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1、基于磁通门与ARM的三分量磁力仪的研究,专业：检测技术与自动化装置导师：XXX姓名：XXX,01,课题背景,02,系统方案,03,系统硬件,04,系统软件,05,实验验证,目录,06,展望,第一章 课题背景,地球及周围的空间存在着磁场地磁场。它与地球引力场，地球的重力场和地球电场等地球物理场一样，同属天然地球物理场，在地磁学中，通常采用nT为单位。三分量磁力仪是测量大地坐标系下的不同点的两个水平地磁场分量X、Y和一个垂直地磁场分量Z的磁场测量仪。,课题背景地磁场介绍,课题背景地磁场测量的意义,地磁场是地球的基本场之一，与人类活动密切相关，地磁场的测量广泛的应用于矿产勘查、国防军工，航海导航等领
2、域。,课题背景常见三分量磁力仪,平台式,悬挂式,这两种三分量磁力仪均属于机械式三分量磁力仪，结构较复杂，可靠度较低，且易受到摆放位置的影响。,本文创新点,本文借鉴了测斜仪与井中三分量磁力仪的相关原理。设计了一种基于三轴磁通门与三轴加速度传感器的三维磁场测量磁力仪，可以最大限度的解决了传感器摆放位置对测量结果的影响。本文采用了高精度的磁通门传感器和三轴加速度传感器，并采用了相关的误差修正方法。通过软件对测量数据进行校正，提高了测量精度。,第二章 系统方案,系统方案系统结构框图,分辨率1 nT 测量精度为1%噪声及稳定性1nT 磁场测量范围0100000nT 采用铝制无磁性材料作为仪器外壳,系统方
3、案数学模型,系统方案数学模型探管坐标系,X轴方向垂直地表向下，当探管平放时，与重力方向平行。Z轴方向与探管方向平行。Y轴方向与X轴和Z轴形成的平面垂直。,（roll）,（pitch）,系统方案数学模型坐标系转换,探管坐标系下的磁场值,大地坐标系下的磁场值,系统方案误差修正误差的组成,加速度传感器和磁通门传感器本身的测量精度 磁场各分量由探管坐标系转换为大地坐标系统的转换精度,不正交 不共轴,系统方案误差修正修正数学模型,第一步 利用三轴磁通门传感器和三轴加速度传感器测量6组数据。第二步 计算出6个不正交偏差系数。第三步 计算出三个3个不共轴偏差系数。,Hx0 Hy0 Hz0 Gx0 Gy0 G
4、z0,第三章 系统硬件,系统硬件系统硬件框图,系统硬件系统硬件框图控制单元,LPC2366简介：（1）32位ARM7TDMI-S CPU内核的处理器，其工作频率为72MHz。（2）32KB的片内静态随机存储器，和512KB的具有在系统编程和在线应用编程功能片内Flash程序存储器。（3）拥有多达70个的GPIO管脚满足整个硬件设计需求。且支持标准的JTAG协议，方便程序的下载和调试。（4）4个32位的定时器/计数器及4个匹配寄存器。（5）一个SPI控制器和3个标准的IIC硬件接口。（6）4个UART串行通信接口。,系统硬件系统硬件框图硬件框图控制单元,复位电路：,晶振电路：采用了外部11.05
5、92MHz晶振,上电复位 看门狗复位,系统硬件系统硬件框图硬件框图激励单元,74LVC74双D型触发器 实现2分频 MC74VHC 异或门与74LVC74实现4分频,系统硬件系统硬件框图硬件框图AD单元,CS553224位双通道调制型AD转换器。,系统硬件系统硬件框图硬件框图AD单元,3路AD单元通过SPI总线与控制单元通信。,系统硬件系统硬件框图倾角测量单元,通过IIC总线与控制单元通信。MMA8451Q 14位轴数字加速度传感器。基于MEMS微机电技术，能够检测出小于1的倾角变化。,系统硬件系统硬件框图信号处理单元,第四章 系统软件,系统软件下位程序框图,系统软件上位程序框图,系统软件上位
6、程序框图三分量误差校正系统,系统软件上位程序框图三分量磁测系统,系统软件基于Matlab的转向差校正程序设计,（1）导入9项校正参数和N组测量数据。（2）利用计算每一组的Gx1、Gy1、Gz1。（3）利用和Gx1、Gy1、Gz1计算Gx0、Gy0、Gz0。（4）利用计算每一组的Hx0、Hy0、Hz0。（5）利用角度计算公式分别计算校正前后的两个角度值。（6）利用公式分别计算校正前后的大地坐标系下的三轴磁分量。（7）绘制出校正前后的Z轴磁分量和水平磁分量 的对比曲线图。（8）将N组校正前的测量数据和N组校正后的测量数据导入到Excel文件中。,第三章 实验验证,实验验证三分量磁力仪技术指标测试,
7、测试内容：静态误差及量程、分辨率、噪声及稳定性,实验验证三分量磁力仪技术指标测试,测试结果：磁力仪静态误差在1%以内，可以满足0100000nT的量程范围。X、Y、Z三个分量的分辨率均约为1nT。,，,，,X轴噪声及稳定性测试结果。噪声S=0.3nT1nT。稳定性S=0.7nT1nT。,实验验证三分量磁力仪技术指标测试基于BP神经网络的曲线拟合,训练函数采用学习率可变的动量BP算法traingdx，训练次数为2500次，训练精度为0.001。,实验验证三分量误差校正系统实验,通过2000年地磁图查得实验当地的地磁总量H0=48866nT，重力加速度值G0=9.78m/ss。,实验验证三分量误差校正系统实验,实验是将三分量磁力仪以一定小倾角安装在无磁转台上，旋转一周，每隔大约15采集一次数据，共选取24个点,。,实验验证 三分量磁测系统的应用,分别选取倾角为0、5、10、20，40左后，横滚角为任意角度时各选取4个点，共20个点进行数据采集。,实验验证 三分量磁测系统的应用,部分测量数据：,三分量磁力仪完整的实物图：,第六章 展望,在理论方面还需对坐标转换的数学模型及误差消除方法进行进一步的改进，提高坐标转换精度。在技术方面要进一步提高磁通门传感器及加速度传感器的测量精度。将采用陀螺传感器增加三分量磁力仪的自动寻北功能也作为后续研究方向。,谢谢各位老师 请提出宝贵意见,
