基于高温数字磁通门的三分量井中磁力仪的制作方法

1.本发明涉及矿产资源勘探领域，尤其涉及一种基于高温数字磁通门的三分量井中磁力仪。


背景技术：

2.随着我国现代化建设高速发展，国家对矿产资源的需求越来越大。目前我国深部矿产资源勘探技术装备对外依赖度高，这些装备探测深度浅、精度低、定位不准，严重制约了我国深部矿产资源的有效探测。
3.深部矿产资源勘探开发所使用的测井仪器长期工作在155℃的环境中。国内现有的井中三分量磁力仪，其使用的磁通门传感器的工作温度基本都为常温，因此不适用于矿井下高温的工作环境；另外，其使用的磁通门传感器多数为模拟的，并且转向差大，因此其精度较低。
4.故，有必要提出一种新的技术，以解决上述技术问题。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种基于高温数字磁通门的三分量井中磁力仪，其能运行于高温的矿井环境中。
6.为解决上述问题，本发明的技术方案如下：
7.一种基于高温数字磁通门的三分量井中磁力仪，所述基于高温数字磁通门的三分量井中磁力仪包括：密闭承压舱壳体，所述密闭承压舱壳体设置有容纳腔室内；接插件；三轴磁通门传感器，用于测量所述基于高温数字磁通门的三分量井中磁力仪外部的磁性物质的磁场强度；三分量石英加速度计，用于采集加速度数据；磁通门信号处理电路，用于对所述三轴磁通门传感器感测的信号进行数字化处理，并将经过数字化处理的信号进行温度校正处理，以及对经过温度校正处理的数据和所述三分量石英加速度计所采集的加速度数据进行误差校正处理；电源电路；缓冲器；以及支撑骨架；其中，所述三轴磁通门传感器、所述磁通门信号处理电路、所述三分量石英加速度计和所述电源电路均设置于所述密闭承压舱壳体内，所述接插件的至少一部分设置于所述密闭承压舱壳体的所述容纳腔室内，所述三轴磁通门传感器、所述磁通门信号处理电路、所述三分量石英加速度计、所述电源电路和所述缓冲器均固定于所述支撑骨架上。
8.在上述基于高温数字磁通门的三分量井中磁力仪中，所述密闭承压舱壳体内还设置有隔热壳体，所述三轴磁通门传感器、所述磁通门信号处理电路、所述三分量石英加速度计、所述电源电路中的至少一者设置于所述隔热壳体内。
9.在上述基于高温数字磁通门的三分量井中磁力仪中，所述隔热壳体的外表面与所述密闭承压舱壳体的内表面具有间隙。
10.在上述基于高温数字磁通门的三分量井中磁力仪中，所述密闭承压舱壳体为长条状，所述密闭承压舱壳体的两端设置有环形卡扣。
11.在上述基于高温数字磁通门的三分量井中磁力仪中，所述磁通门信号处理电路包括：模数转换电路，用于将所述三轴磁通门传感器所生成的感应信号转化为数字信号；控制电路，用于将所述数字信号进行数字化处理、温度校正处理，以及对经过温度校正处理的数据和所述三分量石英加速度计所采集的加速度数据进行误差校正处理。
12.在上述基于高温数字磁通门的三分量井中磁力仪中，所述控制电路包括：温度校正模块，用于对因温度变化引起的所述三轴磁通门传感器的测量误差进行校正；误差校正模块，用于基于所述温度校正模块的校正结果，对所述三轴磁通门传感器的坐标系和/或所述三分量石英加速度计的坐标系转换的误差进行校正。
13.在上述基于高温数字磁通门的三分量井中磁力仪中，所述控制电路还包括：相敏整流模块，用于对所述模数转换电路提供的经过数字化处理后的信号进行相敏整流处理；数字滤波模块，用于对经过相敏整流处理的信号进行低通滤波处理。
14.在上述基于高温数字磁通门的三分量井中磁力仪中，所述控制电路还包括：比例
‑
积分
‑
微分控制模块，用于对所述数字滤波模块输出的经过低通滤波处理的信号存在的偏差进行反馈控制，以减小经过低通滤波处理的信号的误差，达到更高测量精度；脉冲宽度调制模块，用于对比例
‑
积分
‑
微分控制模块输出的信号进行δ
‑
∑调制处理，并进行数字pwm调制后生成脉冲宽度调制方波信号。
15.在上述基于高温数字磁通门的三分量井中磁力仪中，所述温度校正模块用于根据所述数字滤波模块输出的经过低通滤波处理的信号对因温度变化引起的所述三轴磁通门传感器的测量误差进行校正。
16.在上述基于高温数字磁通门的三分量井中磁力仪中，所述温度校正模块用于基于以下公式，对所述三轴磁通门传感器的测量误差进行校正：
17.h＝p
‑1(h
′‑
b)；
18.其中，h＝[x y z]
t
，h
′
＝[x
′ꢀ
y
′ꢀ
z
′
]
t
，x、y、z为磁场强度测量值在理想的正交三轴磁通门传感器的坐标系中各坐标轴的分量，x
′
、y
′
、z
′
为磁场强度测量值在实际的三轴磁通门传感器的坐标系中各坐标轴的分量，b＝[bx by bz]，p为转化矩阵，p
‑1为p的逆矩阵，kx、ky、kz表示各坐标轴的刻度因子，α、β、γ表示各坐标轴之间的非正角程度，bx、by、bz为所述三轴磁通门传感器各坐标轴的零点误差。
[0019]
由于所述三轴磁通门传感器、所述磁通门信号处理电路、所述三分量石英加速度计、所述电源电路、所述支撑骨架和缓冲器均设置于所述密闭承压舱壳体内，因此所述基于高温数字磁通门的三分量井中磁力仪能够运行于高温的矿井环境中。
[0020]
由于上述控制电路包括所述温度校正模块和所述误差校正模块，所述温度校正模块用于实现温度校正，所述误差校正模块用于实现坐标系转换误差修正，因此，本发明实施例的所述基于高温数字磁通门的三分量井中磁力仪可对测量值直接实时修正，方便后端数据处理与应用。
[0021]
由于对所述三轴磁通门传感器所生成的感应信号进行数字化处理，因此可以防止所述基于高温数字磁通门的三分量井中磁力仪内的各电路受温度、电磁等的干扰而影响表现为模拟信号的测量结果的准确性，从而有效提高所述三轴磁通门传感器的感测精度。
附图说明
[0022]
图1是本发明实施例提供的基于高温数字磁通门的三分量井中磁力仪的示意图。
[0023]
图2是图1所示的基于高温数字磁通门的三分量井中磁力仪的剖面图。
[0024]
图3是本发明实施例提供的基于高温数字磁通门的三分量井中磁力仪内的三轴磁通门传感器、磁通门信号处理电路、三分量石英加速度计、电源电路、接插件、支撑骨架和缓冲器的位置关系的示意图。
[0025]
图4是本发明实施例提供的基于高温数字磁通门的三分量井中磁力仪的框图。
[0026]
图5是本发明实施例提供的基于高温数字磁通门的三分量井中磁力仪中三轴磁通门传感器与磁通门信号处理电路的连接关系的及其内部模块的示意图。
具体实施方式
[0027]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
[0028]
如图1至图5所示，本发明实施例提供了一种基于高温数字磁通门的三分量井中磁力仪，所述基于高温数字磁通门的三分量井中磁力仪适用于深部找矿，具体地，所述基于高温数字磁通门的三分量井中磁力仪可用于孔径20mm以上、探测深度约3000米、环境温度约155℃的矿井的矿产勘查。所述基于高温数字磁通门的三分量井中磁力仪为长条状，直径为20mm至500mm(例如，50mm)，总长度为800mm至10000mm(例如，1546mm)，适用于矿井下的空间。所述基于高温数字磁通门的三分量井中磁力仪包括三轴磁通门传感器105、磁通门信号处理电路106、三分量石英加速度计107、电源电路108、接插件109、密闭承压舱壳体101、支撑骨架103和缓冲器104。
[0029]
由于所述基于高温数字磁通门的三分量井中磁力仪的直径较小(处于20mm至500mm的范围内)，因此，所述基于高温数字磁通门的三分量井中磁力仪能适应多数的矿井，并深入到矿井中进行磁场测量，因此可以取得比地面磁场测量的效果更好的井中磁场测量的效果(原因是井中磁场测量可以到达更接近地质体的空间测量，有异常的地方能够更好地反映出来)。
[0030]
所述密闭承压舱壳体101为所述基于高温数字磁通门的三分量井中磁力仪的最外层部件，所述密闭承压舱壳体101内具有容纳腔室。所述三轴磁通门传感器105、所述磁通门信号处理电路106、所述三分量石英加速度计107、所述电源电路108、所述支撑骨架103和缓冲器104均设置于所述密闭承压舱壳体101内，所述接插件109的至少一部分设置于所述密闭承压舱壳体101的所述容纳腔室内。
[0031]
所述密闭承压舱壳体101用于对所述基于高温数字磁通门的三分量井中磁力仪内的各部件(例如，所述三轴磁通门传感器105、所述磁通门信号处理电路106、所述三分量石英加速度计107、所述电源电路108、所述接插件109)进行保护和支撑，以使所述基于高温数字磁通门的三分量井中磁力仪内部的各部件不受物理冲击，以及防止所述基于高温数字磁通门的三分量井中磁力仪内部的各部件受潮湿、高温、高压等外部环境影响而无法正常运作。
[0032]
经验证，由于所述三轴磁通门传感器105、所述磁通门信号处理电路106、所述三分量石英加速度计107、所述电源电路108、所述支撑骨架103和缓冲器104均设置于所述密闭承压舱壳体101内，在所述基于高温数字磁通门的三分量井中磁力仪在矿井中工作温度约155℃的高温环境运行约20000小时的情况下，所述基于高温数字磁通门的三分量井中磁力仪内的各部件仍能正常运作，即，所述基于高温数字磁通门的三分量井中磁力仪能够运行于高温的矿井环境中。
[0033]
所述密闭承压舱壳体101采用无磁材料以及耐高温高压的材料制作，一方面可以防止其自身的磁力对所述基于高温数字磁通门的三分量井中磁力仪本身的运作造成影响，另一方面可以避免外部环境较高的温度对所述密闭承压舱壳体101内的各部件的运作造成影响。
[0034]
所述密闭承压舱壳体101为长条状，所述密闭承压舱壳体101的两端设置有环形卡扣102，所述环形卡扣102用于与其它设备进行物理连接。
[0035]
所述三轴磁通门传感器105、所述磁通门信号处理电路106、所述三分量石英加速度计107、所述电源电路108和所述缓冲器104均设置于(固定于)所述支撑骨架103上。所述缓冲器104设置于所述支撑骨架103的第一末端的位置。所述接插件109设置于所述支撑骨架103的第二末端的位置。所述电源电路108、所述三分量石英加速度计107、所述三轴磁通门传感器105、所述磁通门信号处理电路106设置于所述支撑骨架103的所述第一末端和所述第二末端之间，并且所述电源电路108设置于所述支撑骨架103靠近所述接插件109的位置，所述三轴磁通门传感器105设置于所述支撑骨架103中所述缓冲器104与所述支撑骨架103的第二末端之间的位置，并且靠近所述缓冲器104，即，所述三轴磁通门传感器105与所述基于高温数字磁通门的三分量井中磁力仪的底端(所述第一末端)相隔所述缓冲器104，所述缓冲器104在所述基于高温数字磁通门的三分量井中磁力仪下矿井工作时起到缓冲作用，能够耐压、防震、密封防水，有利于保护所述基于高温数字磁通门的三分量井中磁力仪下矿井测量时保护所述基于高温数字磁通门的三分量井中磁力仪。具体地，所述缓冲器104用于避免物理冲击对所述三轴磁通门传感器105、所述磁通门信号处理电路106、所述三分量石英加速度计107、所述电源电路108造成的损害，此外，所述缓冲器104还具有隔离磁干扰的作用。
[0036]
所述磁通门信号处理电路106设置于所述支撑骨架103中位于所述三轴磁通门传感器105和所述支撑骨架103的第二末端之间的位置，所述三分量石英加速度计107设置于所述支撑骨架103中位于所述磁通门信号处理电路106与所述支撑骨架103的第二末端之间的位置。
[0037]
所述三轴磁通门传感器105与所述电源电路108、所述磁通门信号处理电路106电连接，所述三分量石英加速度计107与所述电源电路108、所述磁通门信号处理电路106电连接，所述电源电路108与所述磁通门信号处理电路106电连接，所述接插件109与所述电源电路108、所述磁通门信号处理电路106电连接。
[0038]
所述三轴磁通门传感器105是根据法拉第电磁感应原理研发出来的一种用来测量磁场的设备。所述三轴磁通门传感器105可以将不能直接测量的空间磁矢量转化为可以进行测量的电信号，然后可以通过测量电压信号的大小来反向推出磁信号相应的磁场强度。
[0039]
在本发明实施例中，所述三轴磁通门传感器105的x、y、z三轴坐标系与所述三分量
石英加速度计107的x、y、z三轴坐标系重合，这样可以使得误差最小。
[0040]
所述三轴磁通门传感器105用于测量所述基于高温数字磁通门的三分量井中磁力仪外部的磁性物质的磁场强度，并输出表现为模拟信号的磁场测量结果。所述三轴磁通门传感器105输出的模拟信号和所述三分量石英加速度计107输出的模拟信号输入到所述磁通门信号处理电路106的24bit八通道高速模数转换器adc中，以转换为数字信号。
[0041]
所述基于高温数字磁通门的三分量井中磁力仪的所述三轴磁通门传感器105包括3个正交测磁元件，从3个方向测量矿体磁异常空间分布规律，从而可以获得矿体的纵向深度，以及某个剖面内矿体位于钻井的方向，因此，仅依靠单口井的数据就可以对矿体进行定位。所述三轴磁通门传感器105可以同时测得磁场的三个互相垂直正交分量：
△
z、
△
x和
△
y，所述三轴磁通门传感器105既能测得磁场的大小，也能确定磁场的方向。
[0042]
所述三轴磁通门传感器105的测量方式包括连续测量和点测量(最大频率1次/1秒)，连续测量可以识别厚度不小于0.5m的磁性物质，点测量可以识别厚度不小于5m的磁性物质。所述三轴磁通门传感器105采用提升测量模式，以连续测量和点测量的工作方式进行井中磁场强度测量，连续测量速度一般不得超过15m/min，在有异常段一般不得超过10m/min。
[0043]
所述三轴磁通门传感器105采用三轴磁通门正交结构，每个轴的磁通门采用双磁芯平行差分结构，所述磁芯选用薄的高导磁率、低矫顽力、低磁损的坡莫合金带材加工而成，每个轴的磁通门还包括激励线圈，所述激励线圈绕制于平行的所述磁芯上，将其插入低温度系数的轱辘形状磁芯骨架(其材料可例如为如陶瓷或玻璃材料)中固化封装，并绕制感应线圈(检测线圈)，所述感应线圈可以与反馈线圈共用，当然，所述反馈线圈和所述检测线圈也可以不共用。
[0044]
通过去除冗余结构，选用低温度系数的聚酯类材料精细加工微型磁通门探头骨架，尤其是降低正交安装孔的加工误差，有利于三轴磁通门获得最优正交度。
[0045]
上述三轴磁通门传感器105减少了模拟器件的使用，电路设计得到优化，成本较低，能够提供更高精度。
[0046]
所述磁通门信号处理电路106用于将所接收到的数字信号进行相敏检波、积分等处理(具体地，所述磁通门信号处理电路106中的相敏检波模块对所接收到的数字信号进行相敏检波，所述磁通门信号处理电路106中的积分模块对经过相敏检波后的数字信号进行积分处理)，得到与磁场值对应的电压数字信号，用作闭环控制，并缓存该数字信号。完成数字信号存储后，通过i2c接口读取板载温度传感器的数据，经过校正后，通过can总线将数据实时上传至地面的用户端。板载温度传感器用于实时获取环境温度信息。
[0047]
在调试时，也可通过所述磁通门信号处理电路106保留的串口获取数据。
[0048]
所述三分量石英加速度计107用于采集加速度数据，以给所述三轴磁通门传感器105定向并获取角度信息。所述三分量石英加速度计107包括kt
‑
jb6系列石英挠性加速度计。kt
‑
jb6系列石英挠性加速度计是市面上已有的加速度计，其是一款小型化、耐高温抗震型加速度计。该产品具有优良的重复性、启动性能、耐高温抗震性能及高可靠性等特点，符合设计需求。
[0049]
所述电源电路108用于将通过接插件109输入的交流电压转换为直流电压，所述电源电路108为所述基于高温数字磁通门的三分量井中磁力仪的所述三轴磁通门传感器105、
所述磁通门信号处理电路106、所述三分量石英加速度计107提供所需电源，具体地，所述电源电路108为ac
‑
dc电源电路，所述电源电路108通过所述基于高温数字磁通门的三分量井中磁力仪端部的接插件109连接外部220v电源，所述电源电路108用于将外部220v电源转换为
±
15v、 7v、 5v的电压，以给所述磁通门信号处理电路106、所述三分量石英加速度计107等供电。所述电源电路108使用fh18系列多路隔离输出高温ac
‑
dc电源电路108，具体型号为mh18
‑
150d15
‑
s7
‑
s5。所述电源电路108被配置为具有耐高温、耐冲击、耐潮湿的特性。所述电源电路108的工作温度为
‑
55℃～ 175℃，外壳可抵抗的温度高达 185℃，符合设计需求。
[0050]
所述接插件109与所述电源电路108以及所述基于高温数字磁通门的三分量井中磁力仪外部的通信电缆(can总线)的连接，并用于将测量信息传递给上位机(地面的用户端)以及接收来自上位机的控制信号。
[0051]
所述磁通门信号处理电路106用于对所述三轴磁通门传感器105感测的信号放大，并将放大后的信号进行数字化处理，以得到磁场值对应的电压模拟信号的数字信号，并将经过数字化处理的信号进行相敏整流、温度校正处理，以及对经过温度校正处理的数据和所述三分量石英加速度计107所采集的加速度数据进行误差校正处理。
[0052]
所述磁通门信号处理电路106包括控制电路、激励电路、反馈电路、模数转换电路。所述控制电路与所述激励电路、所述反馈电路、所述模数转换电路电连接。所述激励电路与所述三轴磁通门传感器105的激励线圈电连接。所述反馈电路与所述三轴磁通门传感器105的反馈线圈电连接。所述模数转换电路与所述三轴磁通门传感器105的感应线圈电连接。
[0053]
所述控制电路可为fpga、dsp中的任意一种，或者，所述控制电路为fpga与arm芯片的组合。下面以所述控制电路是fpga为例来说明。所述fpga采用xilinx公司的zynq7000系列工业级芯片xc7z020clg400i，其由一个常规fpga芯片拥有的可编程逻辑门阵列(简称，pl)和一个cortex
tm
‑
a9应用级处理器(简称，ps)组成，所述fpga的pl端可用作实现常规fpga的并行运算、可编程硬件电路与硬件加速功能，所述fpga可利用其ps端灵活地实现矩阵运算与串口通信等功能。所有数据的前处理(如相敏检波、数字滤波等)以及数字闭环反馈环节(如pid，δ
‑
σ调制，pwm调制等)均在所述fpga的pl端实现，而诸如数据修正、can与串口通信的操作则在所述fpga的ps端实现。进一步地，所述fpga的ps端还用于处理所述板载温度传感器实时获取的环境温度信息。
[0054]
所述模数转换电路adc采集的数据通过emio接口进入所述fpga的pl端进行前处理，前处理完成后的数据一部分直接接入数字闭环反馈环节，用作闭环控制，一部分通过所述fpga的axi接口缓存到ps端，经过修正后传输到地面的用户端。
[0055]
所述激励电路包括激励信号方波产生模块、功率放大模块。所述激励电路用于产生稳定的激励频率源(励磁信号)，以为所述三轴磁通门传感器105提供励磁信号，具体地，所述激励电路向所述三轴磁通门传感器105的激励线圈提供励磁信号后，所述三轴磁通门传感器105的激励线圈产生周期性变化的磁场，使所述三轴磁通门传感器105的磁芯周期性地在饱和状态与非饱和状态之间交替。所述fpga包括激励信号生成模块，所述激励信号生成模块用于生成双极性方波信号，所述激励电路根据所述双极性方波信号驱动所述激励线圈，为了提高该激励信号的驱动能力，所述激励信号生成模块或所述激励电路包括一级推挽结构的mos管功率放大器，其采用的功率放大芯片为si4532dy。
[0056]
由于所述三轴磁通门传感器105所产生的感应信号较为微弱，所以，在所述磁通门
信号处理电路106的模数转换电路接收到所述感应信号后，所述模数转换电路对所述感应信号进行调理，然后再进行数字化处理(将表现为模拟信号的所述感应信号转化为数字信号)。所述模数转换电路的检测模块检测到感应信号(所述三轴磁通门传感器105x、y、z三轴的感应信号)之后，所述感应信号经过前端低通滤波模块，再经过后端一阶反相输入低通滤波模块，放大后再进行滤波，并进行整流，以减少所述感应信号的混叠，从而使得经过上述处理后的所述感应信号满足目标采样速率的范围和所述模数转换电路的模数转换器adc的输入范围，经过上述处理后的所述感应信号输入到所述模数转换器adc中进行处理。其中对所述感应信号进行放大处理的放大器为德州仪器(简称，ti)公司的高温型放大芯片opa211，其工作温度为
‑
55～210℃。
[0057]
所述反馈电路主要由滤波模块、电压电流转换模块组成。所述反馈电路主要是将所述fpga产生的用于反馈补偿的pwm方波信号转换成直流电流信号，并输出至所述三轴磁通门传感器105的反馈线圈，从而驱动所述反馈线圈。其中，所述滤波模块为一阶rc滤波器，所述滤波模块用于将所述fpga输出的pwm信号低通滤波后转换成相应的直流电压信号。所述电压电流转换模块中包含运算放大器、电容和电阻，所述电容与所述运算放大器构成积分电路，所述积分电路可以使得滤波后的信号更加平稳，同时当所述反馈线圈的电感发生变化时，其电流不会瞬变，且所述电容两端的电压不会瞬变，由此可以使得反馈电流稳定。
[0058]
所述fpga所述pwm调制模块用于根据数字滤波模块输出的、经过比例
‑
积分
‑
微分控制模块和δ
‑
σ调制模块处理的信号进行数字pwm调制，以将不同占空比的脉冲波信号表现为相应的直流信号的幅值(即，生成脉冲宽度调制方波信号)，从而等效为一个数模转换器dac，这样不仅能达到反馈效果，也能节省数模转换器，实现节省器件、小型化电路的目的。
[0059]
考虑到所述基于高温数字磁通门的三分量井中磁力仪要求的单通道采样位数至少18位，并且需要6通道数据同步采集(三通道磁通门数据、三通道加速度计数据)，因此所述模数转换电路采用亚德诺(简称，adi)公司的高精度8通道24位同步采样ad芯片ad7768。该芯片的每个通道最大adc输出数据速率为256ksps，且每通道相互独立，不同的通道可设置不同的采样率。
[0060]
所述基于高温数字磁通门的三分量井中磁力仪还包括隔热壳体，所述密闭承压舱壳体101内还设置有隔热壳体，所述三轴磁通门传感器105、所述磁通门信号处理电路106、所述三分量石英加速度计107、所述电源电路108中的至少一者设置于所述隔热壳体内，特别是，所述磁通门信号处理电路106中的各器件、模块等均设置于所述隔热壳体内，这样可以保护所述磁通门信号处理电路106中主要芯片不受高温环境的影响。所述隔热壳体固定于所述支撑骨架103上/中，所述隔热壳体的外表面与所述密闭承压舱壳体101的内表面具有间隙，即，所述隔热壳体的外表面与所述密闭承压舱壳体101不相连，因此，在所述隔热壳体和所述密闭承压舱壳体101的双重隔热作用下，所述磁通门信号处理电路106可以免受矿井中较高温度的干扰和影响，有利于保证所述磁通门信号处理电路106内的各器件、模块正常工作。经验证，在所述基于高温数字磁通门的三分量井中磁力仪处于约200℃的高温环境中约3小时的情况下，所述隔热壳体内部的温度可以保持在50℃左右，远低于赛灵思公司提供的zynq7000系列fpga最高工作温度100℃，因此可以有效确保所述fpga正常运作。
[0061]
所述fpga还包括相敏整流模块、数字滤波模块、温度校正模块、误差校正模块、比
例
‑
积分
‑
微分控制模块、脉冲宽度调制模块等。所述相敏整流模块用于对所述模数转换电路提供的、经过所述fpga的pl端进行前处理后的信号进行相敏整流处理，数字滤波模块用于对经过相敏整流处理的信号进行低通滤波处理。
[0062]
所述基于高温数字磁通门的三分量井中磁力仪的工作环境为高温环境，所述三轴磁通门传感器105的比例系数、零偏和正交度三个参数在不同温度时随温度呈非线性变化，因此需要通过试验标定和回归分析，拟合出三个参数在全温度范围内的校正值，从而有效缩小这些参数变化引起的测量误差。考虑到矩阵verilog代码进行矩阵运算比较复杂，因此，由所述fpga的ps端运行校正算法的代码。
[0063]
所述温度校正模块用于对因温度变化引起的所述三轴磁通门传感器105的测量误差进行校正，具体的校正方式为：
[0064]
假设磁场强度测量值在理想的正交三轴磁通门传感器的坐标系中各坐标轴的分量为x、y、z，而在非正交三轴磁通门传感器(实际的三轴磁通门传感器)的坐标系中各坐标轴的分量为x
′
、y
′
、z
′
。以所述三轴磁通门传感器105的z轴作为重合轴，则其转化关系可表示为：
[0065]
h
′
＝ph b
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0066]
其中，h＝[x y z]
t
，h
′
＝[x
′ꢀ
y
′ꢀ
z
′
]
t
，b＝[bx by bz]，p为转化矩阵，kx、ky、kz表示各坐标轴的刻度因子，α、β、γ表示各坐标轴之间的非正角程度，bx、by、bz为所述三轴磁通门传感器105各坐标轴的零点误差。
[0067]
当时，为理想磁通门，修改kx、ky、kz、α、β、γ、bx、by、bz的误差值可以得到在不同误差情况下的磁通门测量误差。
[0068]
磁通门的比例系数、零偏会随温度的变化而改变，且随温度呈现非线性的变化，根据磁通门的测量值公式：h
′
＝ph b，可以得到校正后的磁场真值应该为：
[0069]
h＝p
‑1(h
′‑
b)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0070]
其中p
‑1为p的逆矩阵，可表示为：
[0071]
对磁通门的姿态转向修正就是求解p
‑1、b矩阵中的各参数值。通过在恒定磁场中，旋转磁通门，并通过椭球体的拟合方式，可以求解出比例系数、非正交性、零偏等参数。
[0072]
某一温度下测量到的p
‑1修正矩阵可以表示为：p
‑
1i
，零偏校正矩阵可以表示为：b
i
，多个温度点测量到的校正矩阵为：
[0073][0074]
零偏修正矩阵与此类似。
[0075]
根据磁通门x轴在不同温度下获取的比例系数sx1、sx2、sx3……
采用四阶多项式拟合方法可以拟合出x轴比例系数随温度变化的曲线：
[0076]
sx(t)＝k4*t4 k3*t3 k2*t2 k1*t1 k0。
[0077]
同样的方法可以获取y、z轴的比例系数和x、y、z轴随温度变化的零偏曲线：
[0078]
sy(t)、sz(t)、θ(t)、ε(t)、η(t)、bx(t)、by(t)、bz(t)。
[0079]
校正时根据测量到的温度值代入：
[0080]
sx(t)＝k4*t4 k3*t3 k2*t2 k1*t1 k0。
[0081]
即可以获取当前温度下的x轴的比例系数k0、k1、k2、k3、k4，与此同时，将温度值代入其他的校正曲线：
[0082]
sy(t)、sz(t)、θ(t)、ε(t)、η(t)、bx(t)、by(t)、bz(t)，
[0083]
获取其他参数在该温度下的校正值，再根据校正公式：
[0084]
h＝p
‑1(h
′‑
b)，
[0085]
就可以计算出当前温度下的所测量的磁场强度的真实值。
[0086]
可使用vivado软件，在fpga芯片内的所述温度校正模块开发和实现此功能。相应的温度校正程序(文件)存储于所述温度校正模块中。
[0087]
在所述基于高温数字磁通门的三分量井中磁力仪处于运行状态时，所述温度校正模块用于接收所述基于高温数字磁通门的三分量井中磁力仪所感测的温度值，基于上述公式、系数，对所述三轴磁通门传感器105的测量误差进行校正。
[0088]
所述fpga还包括误差校正模块，所述误差校正模块用于基于所述温度校正模块的校正结果，对所述三轴磁通门传感器105的坐标系和/或所述三分量石英加速度计107的坐标系转换的误差进行校正(修正)，具体的校正方式为：
[0089]
理想的三轴磁通门传感器为三轴正交矢量测量，其输出的总场值与测量方向姿态无关，而实际的三轴磁通门传感器的每个测量轴不能做到完全正交，每个轴的刻度因子、零点误差也都不完全一致，因此，所述三轴磁通门传感器105在旋转的过程中会产生转向误差。
[0090]
同理，理想的三分量石英加速度计的三个轴之间也是相互正交的，但实际上，由于加工和安装工艺的限制，三个轴之间不可能做到完全正交。
[0091]
理想情况下，所述基于高温数字磁通门的三分量井中磁力仪中的所述三轴磁通门传感器105和所述三分量石英加速度计107的坐标系完全重合，直接通过加速度与磁场测量值将磁场测量数据转换至垂直分量与水平分量即可。
[0092]
但实际测量时，所述基于高温数字磁通门的三分量井中磁力仪的两个坐标系无法完全重合，这就会出现坐标系转换误差。因此需要对坐标系转换进行误差修正(补偿)。
[0093]
进行误差补偿后可以精确测量重力值和磁场值，分别为gx，gy，gz，bx，by，bz。所述三轴磁通门传感器105和三分量石英加速度计107不重合的数学模型如公式(3)所示：
[0094][0095]
其中，ggx、ggy、ggz是误差全部修正后的磁场值，bx、by、bz是所示基于高温数字磁通门的三分量井中磁力仪误差修正、温度修正后的三分量磁场值，k1～k9是坐标系修正系数。
[0096]
通过旋转采集一系列重力测量值与磁场测量值代入到校正软件中，就能得到坐标系修正系数。
[0097]
通过最小二乘法即可拟合出坐标系修正矩阵系数，即采用最小二乘法即可以求解未知系数，达到坐标系转换误差修正目的。
[0098]
相应的坐标转换误差修正程序(文件)存储于所述误差校正模块中。
[0099]
在所述基于高温数字磁通门的三分量井中磁力仪处于运行状态时，所述误差校正模块用于根据坐标系修正系数，对所述三分量石英加速度计107采集的加速度数据和经过所述温度校正模块校正的磁场感测值进行坐标系转换误差校正。
[0100]
所述fpga还包括稳压模块，所述稳压模块为线性稳压芯片，例如，型号为lt3042、lt3045、lt3090的芯片。所述线性稳压芯片不仅可以实现电压转换，同时可以避免开关电源纹波大的不足。
[0101]
所述线性稳压芯片用于将电源电路108的
±
15v、 7v、 5v电压转换为探头和电路中所需的
±
12v、 5v、 3.3v电压。
[0102]
所述稳压电路中，对模拟电源和数字电源进行隔离后，采用磁珠将各公共端连接，达到降低噪声的目的。
[0103]
由于上述控制电路包括所述温度校正模块和所述误差校正模块，所述温度校正模块用于实现温度校正，所述误差校正模块用于实现坐标系转换误差修正，因此，本发明实施例的所述基于高温数字磁通门的三分量井中磁力仪可对测量值直接实时修正，方便后端数据处理与应用。
[0104]
由于对所述三轴磁通门传感器105所生成的感应信号进行数字化处理，因此可以防止所述基于高温数字磁通门的三分量井中磁力仪内的各电路受温度、电磁等的干扰而影响表现为模拟信号的测量结果的准确性，从而有效提高所述三轴磁通门传感器105的感测精度。
[0105]
综上所述，虽然本技术已以优选实施例揭露如上，但上述优选实施例并非用以限制本技术，本领域的普通技术人员，在不脱离本技术的精神和范围内，均可作各种更动与润饰，因此本技术的保护范围以权利要求界定的范围为准。