基于磁屏蔽桶的磁力计三轴噪声水平计算

潘家伟 成都理工大学信息科学与技术学院 刘丞鸣 天津职业技术师范大学自动化与电气工程学院

基于磁屏蔽桶的磁力计三轴噪声水平计算

潘家伟 成都理工大学信息科学与技术学院 刘丞鸣 天津职业技术师范大学自动化与电气工程学院

本案例以某款通用磁力计为实验载体，通过在三维屏蔽磁测桶产生的零磁空间将磁力计的三轴噪声水平运用数学工具计算出来。硬件部分基于STM32微处理器将磁力计的测量数据存储到SD卡内，经过ASSIC码到十进制数据转换产生可直接用于数学计算的实际数据。本方法通过MATLAB编程实现磁力计的三轴噪声水平计算，对磁力计精度测量相对其他方法更加规范合理，具有较好的实用性。

磁力计 STM32 零磁空间 MATLAB 噪声水平

1 引言

磁力计是姿态解算的重要部件，在我国各个领域都广泛使用。根据中华人民共和国地质矿产行业标准地面高精度磁测技术规程的磁力仪性能的校验，运用亥姆霍兹线圈制作的磁屏蔽桶营造出的零磁空间可以对磁力计三个轴的零偏进行量化计算，对磁力计的零偏数据进行加工处理将有助于姿态解算精度的提升。

2 设计方案

本系统硬件是针对某磁力计进行的零偏数据存储，硬件功能区如下图2-1所示：

图2-1 硬件电路结构框图

2.1 电路各单元功能介绍

整个电路板，实际上就是一个单片机最小系统的小拓展。电路板功能单元包括以下方面：

①主控芯片：STM32使用库函数开发，而且资料丰富便于学习和程序修改在微控制器领域使用普遍。其中本案例使用STM32ZET6为核心的处理器进行通信和数据存储。

②磁力计：采用某款时下通用的磁力计进行实验。

③电源模块：使用4．2v可充电锂电池进行供电，为减少文波干扰，使用滤波电路保证供电电平的平稳。

④磁感应强度数据存储：通过与STM32串口通信，把数据写入一张通用TF卡。

3 实验方法

磁测规范要求在使用磁力仪进行高精度磁测时，必须测定仪器的噪声水平。本次试用的硬件只做一套测试，因而根据规范内容必须单个磁力计在磁场稳定的地点进行数百次测试。为了既能够测出磁力计三轴的零偏同时测定磁力计的噪声水平，选择磁场强度为零的屏蔽桶内进行实验。磁屏蔽桶主要构成部件是亥姆霍兹线圈，成套的系统解决了亥姆三维地磁补偿线圈在地磁场屏蔽时无法屏蔽地磁的实时波动问题。在零磁空间内，分别实现X、Y、Z轴向磁场零的输入，这种情况下采集到的磁力计数据表征的是三个轴向的零偏情况。

4 MATLAB数据处理方案

数据处理方案因规范的要求，采用以下方法实现：

①实验的时间较长，记录的数据较多，第一个数开始间隔4个数抽点，MATLAB的函数形式为x1/y1/z1=VarName1/ VarName2/VarName3/(1：5：end)；

②数据采集为0．2HZ，采样读数间隔为5～10S，按照七点平滑取各个轴数据的平均值，用for函数实现从第四个数开始连续7个数取一个均值；

③用转置的办法把X、Y、Z轴三行数据转换成一个列矩阵；

④使用MATLAB的函数，将公式代码实现得到实测的三轴噪声水平。

5 实验结果验证

根据其中1次测得的数据，经过MATLAB运算，测得该磁力计三个轴的噪声系数分别是0．1555nT；0．2285nT；0．7051nT。实验结果满足通常三轴磁力计产品的特征，即X、Y轴的噪声水平要好于Z轴。实验结果如下图5-1所示：

图5-1 X、Y、Z轴噪声水平

6 实验总结

通过上述分析和实验验证，基于STM32控制芯片的磁场强度数据采集板设计合理、工作正常。运用行业规范和要求，经过MATLAB数学软件计算对某款磁力计进行了成功的噪声水平测试。减少了磁力计在使用中的误差，为姿态数据融合校验精度提高提供帮助，具有一定的应用价值。

[1]肖凡,徐学恭,张松堂,王应建,刘帆.G-858磁力仪的性能测试[J].地质装备,2013,(04):20-22

[2]杜佳良,丁亚东,赵俊杰.基于STM32的AD采集与SD卡数据存储[J].电脑知识与技术,2016,(12):235-237

[3]杜泽明,鲍峰.基于C#和MATLAB的实用测量数据处理[J].现代测绘,2010,(02):36-37