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基于磁通门与加速度传感器三分量磁力仪研究 　　摘 要： 磁力仪在国民生产中有着广泛的用途，在比较了传统的三分量磁力仪之后，提出一种基于磁通门与加速度传感器的三分量磁力仪。首先，简单地介绍了该磁力仪的硬件电路组成结构，之后，为了选用适当的优化算法对测量误差进行校正而重点讨论了该磁力仪的测量误差种类，后采用Nelder?Mead单纯形算法对于该磁力仪的不共轴误差进行校正。最后，做了测量及校正实验，并进行了实验结果分析。 　　关键词： 三分量； 磁力仪； 磁通门； 不共轴误差校正； Nelder?Mead单纯形算法 　　中图分类号： TN919?34； TH762.3 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2013）22?0096?03 　　0 引 言 　　磁场环境测量在舰船消磁、控制仪器、航空航天、地质探矿、工业自动化、无损检测、磁性导航等众多领域有着广泛的应用。而磁通门测磁仪器大量应用于低磁化设备磁场检测，它可以精确地检测出设备的弱小磁场。传统的三分量磁力仪主要有悬挂式磁力仪和手调式测量仪，前者是将三轴磁通门传感器安装在一个自由活动的罗经机构上，利用重力垂直向下的作用，使该磁传感器置于倾斜面时也能保持垂直向下。后者是将三轴传感器置于一个可调水平以及方位的铜质平台之上，在测量之前通过蜗轮蜗杆等将铜平台手动调整到理想状态，即z轴（垂直向下）为最大值，y轴为零。但这两种类型的磁力仪会存在大量的机械及人工误差。本文所介绍的基于磁通门与加速度传感器的三分量磁力仪，是利用传感器上的经过机械调节过的三轴加速度计以及磁通门传感器测量出的磁场值和加速度值，通过优化算法计算出不正交度和不共轴偏差角度，将任意方向的三维磁场分量转化到理想地磁坐标系上，解决了三分量磁传感器摆放姿态对测量结果的影响。 　　1 系统硬件总体设计 　　由文献[1]，该测磁仪本质上是一个数据采集、处理系统。上位机为 PC 机，下位机为LPC2366控制器。 系统的主要部分由电源模块、PC机、以ARM7为核心的 LPC2366 控制器、飞思卡尔公司的MMA8451Q高精度数字加速度计、磁通门传感器及其他外围电路构成。硬件框图如图1所示。 　　在该系统中电源模块提供硬件系统各??块正常工作所需的各式电源。磁通门传感器将采集到的数据通过信号调理电路及A/D转换电路将数字信号送入控制单元，同时控制单元会将一个激励信号回送给磁通门传感器以保证其正常工作。三轴加速度计与E2ROM芯片通过I2C总线直接将数据送入控制单元。控制单元将处理好的数据给PC机用以显示。 　　2 误差分析与建模 　　2.1 误差分析 　　在理想情况下，三轴加速度计和三个磁通门传感器各自的三根轴线必须两两正交，而且这两个坐标系的对应轴线必须相互重合。实际上，由于加工工艺和安装水平上限制，无论怎样调整，都不可避免地存在坐标系各轴不完全正交，每个轴的标定系数也不完全相等和两个坐标系对应轴不重合而引起的偏差，事实证明，这个偏差是造成测量结果误差的主要原因。文献[2]针对各轴之间的非理想正交和标定系数不一致而存在的误差，推导出一种校正模型，且构建目标函数，采用PSO算法对模型中的校正参数进行求解，实现误差的校正，提高了测量的准确度。 　　2.2 不共轴误差模型及优化函数 　　建立一个满足右手螺旋方向的探管坐标系，如图2所示，使x轴沿探管中心线方向，z轴垂直于探管中心线。 　　3 基于Nelder?Mead单纯形算法的误差修正 　　3.1 Nelder?Mead单纯形算法 　　Nelder?Mead单纯形算法是Nelder和Mead在1964年提出的，是一种无约束条件下多变量函数的寻优方法[6]。所谓单纯形就是在一定空间中最简单的图形。如二维空间（平面上），单纯形为三角形。又如三维空间，单纯形即四面体。算法的基本思想是先算出若干点处的函数值，然后将他们进行比较，从它们之间的大小关系就可以判断函数变化的大致趋势。 　　3.2 误差模型参数求解 　　由式（1）可知，误差模型中含有3个参数[α，β，λ]，即单纯形应为不在同一平面上的4个点构成的四面体。设[Xi=αiβiλi]。算法首先需给定4个点的初始值[X0X1X2X3]，一般产生初始单纯形时可取一正数[h]，令[Xi=X0+hEi]。其中，[Ei]为第[i]个单位坐标向量，[i=1，2，…，n]。之后，还需取定压缩因子[δ]，加大因子[μ]，精度[ε]。通过采用Nelder?Mead单纯形法使式（2）最小，从而确定[α，β，λ][7?8]。 　　4 实验及结果分析 　　为了验证算法的有效性，进行了磁场测量实验。实验环境为室外空旷低干扰磁场环境，实验平台为一台测斜仪校正台，并确保6个重磁传感器安装牢固[9]。实验中，在若干个不固