双分量环形磁通门测斜传感器测量原理分析*

徐 斌,顾 伟

(上海海事大学科学研究院,上海 200135)



双分量环形磁通门测斜传感器测量原理分析*

徐 斌,顾 伟*

(上海海事大学科学研究院,上海 200135)

在地下勘测,钻井探矿等领域,需要测斜仪对钻头的姿态进行精确定位与控制,实时监测地底下钻头的姿态变化。现有的测斜仪通常为三分量磁通门传感器与三分量加速度传感器相结合,其结构复杂,且磁通门传感器与加速度传感器的轴向要求方向一致,因此需要人工调节与算法调节,加大了前期传感器布置与补偿的计算难度。本文研究了新型测斜传感器,采用环形铁芯设计和铁芯不固定的方法,设计了双分量环形磁通门传感器,并通过铁芯与磁通门传感器的敏感轴方向上磁通量之间的角度关系,通过三维坐标轴旋转计算得出测量被测物体的俯仰角等姿态变化。经过试验表明,新型测斜传感器能对物体的姿态角进行精准测量,精度高,且省去了加速度传感器,简化了传感器结构和测量参数,并且简化了角度测量算法与正交度补偿算法。

磁场测量;环形铁芯;磁通门;测斜仪

随着科技的发展,磁测量技术已经在越来越多的工业领域具有着重要的地位。磁通门传感器作为磁测量传感器的一员,具有性能优良、结构简单、体积小、重量轻、成本低等优点,已经得到了广泛认可以及应用。在地下勘测,钻井探矿等领域,需要测斜仪对钻头的姿态进行精确定位与控制,实时监测地底下钻头的姿态变化。现有的测斜仪通常为三分量磁通门传感器与三分量加速度传感器相结合,其结构复杂,且磁通门传感器与加速度传感器的轴向要求方向一致,因此需要人工调节与算法调节,加大了前期传感器布置与补偿的计算难度。

本文针对钻井的测斜角度要求小,精确度要求高等特点,设计了新型测斜传感器,采用环形双分量磁通门传感器和铁芯不固定的方法,通过铁芯与磁通门传感器的敏感轴磁通量之间的角度关系,测量被测物体的倾斜角度等姿态变化,省去了重力加速度传感器,具有结构简单,测量参数少,算法简单,正交度补偿算法简单等特点。

1 现有磁性测斜仪存在的问题

测斜技术是确定物体在空间的倾斜和倾向的专门技术,它应用于空间飞行器的惯性测量系统、机器人的机械臂伸展方向确定、车船体倾斜测量、岩体倾向判断、工程钻孔轨迹监测等许多方面。现今在许多工程测量领域,特别是空间物理和地球物理领域,发展了地球重力场和磁场的测量方法。这些方法用于测斜技术,即以三分量重力加速度计和三分量磁通门磁力计,构成测斜系统,测量物体轴向的静态重力加速度分量和磁场强度分量,把物体坐标系旋转到大地坐标系下,通过数值计算,误差校正,能准确确定物体的倾斜和倾向,判断物体的空间位置。

现有的磁场测斜仪在重力加速度传感器的辅助下,已经能精确测量物体的姿态角[1],满足大多数工业需求。然而传统磁场测斜仪在电路设计中,需要对三分量加速度数据及三分量磁场数据进行数模转换,调理,分析,详见文献[2-3]。在传感器组成结构中,必须对这两组三分量传感器进行严格的坐标轴重合调整,及三轴正交补偿。因此其测量算法及误差矫正算法略显复杂[4]。而且,现有的磁性测斜仪所采用的三分量磁通门传感器为双铁芯结构的磁通门传感器,其和三分量加速度传感器的几何中心均不在用一点上,也会引起磁场测量误差。

2 双分量环形磁通门传感器基本原理

磁通门对于环境磁场来说,好像是一道“门”,它能将环境磁场调制成偶次谐波感应电势,这种现象被称为磁通门现象[5]。

传统磁通门传感器有一个在弱磁场中就能达到饱和磁化的由高磁导率合金制成的磁芯,最基本的做法是在2个平行的磁芯上分别绕以初级和次级线圈,2个初级线圈串联起来通以激励磁场,使磁芯达到饱和状态,次级线圈与差动放大器相连[6]。在外磁场为零时,磁芯中所感应的交流磁通的正半周与负半周完全对称,从而消除变压器效应,次级线圈输出为0。当沿磁芯轴向有直流磁场时,则磁芯将在某一半周先达到饱和,正负半周不对称,2个次级线圈的输出电压差与磁通量的变化率成正比,测量此电压可得到地磁场的变化[7-8]。

现有磁通门传感器有单铁芯式和双铁芯式,本文的双分量环形铁芯设计是由双铁芯跑道型磁通门传感器改良而来。其铁芯线圈结构如图1所示。图1中灰色圆形为铁芯,为黄色代表激磁线圈,红色为感应线圈。

图1 环形磁芯磁通门探头结构

图2为双分量环形磁通门结构,图2中灰色圆形为铁芯,为黄色代表激磁线圈,红色为感应线圈1,蓝色为感应线圈2,感应线圈相互正交放置。因为在同铁芯上同时绕2组感应线圈,但因感应线圈基本垂直,正交度误差一般能控制在1°,因此,在感应线圈中只会产生小于sin(1°)的弱耦合磁场,因此可以忽略感应线圈之间的弱耦合磁场[9]。

图2 双分量环形磁芯磁通门结构

双分量环形磁通门的磁通门测量原理与单环形磁通门测量原理一致。环形铁芯可由任意直径为分界,分成形状尺寸和电磁参数完全对等的两部分,不考虑铁芯的退磁,聚磁,磁滞和趋肤效应,忽略铁芯饱和,磁导率μ变化对激磁电路阻抗的影响,即认为由恒流源激磁,激磁线圈在铁芯环形的任意切线方向形成磁场。所有切线方向的磁场按分割直径为X轴,垂直于直径为Y轴的方向进行分解,并积分可分别得到铁芯两部分的激磁磁场[10-11],如图1中X-Y轴所示。

设环形铁芯半径为R,激磁线圈匝数为N,恒流源电流为I,即在环形铁芯内部的激磁磁场为Hm=NNI。N平均分布于环形上,Hm与半周长πR成反比。对Hm沿着X轴与Y轴方向分解,积分为:

(3)

由三折线代表铁芯磁化曲线,则可由图3所示求解理想条件下的感应线圈输出信号。图3中HS为磁芯饱和磁场强度;H0为外加被测磁场;Hx为X轴方向的激磁磁场;μ0为磁芯未饱和时的磁导率,其中μ为铁芯磁导率;f1为激磁磁场频率;曲线H1和H2是两磁芯的磁场强度曲线。

图3 磁通门信号图解法

在图3中,当t=0时,两根磁芯上的激磁磁场强度均为最大;当被测磁场强度H0=0时,两磁芯中的磁场强度大小相等,方向相反,因而穿过公共感应线圈的磁场强度为零,从而使总的输出电势为零。当被测磁场强度H0不为零时,图3左下方实线所代表的磁芯上的激磁磁场与被测磁场H0同向,因而相加,磁芯饱和程度较深,返回饱和磁场强度HS需要的2πf1t2较大;虚线所代表的磁芯上的激磁磁场与被测磁场反向,因而相减,磁芯饱和程度较浅,返回饱和磁场强度-HS需要的时间2πf1t1较小。同理,实线所代表的磁芯上的激磁磁场强度在负半周时与被测磁场强度反向,达到反向饱和磁场强度-HS,需要的2πf1t4较大;虚线所代表的磁芯上的激磁磁场强度在正半周时与被测磁场强度H0同向,达到饱和磁场强度HS需要的2πf1t3较小[12]。以X轴为测量方向为例,图1中X轴左为上、其磁感应强度为B1,右为下、其磁感应强度为B2,X轴方向感应线圈在有外界磁场时的上下铁芯中的磁感应强度B分别为:

(4)

总感应线圈的中的磁通量φ为:

φ=BS=(B1+B2)S=S[μ1(H0+Hxcos(2π)f1t)+μ2(H0-Hxcos(2π)f1t)]

(5)

对感应线圈中的磁通量φ进行泰勒展开以及三角函数和差化积公式变换后得到磁通量的二次谐波分量φ2x和感应线圈输出二次谐波信号E2x:

(6)

其中,S为铁芯的横截面积,W2为感应线圈匝数。

(7)

3 新型测斜仪传感器测量原理及设计

本文基于现有的测斜仪其结构复杂,前期传感器布置与算法补偿难度大的问题,提出了应用铁芯不固定的方法的新型测斜原理,即采用环形磁通门传感器放于屏蔽桶中,且传感器铁芯浮于硅油之上。在传感器发生姿态变化时,即骨架偏离水平面时,铁芯仍然由于硅油液体的流动来始终保持在水平位置。因为磁场在屏蔽桶内,传感器是固定的,即内部空间磁场微弱且完全不变,水平变化量和HZ变化就有数学关系。一开始水平时,水平磁场总量是可以确定的一个矢量大小。如果原来中心点为某一固定磁场方向的矢量,在屏蔽桶倾斜时,该固定磁场方向的变化与屏蔽桶完全一致,传感器的感应线圈方向即测量方向也随着屏蔽桶一起发生方向变化。在倾斜时因为铁芯仍然水平,因此进入铁芯的磁通量发生变化,所以在原传感器测量的固定磁场方向上的水平总量大小发生变化,从而水平总量也发生相应变化。

图4 测斜仪传感器磁场走向示意图

由上文环形磁通门测量原理可以看出,环形磁通门传感器测量的磁场为沿磁芯轴向的直流磁场。其2个次级线圈的输出电压差与磁通量的变化率成正比,因此当铁芯与传感器感应线圈轴向不一致时,测量的磁场值的磁场方向为传感器感应线圈轴向的磁场方向。如图4所示,传感器斜置时,铁芯始终保持水平,在铁芯方向存在直流磁场,传感器的磁场测量方向为感应线圈的轴线方向。感应线圈所感应到的线圈轴向的磁通量变化与铁中的磁通量变化成θ角。在外部磁场不变的情况下,传感器中的磁通量总量不变。由平衡姿态测得的磁场和倾斜姿态时测得的磁场可计算得出测斜仪的倾角θ,并由倾角与双分量磁场数据计算得出物体的各个姿态角。其只需采用了两组双分量磁场数据即4个测量参数,进行计算,并且双分量环形磁通门传感器几何中心同点,测量算法与正交补偿算法得到有效的简化。

因传感器转动后,测量坐标轴原点不变,传感器所测磁场磁通量不变,磁场方向不变,其在大地坐标系O-XYZ中如图5所示。

图5 传感器倾角

图6 倾角角分解图

因为传感器在屏蔽桶内的相对位置不变,因此旋转后的磁场的坐标系O1-X1Y1Z1的原点与大地坐标系O-XYZ的原点重合。倾斜后,屏蔽桶内固有磁场方向随着屏蔽桶的方向变化而变化,原磁场方向与倾斜后的磁场方向夹角即为传感器倾角θ角。

(8)

由OZ1轴与OZ轴的夹角θ分解为OZ1轴与OZ轴的姿态角α与γ,如图6所示。

(9)

航向角α为测量坐标轴OX绕OZ轴旋转的角度,横滚角γ为测量坐标轴OY绕OX轴旋转的角度,俯仰角φ为测量坐标轴OX绕OY轴旋转的角度。

(10)

由方程(8)、(9)和矩阵方程(10)联立得出航向角α,横滚角γ,俯仰角φ。

基于新型测斜仪测量原理,针对现有磁性测斜仪传感器几何中心不重合以及测量算法和误差矫正算法复杂的问题,本文提出采用环型双分量磁通门传感器的新型磁性测斜仪传感器。新型磁性测斜仪传感器由磁通门传感器和小型磁屏蔽桶组成,如图7所示。在磁屏蔽桶的中央固定住环形磁通门传感器,磁通门传感器按水平面放置。

图7 测斜仪传感器结构图

图8 环形磁通门传感器内侧面剖视图

为了能够正确的测量钻头的姿态角变化,在测量磁场的时候,要对周围的环境磁场干扰进行屏蔽,使传感器置于一个相对不变化的磁场中。可在屏蔽装置中设置霍尔姆斯线圈,人为产生磁场或者直接利用过磁化磁屏蔽桶中的剩磁,该剩磁由屏蔽桶材料磁化所引起的磁场,其随着屏蔽桶的方向变化而变化,其大小不变在屏蔽桶中央的磁场方向相对于屏蔽桶是不变的。以该磁场被平行姿态时的传感器所测得的磁场为基准,与倾斜姿态时传感器测得的磁场进行比较计算。

同时对于双分量环形磁通门传感器,我们采用环形空心骨架,在骨架中放置半桶硅油,再放入环形铁芯薄皮,使铁芯浮于硅油之上,如图8所示。在传感器发生姿态变化时,即骨架偏离水平面时,铁芯仍然由于硅油液体的流动来始终保持在水平位置。

4 测斜传感器测试

本文对新型测斜仪进行了试验测试,图9为测试流程图、图10为测试用双分量环形磁通门传感器,三轴正交旋转平台及调试电路板的实物图。

图9 测试流程图

图10 测试用测斜传感器实物图

将双分量环形磁通门传感器置于屏蔽桶内固定,用三轴正交旋转平台的固定夹固定屏蔽桶位置,首先调节三轴正交旋转平台水平面,使环形磁通门传感器置于水平面之上。然后读取第1组原始水平时磁场数据。其磁场数据使用上位机进行磁场采集,采集频率为6 s 1个磁场数据。在实际测量中,使传感器静止后测量其1 min的磁场,磁场单位为nT。然后分别对其进行10°,20°,25°倾斜,采取任意4组不同角度组合的姿态,进行磁场测量,测得磁场测量值。每个角度时静止1 min,使采样数据稳定。

表1为测斜传感器测磁数据。水平无倾斜数据为测斜传感器置于三轴正交旋转平台调节至水平面时的数据。然后对三轴正交旋转平台进行调节使测斜传感器倾斜,三轴正交旋转平台调整至任取的4组角度时的实时磁场测量数据,在每个角度固定保持1 min,以确保测磁传感器的磁场数据稳定。

表1 新型测斜仪传感器磁场在各角度测量值

表2为测斜传感器在三轴正交旋转平台上倾斜时的4组角度读数,有三轴正交旋转平台的角度表盘读取,其精度为1°

表2 三轴正交旋转平台上的各个倾斜角度刻度值

表3为新型测斜仪测量计算出的传感器的各个姿态的姿态角,其由上位机进行数据计算后得出。

表3 新型测斜仪计算所得传感器的姿态角

比较表3中的计算数据与表2的三轴正交旋转平台的三组角度读数,可以看出,其误差不超过0.5°,因此新型测斜仪精度符合日常测量需要。

由上文的数据表可以看出,其与三轴正交旋转平台上的刻度读数基本一致,且传感器稳定性在1 nT,说明新型测斜仪可以准确测得传感器的各个姿态的姿态角,且误差小,精度高,结构简单,具有实用价值。

5 结论

从上文可以得出,本文所研究的新型测斜传感器,采用环形铁芯设计和铁芯不固定的方法,设计了固定于小型蔽桶中的双分量环形磁通门传感器,并通过铁芯与磁通门传感器的敏感轴方向上磁通量之间的角度关系,通过三维坐标轴旋转计算得出测量被测物体的俯仰角等姿态变化。其具有几何中心同点,铁芯参数一致,测磁灵敏度一致的特点。经过试验表明,新型测斜传感器能对物体的姿态角进行精准测量,精度高,且省去了加速度传感器,简化了传感器结构和测量参数,并且简化了角度测量算法与正交度补偿算法,对被测物体倾斜角不大的的场合具有实用价值,对以后测斜仪的发展提出了新的方向。

[1] 龙达峰,刘俊,张晓明. 陀螺测斜仪小角度井斜角测量的姿态提取方法[J]. 传感技术学报,2013,26(6):883-886.

[2]谢子殿,朱秀. 基于磁通门与重力加速度传感器的钻井测斜仪[J]. 传感器技术,2004,23(7):30-33.

[3]曾自强,王玉菡,高建华. 基于重力加速度传感器与磁通门的测井测斜仪[J]. 石油仪器,2011(4):38-40.

[4]张韦,刘诗斌,冯文光,等. 基于磁通门的三轴电子罗盘自动误差补偿方法[J]. 传感技术学报,2012,25(12):1696-1700.

[5]郭爱煌. 磁通门技术及其应用[J]. 传感器技术,2000,19(4):1-4.

[6]丁鸿佳,隋厚堂. 磁通门磁力仪和探头研制的最新进展[J]. 地球物理学进展,2004,19(4):743-745.

[7]Ripka P. Review of Fluxgate Sensors[J]. Sensors and Actuators A:Phys,1992(3):129-141.

[8]王锋,焦国太,安晓红. 三端式磁通门传感器的数学建模及数值分析[J]. 探测与控制学报,2008,30(5):22-25.

[9]Pavel R,Mattia B,Fan J,et al. Sensitivity and Noise of Wire-Core Transverse Fluxgate[J]. IEEE Transactions on Magnet ics,2010,46(2):654-657.

[10]刘腾飞. 环型磁通门传感器的研究与设计[D]. 华中科技大学软件工程,2010.

[11]干露. 高灵敏度环形磁通门传感器的研究与设计[D]. 华中科技大学微电子学与固体电子学,2008.

[12]焦秉刚,顾伟,张松勇. 三分量磁通门传感器非正交性误差校正[J]. 现代电子技术,2011,34(13):123-126.

[13]施一民,陈伟,施宝湘. 区域性独立坐标系与三维地心坐标系的转换[J]. 同济大学学报(自然科学版),2009,37(8):1104-1108.

徐斌(1985-),男,上海海事大学物流工程学院在读博士研究生,研究方向为磁场测量,xubin725@sina.com;

顾伟(1958-),男,上海海事大学,科学研究院,教授,博士生导师,现任上海海事大学科学研究院常务副院长、航运技术与控制工程交通行业重点实验室主任、上海市造船学会理事、中国电工学会船舶电气委员会理事。主要研究方向为港口、船舶自动化与机电一体化技术。主持和参加了上海市、交通部、企事业单位委托科研项目十多项,获中国航海科技三等奖一项、上海市科技进步奖二等奖两项及三等奖两项、安全生产科技成果奖三等奖一项。共申请专利23项,其中发明专利14项,实用新型9项;获得授权专利10项,其中发明专利1项,实用新型9项。在《IEEE transactions on IM》、《机械工程学报》、《电工技术学报》、《仪器仪表学报》、《中国电机工程学报》、《中国造船》等刊物发表论文近三十篇,其中EI、SCI、ISTP检索论文近二十篇,weigu@shmtu.edu.cn。

ANewRing-CorewithSingle-IronDualComponentFluxgateSensor*

XUBin,GUWei*

(Logistics Engineering College,Shanghai Maritime Univ.,Shanghai 200135,China)

In the underground survey,drilling exploration and other fields,the clinometers is need to pose for bit accurate positioning and control,and for monitoring ground drill attitude change. The inclinometer is usually designed by three component fluxgate sensor with three-component acceleration sensor,and its structure is complex. Because the axial fluxgate sensor and acceleration sensor requirements direction,therefore it needs to manual adjustment and algorithm adjustment,so the computational difficulty of the sensor arrangement and compensation is increase. The fluxgate sensor is usually double core structure. Because the three component fluxgate sensor geometry center point and core parameters are inconsistent,the difficulty of the three component fluxgate sensor correction is further increase. This paper studied the new inclinometer by using the method of unfixed core and annular iron design. Through the angle relationship between flux on the sensitive axis direction of the magnetic fluxgate sensor with the iron core,the pose variation of the measured object is measured. It eliminates the acceleration sensor and simplify the sensor structure and parameters and simplifies the angle measurement algorithm and orthogonal compensation algorithm.

fluxgate sensor;ring-core;double component with the same point

项目来源:国家国际科技合作专项项目(2012DFG7150)

2014-05-08修改日期:2014-07-22

10.3969/j.issn.1004-1699.2014.09.015

TP212

:A

:1004-1699(2014)09-1232-06