的構(gòu)成是①.一三軸磁模擬器(1)是在一正方體固定框(11)的三正交對稱軸位置向內(nèi)分別安設(shè)有螺線管(12、13、14)，該三個(gè)螺線管(12、13、14)的導(dǎo)線接入控制電纜接插口(15)；②.該控制電纜接插口(15)通過一電纜(2)與一程控恒流源(3)連接；③.一目標(biāo)磁強(qiáng)計(jì)(7)通過信號(hào)線(6)與帶有A/D采集卡的控制計(jì)算機(jī)(5)相連；④.該計(jì)算機(jī)(5)的輸出串行接口RS232通過導(dǎo)線(4)接該程控恒流源(3)。2、根據(jù)權(quán)利要求1所述的空間三軸運(yùn)動(dòng)磁場模擬裝置，其特征在于所述的三個(gè)螺線管(12、13、14)軸線正交度保證在5°以內(nèi)，軸線間空間線距小于5毫米。3、根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的空間三軸運(yùn)動(dòng)磁場模擬裝置(含控制算法)的制備方法，其特征在于該方法包括下列步驟①根據(jù)模擬磁場強(qiáng)度B，通過下式計(jì)算螺線管(12、13、14)的匝數(shù)、層數(shù)、體積<math><mrow><mi>B</mi><mo>=</mo><munderover><mi>Σ</mi><mrow><mi>i</mi><mo>=</mo><mn>1</mn></mrow><mi>m</mi></munderover><munderover><mi>Σ</mi><mrow><mi>j</mi><mo>=</mo><mn>1</mn></mrow><mi>n</mi></munderover><msub><mi>B</mi><mn>0</mn></msub><mo>=</mo><munderover><mi>Σ</mi><mrow><mi>i</mi><mo>=</mo><mn>1</mn></mrow><mi>m</mi></munderover><munderover><mi>Σ</mi><mrow><mi>j</mi><mo>=</mo><mn>1</mn></mrow><mi>n</mi></munderover><mfrac><mrow><msub><mi>μ</mi><mn>0</mn></msub><mi>I</mi><msup><msub><mi>R</mi><mi>i</mi></msub><mn>2</mn></msup></mrow><mrow><mn>2</mn><msup><mrow><mo>(</mo><msup><msub><mi>R</mi><mi>i</mi></msub><mn>2</mn></msup><mo>+</mo><msup><msub><mi>x</mi><mi>j</mi></msub><mn>2</mn></msup><mo>)</mo></mrow><mrow><mn>3</mn><mo>/</mo><mn>2</mn></mrow></msup></mrow></mfrac></mrow></math>式中Ri＝Ro+(i-1)dXi＝Xo+(j-1)dM為螺線管線圈的層數(shù)；n為每層線圈的匝數(shù)；d為導(dǎo)線直徑；Ro是最內(nèi)圈回路半徑；Xo是離螺線管最近一匝線圈平面距離；②繞制螺線管，并將三個(gè)螺線管(12、13、14)正交安裝在正方體固定框上，三個(gè)螺線管(12、13、14)的軸線正交度＜5°，其軸線間空間線距小于5毫米；③將各元部件通過導(dǎo)線連接，形成控制計(jì)算機(jī)(5)通過A/D數(shù)據(jù)采集卡，對目標(biāo)磁強(qiáng)計(jì)(7)的反饋采樣，通過RS232串口驅(qū)動(dòng)程控恒流源(3)為三軸磁模擬器(1)提供控制電流；④分別對x、y、z螺線管(12、13、14)單獨(dú)通電，磁強(qiáng)計(jì)(7)測試模擬磁場，并畫出控制電壓與各軸磁強(qiáng)輸出曲線圈，檢查數(shù)據(jù)線性度；⑤通過下式矢量線性疊加原理Bx＝k11Vx+k12Vy+k13Vz+B0xBy＝k21Vx+k22Vy+k23Vz+B0yBz＝k31Vx+k32Vy+k33Vz+B0z每次僅控制改變一軸螺線管電流，另外兩軸電流給為零，分別形成(1)令Vy＝0，Vz＝0，改變Vx，有Bx＝k11Vx+BoxBy＝k21Vx+BoyBz＝k31Vx+Boz(2)令Vx＝0，Vz＝0，改變Vy，有Bx＝k12Vy+BoxBy＝k22Vy+BoyBz＝k32Vy+Boz(3)令Vx＝0，Vy＝0，改變Vz，有Bx＝k31Vz+BoxBy＝k32Vz+BoyBz＝k33Vz+Boz⑥根據(jù)最小二乘方法擬合確定⑤中的系數(shù)k11～k33，構(gòu)建磁模擬矩陣<math><mrow><mi>A</mi><mo>=</mo><mfencedopen='['close=']'><mtable><mtr><mtd><msub><mi>k</mi><mn>11</mn></msub></mtd><mtd><msub><mi>k</mi><mn>12</mn></msub></mtd><mtd><msub><mi>k</mi><mn>13</mn></msub></mtd></mtr><mtr><mtd><msub><mi>k</mi><mn>21</mn></msub></mtd><mtd><msub><mi>k</mi><mn>22</mn></msub></mtd><mtd><msub><mi>k</mi><mn>23</mn></msub></mtd></mtr><mtr><mtd><msub><mi>k</mi><mn>31</mn></msub></mtd><mtd><msub><mi>k</mi><mn>32</mn></msub></mtd><mtd><msub><mi>k</mi><mn>33</mn></msub></mtd></mtr></mtable></mfenced><mo>;</mo></mrow></math>⑦求逆矩陣A-1；⑧計(jì)算機(jī)(5)根據(jù)A-1控制各線圈電壓，對模擬磁場進(jìn)行控制。全文摘要本發(fā)明涉及一種空間三軸運(yùn)動(dòng)磁場模擬裝置，它的構(gòu)成是①一三軸磁模擬器是在一正方體固定框的三正交對稱軸位置向內(nèi)分別安設(shè)有螺線管，該三個(gè)螺線管的導(dǎo)線接入控制電纜接插口；②該控制電纜接插口通過一電纜與一程控恒流源連接；③一目標(biāo)磁強(qiáng)計(jì)通過信號(hào)線與帶有A/D采集卡的控制計(jì)算機(jī)相連；④該計(jì)算機(jī)的輸出串行接口RS232通過導(dǎo)線接該程控恒流源。本發(fā)明具有體積小、重量輕、磁場模擬精度較高、安裝定位難度小、移動(dòng)方便以及可圍繞磁模擬區(qū)域任意放置等特點(diǎn)。文檔編號(hào)G01R33/00GK1580802SQ200410018490公開日2005年2月16日申請日期2004年5月20日優(yōu)先權(quán)日2004年5月20日發(fā)明者陳宏宇,朱振才,張靜,姜浩申請人:中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所