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1、(10)申请公布号 CN 103760503 A (43)申请公布日 2014.04.30 CN 103760503 A (21)申请号 201410046621.3 (22)申请日 2014.02.10 G01R 33/02(2006.01) (71)申请人 清华大学 地址 100084 北京市海淀区 100084-82 信箱 (72)发明人 戴亚奇 王世栋 杨福源 (74)专利代理机构 北京清亦华知识产权代理事 务所 ( 普通合伙 ) 11201 代理人 张大威 (54) 发明名称 交变磁场方向测量方法及系统 (57) 摘要 本发明提供一种交变磁场方向测量方法及 系统， 其中系统包括 ： 。
2、第一旋转装置、 第二旋转装 置、 第一测量线圈、 第二测量线圈、 旋转架、 测量装 置和控制器， 第一旋转装置通过旋转架与第一测 量线圈相连， 用于旋转第一测量线圈 ； 第二旋转 装置与第二测量线圈相连， 用于旋转第二测量线 圈 ； 测量装置分别与第一测量线圈和第二测量线 圈相连， 用于测量第一、 第二测量线圈的感应电 压 ； 控制器， 用于对第一、 二旋转装置进行控制， 并在测量装置所测量的感应电压为零时检测第一 和第二测量线圈的转角以得到磁场方向。根据本 发明实施例的系统， 通过测量两个测量线圈的感 应电压为零时的转角得到磁方向， 提高了测量精 度且过程快捷。 (51)Int.Cl. 权利。
3、要求书 2 页 说明书 7 页 附图 2 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书2页 说明书7页 附图2页 (10)申请公布号 CN 103760503 A CN 103760503 A 1/2 页 2 1. 一种交变磁场方向测量系统， 包括第一旋转装置、 第二旋转装置、 第一测量线圈、 第 二测量线圈、 旋转架、 测量装置和控制器， 其特征在于， 所述第一旋转装置通过所述旋转架与所述第一测量线圈相连， 用于旋转第一测量线 圈 ； 所述第二旋转装置与所述第二测量线圈相连， 用于旋转所述第二测量线圈 ； 所述测量装置分别与所述第一测量线圈和所述第二测量线圈相连。
4、， 用于测量所述第一 测量线圈和所述第二测量线圈的感应电压 ； 所述控制器， 用于对所述第一旋转装置和所述第二旋转装置的运行进行控制， 通过闭 合所述第一旋转装置且断开所述第二旋转装置， 以检测出所述测量装置的感应电压为零时 所述第一测量线圈的转角， 通过闭合所述第二旋转装置且断开所述第一旋转装置， 以检测 出所述测量装置的感应电压为零时所述第二测量线圈的转角， 所述控制器进一步根据所述 第一测量线圈的转角和所述第二测量线圈的转角得到磁场方向。 2. 如权利要求 1 所述的交变磁场方向测量系统， 其特征在于， 还包括 ： 预处理模块， 用于对所述第一测量线圈和所述第二测量线圈所产生的感应电压进。
5、行选 择截止频率的过滤、 放大和去噪处理。 3. 如权利要求 1 所述的交变磁场方向测量系统， 其特征在于， 所述第一测量线圈的法 线与所述第二测量线圈的法线相互垂直。 4. 如权利要求 1 所述的交变磁场方向测量系统， 其特征在于， 所述第一测量线圈固设 在所述旋转架的内部， 所述第一旋转装置以 X 轴为轴心进行旋转。 5. 如权利要求 1 所述的交变磁场方向测量系统， 其特征在于， 所述第二测量线圈设置 在所述第一测量线圈的内部， 所述第二旋转装置以与所述旋转架固连的 Z 轴为轴心进行旋 转。 6. 如权利要求 1 所述的交变磁场方向测量系统， 其特征在于， 所述第一旋转装置转动 时， 带。
6、动所述旋转架、 所述第一测量线圈、 所述第二旋转装置和所述第二测量线圈以 X 轴为 轴心进行转动。 7. 如权利要求 1 所述的交变磁场方向测量系统， 其特征在于， 所述第二旋转装置转动 时， 带动所述第二测量线圈共同旋转。 8. 一种交变磁场方向测量方法， 采用包括第一旋转装置、 第二旋转装置、 第一测量线 圈、 第二测量线圈的交变磁场方向测量系统进行测量， 其中， 所述用于旋转第一测量线圈的 第一旋转装置通过所述旋转架与所述第一测量线圈相连， 用于旋转所述第二测量线圈的第 二旋转装置与所述第二测量线圈相连， 其特征在于， 所述测量方法包括以下步骤 ： 第一测量步骤， 通过闭合所述第一旋转装。
7、置且断开所述第二旋转装置， 并转动所述第 一测量线圈， 以检测出所述测量装置的感应电压为零时所述第一测量线圈的转角 ； 第二测量步骤， 通过闭合所述第二旋转装置且断开所述第一旋转装置， 并转动所述第 二测量线圈， 以检测出所述测量装置的感应电压为零时所述第二测量线圈的转角 ； 磁场方向获得步骤， 根据所述第一测量线圈的转角和所述第二测量线圈的转角获得磁 场方向。 9. 如权利要求 8 所述的交变磁场方向测量方法， 其特征在于， 所述第一测量步骤具体 包括 ： 权 利 要 求 书 CN 103760503 A 2 2/2 页 3 通过闭合所述第一旋转装置且断开所述第二旋转装置， 并转动所述第一测。
8、量线圈， 以 通过所述测量装置测量所述第一测量线圈的感应电压 ； 对所述第一测量线圈的感应电压进行过滤、 放大和去噪处理 ； 判断所处理后所述第一测量线圈的感应电压是否为零 ； 当所述第一测量线圈的感应电压为零时， 记录所述第一测量线圈的转角。 10. 如权利要求 8 所述的交变磁场方向测量方法， 其特征在于， 所述第二测量步骤具体 包括 ： 通过闭合所述第二旋转装置且断开所述第一旋转装置， 并转动所述第二测量线圈， 以 通过所述测量装置测量所述第二测量线圈的感应电压 ； 对所述第二测量线圈的感应电压进行过滤、 放大和去噪处理 ； 判断所处理后所述第二测量线圈的感应电压是否为零 ； 当所述第二。
9、测量线圈的感应电压为零时， 记录所述第二测量线圈的转角。 权 利 要 求 书 CN 103760503 A 3 1/7 页 4 交变磁场方向测量方法及系统 技术领域 0001 本发明涉及磁场技术领域， 特别涉及一种交变磁场方向测量方法及系统。 背景技术 0002 交变磁场往往是由不同频率的磁场耦合而成， 因此对于交变磁场的测量需要首先 选定滤波截止频率， 使得所测磁场为该耦合场中某一确定频率的单一磁场。 因此， 我们讨论 交变磁场的测量， 实际上指的是对交变磁场中某一频率磁场的测量， 而单一频率磁场方向 往往是在一条直线上变化的， 因此现有的交变磁场方向测量主要原理是法拉第电磁感应定 律， 由。
10、此衍生的两种主要测量方法是最大磁通法和感生电动势计算方法。最大磁通法是将 测量线圈探入测量当地， 改变线圈法线方向直至感应电动势最大。则此时线圈法线方向即 为当地磁场方向。感生电动势计算方法是将多个线圈同时探入测量当地， 通过测量各线圈 感生电动势计算出各个线圈法线方向的磁场分量， 从而解得磁场方向。 0003 现有主要的交变磁场方向的测量方法是最大磁通法， 利用线圈自由转动测量其电 信号， 当电信号达到峰值时 （即线圈法向与磁场方向相同时） 线圈所对位置即为当地磁场方 向。由于在测量终点附近 E 的变化很小， 因此测得的电信号往往不能经过放大电路以免产 生误差， 因此测得的磁场方向精度低。而。
11、感生电动势计算方法也由于信号不能够放大且计 算复杂， 因此往往不被使用。 0004 整体上来说， 现有的方式虽然可以得到磁场方向， 但存在计算量大使用不便， 或由 于测量方式的限制无法对电信号进行优化处理进而降低了准确性。 发明内容 0005 本发明的目的旨在至少解决上述的技术缺陷之一。 0006 为此， 本发明一方面提供一种交变磁场方向测量系统。 0007 本发明的另一方面提出一种交变磁场方向测量方法。 0008 有鉴于此， 本发明一方面的实施例提出一种交变磁场方向测量系统， 包括第一旋 转装置、 第二旋转装置、 第一测量线圈、 第二测量线圈、 旋转架、 测量装置和控制器， 所述第 一旋转装。
12、置通过所述旋转架分别与所述第一测量线圈和所述第二旋转装置相连， 用于旋转 所述旋转架、 所述第一测量线圈、 所述第二旋转装置和所述第二测量线圈 ； 所述第二旋转装 置与所述第二测量线圈相连， 用于旋转所述第二测量线圈 ； 所述测量装置分别与所述第一 测量线圈和所述第二测量线圈相连， 用于测量所述第一测量线圈和所述第二测量线圈的感 应电压 ； 所述控制器， 用于对所述第一旋转装置和所述第二旋转装置的运行进行控制， 通过 闭合所述第一旋转装置且断开所述第二旋转装置， 以检测出所述测量装置的感应电压为零 时所述第一测量线圈的转角， 通过闭合所述第二旋转装置且断开所述第一旋转装置， 以检 测出所述测量。
13、装置的感应电压为零时所述第二测量线圈的转角， 所述控制器进一步根据所 述第一测量线圈的转角和所述第二测量线圈的转角得到磁场方向。 0009 根据本发明实施例的系统， 通过测量两个测量线圈的感应电压为零时的转角得到 说 明 书 CN 103760503 A 4 2/7 页 5 磁方向， 提高了测量精度且过程快捷计算量小。 0010 在本发明的一个实施例中， 还包括 ： 预处理模块， 用于对所述第一测量线圈和所述 第二测量线圈所产生的感应电压进行选择截止频率的过滤、 放大和去噪处理。 0011 在本发明的一个实施例中， 所述第一测量线圈的法线与所述第二测量线圈的法线 相互垂直。 0012 在本发明。
14、的一个实施例中， 所述第一测量线圈固设在所述旋转架的内部， 所述第 一旋转装置以 X 轴为轴心进行旋转。 0013 在本发明的一个实施例中， 所述第二测量线圈设置在所述第一测量线圈的内部， 所述第二旋转装置以与所述旋转架固连的 Z 轴为轴心进行旋转。 0014 在本发明的一个实施例中， 所述第一旋转装置转动时， 带动所述旋转架、 所述第一 测量线圈、 所述第二旋转装置和所述第二测量线圈以 X 轴为轴心进行转动。 0015 在本发明的一个实施例中， 所述第二旋转装置转动时， 带动所述第二测量线圈共 同旋转。 0016 本发明另一方面的实施例提出了一种交变磁场方向测量方法， 采用包括第一旋 转装置。
15、、 第二旋转装置、 第一测量线圈、 第二测量线圈的交变磁场方向测量系统进行测量， 其中， 所述用于旋转第一测量线圈的第一旋转装置通过所述旋转架与所述第一测量线圈相 连， 用于旋转所述第二测量线圈的第二旋转装置与所述第二测量线圈相连， 所述测量方法 包括以下步骤 ： 第一测量步骤， 通过闭合所述第一旋转装置且断开所述第二旋转装置， 并 转动所述第一测量线圈， 以检测出所述测量装置的感应电压为零时所述第一测量线圈的转 角 ； 第二测量步骤， 通过闭合所述第二旋转装置且断开所述第一旋转装置， 并转动所述第二 测量线圈， 以检测出所述测量装置的感应电压为零时所述第二测量线圈的转角 ； 磁场方向 获得步。
16、骤， 根据所述第一测量线圈的转角和所述第二测量线圈的转角获得磁场方向。需要 补充的是， 若加工精度足够使得所述第一、 第二测量线圈彼此垂直平分， 那么此时根据对称 性， 它们之间互感为零， 因此测量过程中彼此电信号不会相互干扰， 则此时所述第一、 第二 测量线圈可以在测量过程中始终闭合， 无需断开。 0017 根据本发明实施例的方法， 通过测量两个测量线圈的感应电压为零时的转角得到 磁方向， 提高了测量精度且过程快捷计算量小。 0018 在本发明的一个实施例中， 所述第一测量步骤具体包括 ： 通过闭合所述第一旋转 装置且断开所述第二旋转装置， 并转动所述第一测量线圈， 以通过所述测量装置测量所。
17、述 第一测量线圈的感应电压 ； 对所述第一测量线圈的感应电压进行过滤、 放大和去噪处理 ； 判断所处理后所述第一测量线圈的感应电压是否为零 ； 当所述第一测量线圈的感应电压为 零时， 记录所述第一测量线圈的转角。 0019 在本发明的一个实施例中， 所述第二测量步骤具体包括 ： 通过闭合所述第二旋转 装置且断开所述第一旋转装置， 并转动所述第二测量线圈， 以通过所述测量装置测量所述 第二测量线圈的感应电压 ； 对所述第二测量线圈的感应电压进行过滤、 放大和去噪处理 ； 判断所处理后所述第二测量线圈的感应电压是否为零 ； 当所述第二测量线圈的感应电压为 零时， 记录所述第二测量线圈的转角。 00。
18、20 本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出， 部分将从下面的描述中变 得明显， 或通过本发明的实践了解到。 说 明 书 CN 103760503 A 5 3/7 页 6 附图说明 0021 本发明上述的和 / 或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变 得明显和容易理解， 其中， 0022 图 1 为根据本发明一个实施例的交变磁场方向测量系统的结构框图 ； 0023 图 2 为根据本发明一个实施例的交变磁场方向测量系统的结构示意图 ； 0024 图 3 为根据本发明一个实施例的旋转装置带动线圈转到零电压的原理示意图 ； 0025 图 4 为根据本发明一个实施例的交变磁场方向。
19、测量方法的流程图。 具体实施方式 0026 下面详细描述本发明的实施例， 实施例的示例在附图中示出， 其中自始至终相同 或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。 下面通过参考附图描 述的实施例是示例性的， 仅用于解释本发明， 而不能理解为对本发明的限制。 0027 在本发明的描述中， 需要理解的是， 术语 “中心” 、“纵向” 、“横向” 、“上” 、“下” 、“前” 、 “后” 、“左” 、“右” 、“竖直” 、“水平” 、“顶” 、“底” 、“内” 、“外” 等指示的方位或位置关系为基于 附图所示的方位或位置关系， 仅是为了便于描述本发明和简化描述， 而不是指示或暗示所。
20、 指的装置或元件必须具有特定的方位、 以特定的方位构造和操作， 因此不能理解为对本发 明的限制。此外， 术语 “第一” 、“第二” 仅用于描述目的， 而不能理解为指示或暗示相对重要 性。 0028 在本发明的描述中， 需要说明的是， 除非另有明确的规定和限定， 术语 “安装” 、“相 连” 、“连接” 应做广义理解， 例如， 可以是固定连接， 也可以是可拆卸连接， 或一体地连接 ； 可 以是机械连接， 也可以是电连接 ； 可以是直接相连， 也可以通过中间媒介间接相连， 可以是 两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言， 可以具体情况理解上述术语在本 发明中的具体含义。 0029 图1为。
21、根据本发明一个实施例的交变磁场方向测量系统的结构框图。 如图1所示， 根据本发明实施例的交变磁场方向测量系统， 包括 ： 第一旋转装置 100、 第一测量线圈 200、 旋转架 300、 第二测量线圈 400、 第二旋转装置 500、 测量装置 600 和控制器 700。 0030 具体地， 第一旋转装置 100 通过旋转架 300 与第一测量线圈 200 相连， 用于旋转第 一测量线圈200。 第二旋转装置500与第二测量线圈400相连， 用于旋转第二测量线圈400。 0031 测量装置 600 分别与第一测量线圈 200 和第二测量线圈 400 相连， 用于测量第一 测量线圈 200 和第。
22、二测量线圈 400 的感应电压。控制器 700 用于对第一旋转装置 100 和第 二旋转装置 500 的运行进行控制， 通过闭合第一旋转装置 100 且断开第二旋转装置 500， 以 检测出测量装置 600 的感应电压为零时第一测量线圈 200 的转角， 通过闭合第二旋转装置 500且断开第一旋转装置100， 以检测出测量装置600的感应电压为零时第二测量线圈的转 角， 控制器 700 进一步根据第一测量线圈 200 的转角和第二测量线圈 400 的转角得到磁场 方向。 0032 在本发明的一个实施例中， 第一测量线圈的法线与第二测量线圈的法线相垂直， 第一测量线圈固设在旋转架的内部， 且第一。
23、旋转装置100以X轴为轴心进行旋转。 第二测量 线圈设置在第一测量线圈的内部， 第二旋转装置 500 以与旋转架 300 固连的 Z 轴为轴心进 说 明 书 CN 103760503 A 6 4/7 页 7 行旋转。第一旋转装置 100 转动时， 带动旋转架 300、 第一测量线圈 200、 第二旋转装置 500 和第二测量线圈 400 以 X 轴为轴心进行转动。 0033 在本发明的一个示例中， 还包括预处理模块。该预处理模块用于对第一测量线圈 和第二测量线圈所产生的感应电压进行可以选择截止频率的过滤、 放大和去噪处理从而测 量耦合场中的不同频率磁场方向。 0034 在本发明的一些示例中， 。
24、当线圈内部磁通量发生改变时， 线圈内部会产生感生电 动势， 若线圈为闭合回路则能够产生感生电流。 因此根据法拉第电磁感应定律， 线圈中感生 电动势通过如下公式计算， 该公式可表示为 ：其中， 为通过线圈内部的总磁通 （若为 n 匝线圈， 则其为原来的 n 倍） 。 0035 若法线与当地磁场夹角为的线圈， 则感应电动势可表示为 ： 其中， A 为线圈面积， 若线圈为 n 匝， 则乘以系数 n， B 为磁感应强度。 0036 对单一磁场其场内任一点磁场方向变化仅在一条直线上， 将该条直线称为磁场在 这一点的有效磁场方向 （下称磁场方向） ， 我们所测量的就是这个方向。 0037 在本领域中假设所。
25、有磁场测量均假设磁场于测量当地方向一致， 若将闭合的测量 线圈进入交变磁场中， 由可知当且仅当其法线方向与当地磁场方向垂直 时该线圈不产生感生电流或电动势， 进而通过计算等得到当地的磁场方向。 0038 在本发明的一个实施例中， 由于需要测量耦合场中的某一频率磁场方向， 因此测 得的电信号必须先经过预处理模块进行针对所测频率的滤波。而由于测量终点电信号为 零， 为保证测量精确性， 所得感应电压信号必须经过放大。 0039 图 2 为根据本发明一个实施例的交变磁场方向测量系统的结构示意图。该交变磁 场方向测量系统的测量过程为具体如下 ： 0040 首先， 将该测量装置置于待测地的磁场中， 并将第。
26、一测量线圈 200 和第二测量线 圈 400 处于初始位置。如图 2 所示， 将旋转架 300 和第二测量线圈 400 的法线方向为 y 轴 方向， 第一测量线圈 200 的法线方向为 z 轴方向。将该状态下第一旋转装置 100 和第二旋 转装置 500 的转角为 0。其中 xyz 方向在测量过程中不发生变化， 并将第一测量线圈 200 的 法线方向与第二旋转装置 500 相反的方向为 z ， 因此 z 是 z 轴绕 x 旋转所获得的且与旋转 架 300 固连。 0041 控制器 700 停止第二旋转装置 500（即断开第二测量线圈） ， 并转动第一旋转装置 100 （即闭合第一测量线圈 20。
27、0 的回路） 。由第一旋转装置 100 带动第一测量线圈 200 转动。 测量装置600实时测量第一测量线圈200在交变磁场中产生的电压。 在此时， 由于第二测量 线圈 400 断开无感应电动势， 因此对第一测量线圈 200 不会产生影响。若磁场方向与第一 测量线圈 200 平面不平行， 则其必与 x 轴不平行。图 3 为根据本发明一个实施例的旋转装 置带动线圈转到零电压的原理示意图。如图 3 所示， 根据空间几何知识， 磁场方向必与 x 轴 形成一平面。 当一级旋转装置带动一级线圈沿x轴旋转至时， 则可知此时磁场方向与 一级线圈平面平行， 即磁场方向与线圈法线方向垂直。根据此时 =90 说 。
28、明 书 CN 103760503 A 7 5/7 页 8 度， 可知此时线圈感生电动势为 0， 输出电信号也应该为零。 0042 然后， 当测量装置 600 对第一测量线圈 200 的测量的电压为 0 时， 控制器 700 停止 转动第一旋转装置100， 并记录第一测量线圈200的转角。 该状态下第一测量线圈200与磁 场方向相互垂直。 0043 之后， 控制器 700 断开第一旋转装置 100 的电路以停止第一测量线圈 200， 并闭合 第二旋转装置 500 的回路以带动第二测量线圈 400。在旋转过程中测量装置 600 测量第二 测量线圈 400 的感应电压。若磁场方向与第二测量线圈 40。
29、0 的平面不平行， 则其必与 z 轴 不平行， 根据空间几何知识， 磁场方向必与 z 轴形成一平面 。当第二旋转装置 500 带动 第二测量线圈 400 沿 z 轴旋转至 时， 磁场方向与第二测量线圈 400 的平面平行， 即磁 场方向与第二测量线圈 400 的法线方向垂直。因此根据公式此时 =90 度， 可知此时第二测量线圈 400 的电动势为 0， 输出电信号也应该为零。 0044 当所测量的第二测量线圈 400 的电压为 0 时， 控制器 700 停止转动第二旋转装置 500， 并获得第二测量线圈 400 的转角。在该状态下， 第二测量线圈 400 与磁场方向相互垂 直。 0045 最后。
30、， 根据输出的两级旋转装置转角信号， 按照公式计算得到当地相对于基座的 磁场方向。 0046 通过上述处理可知， 由于第二旋转装置 500 的轴线为第一测量线圈的法线方向， 因此第一测量线圈和第二测量线圈的发现相互垂直。可通过第一测量线圈 200 和第二测量 线圈 400 的转角可得到磁场方向。 0047 假设第一测量线圈200和第二测量线圈400的转角分别为A和B， 可通过向量表示 磁场方向， 该向量可表示为，（cosB， -sinBcosA,sinBsinA） 。 0048 上述为本发明实施例对于方向不变的单一磁场方向的测量方法， 对于多个各自方 向不变的磁场合成的方向不唯一的耦合磁场， 。
31、若其中某一个或多个磁场频率已测得且与其 他磁场频率相差很大， 则通过预处理模块对所获得的信号进行可以选择截止频率的过滤、 放大和去噪处理从而测量耦合场中的不同频率磁场方向。 该预处理模块可包括滤波器放大 器和去噪设备， 将所获得的电信号通过放大器和滤波器进行放大和滤波等处理。 0049 根据本发明实施例的系统， 通过测量两个测量线圈的感应电压为零时的转角得到 磁方向， 提高了测量精度且过程快捷。 0050 图 4 为根据本发明一个实施例的交变磁场方向测量方法的流程图。如图 4 所示， 根据本发明实施例的交变磁场方向测量方法， 包括以下步骤 ： 通过闭合第一旋转装置且断 开第二旋转装置， 并转动。
32、第一测量线圈， 以检测出测量装置的感应电压为零时第一测量线 圈的转角 （步骤 101） 。通过闭合第二旋转装置且断开第一旋转装置， 并转动第二测量线圈， 以检测出测量装置的感应电压为零时第二测量线圈的转角 （步骤 103） 。根据第一测量线圈 的转角和第二测量线圈的转角获得磁场方向 （步骤 105） 。 0051 根据本发明实施例的交变磁场方向测量方法， 通过测量两个测量线圈的感应电压 为零时的转角得到磁方向， 提高了测量精度且过程快捷。 0052 在步骤 101 中， 通过闭合第一旋转装置且断开第二旋转装置， 并转动第一测量线 圈， 以通过测量装置测量第一测量线圈的感应电压。 对第一测量线圈。
33、的感应电压进行过滤、 说 明 书 CN 103760503 A 8 6/7 页 9 放大和去噪处理。判断所处理后第一测量线圈的感应电压是否为零。当第一测量线圈的感 应电压为零时， 记录第一测量线圈的转角。 0053 在步骤 103 中， 通过闭合第二旋转装置且断开第一旋转装置， 并转动第二测量线 圈， 以通过测量装置测量第二测量线圈的感应电压。 对第二测量线圈的感应电压进行过滤、 放大和去噪处理。判断所处理后第二测量线圈的感应电压是否为零。当第二测量线圈的感 应电压为零时， 记录第二测量线圈的转角。 0054 在本发明的一些示例中， 当线圈内部磁通量发生改变时， 线圈内部会产生感生电 动势， 。
34、若线圈为闭合回路则能够产生感生电流。 因此根据法拉第电磁感应定律， 线圈中感生 电动势通过如下公式计算， 该公式可表示为 ：其中， 为通过线圈内部的总磁通 （若为 n 匝线圈， 则其为原来的 n 倍） 。 0055 若法线与当地磁场夹角为 的线圈， 则感应电动势可表示为 ： 其中， A 为线圈面积， 若线圈为 n 匝， 则乘以系数 n， B 为磁感应强度。 0056 对单一磁场其场内任一点磁场方向变化仅在一条直线上， 将该条直线称为磁场在 这一点的有效磁场方向 （下称磁场方向） 。 0057 在本领域中假设所有磁场测量均假设磁场于测量当地方向一致， 若将闭合的测量 线圈进入交变磁场中， 由可知。
35、当且仅当其法线方向与当地磁场方向垂直 时该线圈不产生感生电流或电动势， 进而通过计算等得到当地的磁场方向。 0058 在本发明的一个实施例中， 由于需要测量耦合场中的某一频率磁场方向， 因此测 得的电信号必须先经过预处理模块进行滤波， 而由于测量终点电信号为零， 为保证测量精 确性， 所得感应电压信号必须经过放大。 0059 图 2 为根据本发明一个实施例的交变磁场方向测量系统的结构示意图。该交变磁 场方向测量系统的测量过程为具体如下 ： 0060 步骤 201， 将该测量系统置于待测地的磁场中， 并将第一测量线圈 200 和第二测量 线圈 400 处于初始位置。如图 2 所示， 将旋转架 3。
36、00 和第二测量线圈 400 的法线方向为 y 轴方向， 第一测量线圈 200 的法线方向为 z 轴方向。将该状态下第一旋转装置 100 和第二 旋转装置 500 的转角为 0。其中 xyz 方向在测量过程中不发生变化， 并将第一测量线圈 200 的方向与第二旋转装置 500 相反的方向为 z ， 因此 z 是 z 轴绕 x 旋转所获得的。 0061 停止第二旋转装置 500 （即断开第二测量线圈） ， 并转动第一旋转装置 100 （即闭合 第一测量线圈 200 的回路） 。由第一旋转装置 100 带动第一测量线圈转动产生感应电动势。 测量装置实时测量第一测量线圈 200 所产生的电压。在此时。
37、， 由于第二测量线圈 400 断开 个无感应电动势， 因此对第一测量线圈200不会产生影响。 若磁场方向与第一测量线圈200 平面不平行， 则其必与x轴不平行。 图3为根据本发明一个实施例的旋转装置带动线圈转到 零电压的原理示意图。如图 3 所示， 根据空间几何知识， 磁场方向必与 x 轴形成一平面 。 当一级旋转装置带动一级线圈沿x轴旋转至时， 则可知此时磁场方向与一级线圈平面平 行， 即磁场方向与线圈法线方向垂直。 根据此时=90度， 可知此时线圈 说 明 书 CN 103760503 A 9 7/7 页 10 感生电动势为 0， 输出电信号也应该为零。 0062 步骤 203， 当测量装。
38、置对第一测量线圈 200 的测量的电压为 0 时， 停止转动第一旋 转装置100， 并记录第一测量线圈200的转角。 该状态下第一测量线圈200与磁场方向相互 垂直。 0063 步骤 204， 断开第一旋转装置 100 的电路以停止第一测量线圈 200， 并闭合第二旋 转装置500的回路以带动第二测量线圈400。 在旋转过程中测量装置测量第二测量线圈400 的感应电压。若磁场方向与第二测量线圈 400 的平面不平行， 则其必与 z 轴不平行， 根据 空间几何知识， 磁场方向必与 z 轴形成一平面 。当第二旋转装置 500 带动第二测量线圈 400 沿 z 轴旋转至 时， 磁场方向与第二测量线圈。
39、 400 的平面平行， 即磁场方向与第二测 量线圈 400 的法线方向垂直。因此根据公式此时 =90 度， 可知此时第 二测量线圈 400 的电动势为 0， 输出电信号也应该为零。 0064 步骤 205， 当所测量的第二测量线圈 400 的电压为 0 时， 停止转动第二旋转装置 500， 并获得第二测量线圈 400 的转角。在该状态下， 第二测量线圈 400 与磁场方向相互垂 直。 0065 步骤 206， 根据输出的两级旋转装置转角信号， 按照公式计算得到当地相对于基座 的磁场方向。 0066 通过上述处理可知， 由于第二旋转装置 500 的轴线为第一测量线圈的法线方向， 因此第一测量线圈。
40、和第二测量线圈的发现相互垂直。可通过第一测量线圈 200 和第二测量 线圈 400 的转角可得到磁场方向。 0067 假设第一测量线圈200和第二测量线圈400的转角分别为A和B， 可通过向量表示 磁场方向， 该向量可表示为，（cosB， -sinBcosA,sinBsinA） 。 0068 上述为本发明实施例对于方向不变的单一磁场方向的测量方法， 对于多个各自方 向不变的磁场合成的方向不唯一的耦合磁场， 若其中某一个或多个磁场频率已测得且与其 他磁场频率相差很大， 则通过预处理模块对所获得的信号进行可以选择截止频率的过滤、 放大和去噪处理从而测量耦合场中的不同频率磁场方向。 该预处理模块可包。
41、括滤波器放大 器和去噪设备， 将所获得的电信号通过放大器和滤波器进行放大和滤波等处理。 0069 根据本发明实施例的交变磁场方向测量方法， 通过测量两个测量线圈的感应电压 为零时的转角得到磁方向， 提高了测量精度且过程简洁计算量小。 0070 尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例， 可以理解的是， 上述实施例是示例 性的， 不能理解为对本发明的限制， 本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨 的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、 修改、 替换和变型。 说 明 书 CN 103760503 A 10 1/2 页 11 图 1 图 2 说 明 书 附 图 CN 103760503 A 11 2/2 页 12 图 3 图 4 说 明 书 附 图 CN 103760503 A 12 。