一种霍尔磁梯度张量结构设计方法和霍尔磁梯度张量结构与流程

1.本技术涉及磁探测技术领域，特别是涉及一种霍尔磁梯度张量结构设计方法和霍尔磁梯度张量结构。


背景技术：

2.与轮轨交通中单纯承载车辆的“轨道”不同，常导高速磁浮轨道实际上是一种同步直线电机的初级，更是悬浮系统、牵引系统和运控系统的重要电气组成部件。但是受车轨磕碰及环境腐蚀的影响，表面环氧树脂层破损的定子铁心容易进一步腐蚀、短路，导致牵引磁场异常，影响车辆运行的舒适性、稳定性及安全性。
3.行波漏磁场背景下的长定子铁心异常检测与地磁场背景下的矿藏勘探、潜艇侦查等磁异常检测极为相似，都存在严重的共模干扰。采用磁梯度张量测量的方式，可以抑制强背景噪声及测量系统本体姿态变化导致的共模干扰，提高对异常磁场的辨识能力。然而，与地磁场nt、ut级的异常检测不同，行波漏磁场的检测存在量级大(mt级)、安装空间小(mm级)的问题，传统超导量子干涉仪和磁通门传感器便无法使用，因此，需采用测量范围广(10
‑7～10t)，集成尺寸小(1mm
×
1mm)的霍尔传感器构建小体积、mt量级的磁梯度张量测量系统。但霍尔传感器的精度更低，制造工艺也相对较差，它存在较大的不等位电压偏差、温漂、时漂等，导致存在较大的零点偏移与三轴灵敏度漂移。当使用多个传感器进行磁场梯度张量测量时，不可避免地存在多传感器性能参数不一致的情况，进而引入更大误差。目前，针对上述问题多采用针对单传感器的校正方法与针对多传感器测量系统的对准方法，这两种方法不但对校正环境与设备有较高要求，其校正策略与算法也较为复杂，同时也只是针对现有的十字形、正方形等测量结构，未从多传感空间结构设计的角度来减小系统测量误差。
4.现有的磁场梯度张量测量结构还不能应用于零点偏移大、灵敏度漂移范围广的霍尔磁梯度张量系统。


技术实现要素：

5.基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种霍尔磁梯度张量结构设计方法和霍尔磁梯度张量结构。采用该方法设计的霍尔磁梯度张量结构可以降低磁梯度张量系统对多传感器性能指标一致性的要求，同时也为传统磁梯度张量系统的结构设计提供了一种新的思路。
6.一种霍尔磁梯度张量结构设计方法，所述结构适用于高速磁浮轨道定子铁芯行波漏磁场的异常检测；所述方法包括：
7.在三维空间中，建立笛卡尔坐标系，所述笛卡尔坐标系以正方形的中心为原点，x轴的正方向朝北，y轴的正方向朝东，z轴的正方向朝下；
8.将图像处理算法中的prewitt梯度算子进行实例化，设计将十字形结构与正方形结构1:1结合的prewitt结构；所述prewitt结构是在同一个平面内，十字形结构中相对两个三轴霍尔传感器连线的中点与笛卡尔坐标系的原点重合，十字形结构的四个三轴霍尔传感
器在x轴或y轴上，正方形结构的相邻两个三轴霍尔传感器连线的中点与十字形的其中一个三轴霍尔传感器重合；正方形结构的基线距离和十字形结构的基线距离均等于的prewitt结构的基线距离；
9.根据三轴霍尔传感器测量的磁场强度在x轴、y轴、z轴方向的分量和prewitt结构的基线距离，采用prewitt梯度算子进行计算，得到原点处的霍尔磁梯度张量矩阵。
10.一种霍尔磁梯度张量结构，所述霍尔磁梯度张量结构是上述霍尔磁梯度张量结构设计方法设计的；所述结构包括：8个三轴霍尔传感器、安装支架以及数据处理装置。
11.所述安装支架是边长与prewitt结构的基线距离相等的正方形框架。
12.所述三轴霍尔传感器分别安装在正方形框架的四个顶点和正方形四条边的中点上。
13.所述数据处理装置用于根据采集的8个所述三轴霍尔传感器测量的x轴、y轴、z轴方向的磁场分量和结构的基线距离，采用prewitt算子进行计算，得到原点处的霍尔磁梯度张量矩阵。
14.上述一种霍尔磁梯度张量结构设计方法和霍尔磁梯度张量结构，所述方法包括：在三维空间中，建立笛卡尔坐标系，笛卡尔坐标系以正方形的中心为原点，x轴的正方向朝北，y轴的正方向朝东，z轴的正方向朝下；将图像处理算法中的prewitt梯度算子进行实例化，设计将十字形结构与正方形结构1:1结合的prewitt结构；所述prewitt结构是在同一个平面内，十字形结构中相对两个三轴霍尔传感器连线的中点与笛卡尔坐标系的原点重合，十字形结构的四个三轴霍尔传感器在x轴或y轴上，正方形结构的相邻两个三轴霍尔传感器连线的中点与十字形的其中一个三轴霍尔传感器重合；正方形结构的基线距离和十字形结构的基线距离均等于的prewitt结构的基线距离；根据三轴霍尔传感器测量的磁场强度在x轴、y轴、z轴方向的分量和prewitt结构的基线距离，采用prewitt梯度算子进行计算，得到原点处的霍尔磁梯度张量矩阵。设计方法中采用价格低廉、体积小的霍尔传感器替代传统超导量子干涉仪、磁通门传感器构建了mt量级的磁梯度张量结构，可应用于零点偏移大、灵敏度漂移范围广的霍尔磁梯度张量系统；本方法设计的prewitt结构可以降低磁梯度张量系统对多传感器性能指标一致性的要求，同时也为传统磁梯度张量系统的结构设计提供了一种新的思路。
附图说明
15.图1为一个实施例中搭载式磁场检测方法示意图；
16.图2为一个实施例中霍尔磁梯度张量结构设计方法的流程示意图；
17.图3为一个实施例中prewitt结构的空间结构示意图；
18.图4为另一个实施例中零点偏移不一致对ax的影响；
19.图5为一个实施例中灵敏度不一致对ax的影响；
20.图6为另一个实施例中灵敏度漂移范围与ax相对测量误差的关系。
具体实施方式
21.为了使本技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本技术进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本技术，并不
用于限定本技术。
22.磁场测量的物理量主要有总磁场b的大小或模量b、模量的空间变化率、磁场的三个分量(b
x
、b
y
、b
z
)和三个分量的空间变化率(b
xx
、b
xy
、b
xz
、b
yx
、b
yy
、b
yz
、b
zx
、b
zy
、b
zz
)，这9个元素构成了二阶梯度张量。
23.常导高速磁浮轨道实际上是一种同步直线电机的初级，更是悬浮系统、牵引系统和运控系统的重要电气组成部件。但是受车轨磕碰及环境腐蚀的影响，表面环氧树脂层破损的定子铁芯容易进一步腐蚀、短路，导致牵引磁场异常，影响车辆运行的舒适性、稳定性及安全性。如图1所示，为实现动态、快速、高效的长定子状态监测，采用搭载式的磁敏阵列采集长定子产生的与空气闭合的行波漏磁场。该磁场幅值约30mt，易受悬浮磁场、列车姿态变化变化及外部噪声的干扰。本方法设计的霍尔磁梯度张量结构可作为测量行波漏磁场的磁敏阵列，用于高速磁浮轨道行波漏磁场的异常检测。
24.在一个实施例中，如图2所示，提供了霍尔磁梯度张量结构设计方法，所述霍尔磁梯度张量结构适用于高速磁浮轨道定子铁芯行波漏磁场的异常检测；霍尔磁梯度张量结构还适用于基于磁场的铁磁构件损伤检测、电机定子铁心短路检测等领域。该方法包括以下步骤：
25.步骤100：在三维空间中，建立笛卡尔坐标系。
26.笛卡尔坐标系以正方形的中心为原点，x轴的正方向朝北，y轴的正方向朝东，z轴的正方向朝下。
27.步骤102：将图像处理算法中的prewitt梯度算子进行实例化，设计将十字形结构与正方形结构1:1结合的prewitt结构。
28.prewitt结构是在同一个平面内，十字形结构中相对两个三轴霍尔传感器连线的中点与笛卡尔坐标系的原点重合，十字形结构的四个三轴霍尔传感器在x轴或y轴上，正方形结构的相邻两个三轴霍尔传感器连线的中点与十字形的其中一个三轴霍尔传感器重合；正方形结构的基线距离和十字形结构的基线距离均等于的prewitt结构的基线距离。
29.梯度计算在图像处理的边缘检测领域有着广泛的应用，常见的梯度检测算子如：prewitt梯度算子，prewitt梯度算子的两个卷积核为：
[0030][0031]
其中：g
x
为水平方向的卷积核，g
y
为垂直方向的卷积核。
[0032]
从卷积核gx和gy结构上看，prewitt对应的空间结构是十字形与正方形结构的1:1的结合。这种复合空间结构很好地保留了十字形与正方形的正交特性，在计算g各元素时能够引入更多的传感器参与，平均测量误差，同时，也并未大大提升硬件电路设计及元器件布局难度。prewitt对应的空间结构如图3所示。
[0033]
步骤104：根据三轴霍尔传感器测量的磁场强度在x轴、y轴、z轴方向的分量和prewitt结构的基线距离，采用prewitt梯度算子进行计算，得到原点处的霍尔磁梯度张量矩阵。
[0034]
上述一种霍尔磁梯度张量结构设计方法中，所述方法包括：在三维空间中，建立笛
卡尔坐标系，笛卡尔坐标系以正方形的中心为原点，x轴的正方向朝北，y轴的正方向朝东，z轴的正方向朝下；将图像处理算法中的prewitt梯度算子进行实例化，设计将十字形结构与正方形结构1:1结合的prewitt结构；所述prewitt结构是在同一个平面内，十字形结构中相对两个三轴霍尔传感器连线的中点与笛卡尔坐标系的原点重合，十字形结构的四个三轴霍尔传感器在x轴或y轴上，正方形结构的相邻两个三轴霍尔传感器连线的中点与十字形的其中一个三轴霍尔传感器重合；正方形结构的基线距离和十字形结构的基线距离均等于的prewitt结构的基线距离；根据三轴霍尔传感器测量的磁场强度在x轴、y轴、z轴方向的分量和prewitt结构的基线距离，采用prewitt梯度算子进行计算，得到原点处的霍尔磁梯度张量矩阵。设计方法中采用价格低廉、体积小的霍尔传感器替代传统超导量子干涉仪、磁通门传感器构建了mt量级的磁梯度张量结构，可应用于零点偏移大、灵敏度漂移范围广的霍尔磁梯度张量系统；本方法设计的prewitt结构可以降低磁梯度张量系统对多传感器性能指标一致性的要求，同时也为传统磁梯度张量系统的结构设计提供了一种新的思路。
[0035]
在其中一个实施例中，步骤104包括：将prewitt结构的三轴霍尔传感器，按照从位于右上角的三轴霍尔传感器为起点顺时针方向进行编号；将三轴霍尔传感器测量的磁场强度在x轴、y轴、z轴方向的分量按照三轴霍尔传感器的编号顺序按照预定的规则分别表示为x轴、y轴、z轴方向的磁场强度分量矩阵；磁场强度分量矩阵是第二行第二列为0的3
×
3矩阵；预定的规则为：第1行第3列是编号为1的三轴霍尔传感器测量的磁场强度，按照顺时针方向，以此类推，第1行第2类是编号为8的三轴霍尔传感器测量的磁场强度；根据x轴、y轴、z轴方向的磁场强度分量矩阵和prewitt结构的基线距离，采用prewitt梯度算子进行计算，得到原点处的霍尔磁梯度张量矩阵。
[0036]
在其中一个实施例中，步骤104中原点处的霍尔磁梯度张量矩阵的表达式为：
[0037][0038]
霍尔磁梯度张量矩阵中各个元素的计算公式为：
[0039][0040]
其中：g表示霍尔磁梯度张量矩阵；b
x
、b
y
、b
z
分别表示原点处磁场强度在x轴、y轴、z轴方向的分量；d表示prewitt结构的基线距离；b
xi
、b
yi
、b
zi
分别表示第i个三轴霍尔传感器测量x轴、y轴、z轴方向的磁场分量，其中i为大于等于1且小于等于8的整数；b
xx
、b
xy
、b
xz
、b
yy
、b
yz
分别表示x方向磁场沿x方向的变化率、x方向磁场沿y方向的变化率、x方向磁场沿z方向的变化率，y方向磁场沿y方向的变化率及y方向磁场沿z方向的变化率。
[0041]
应该理解的是，虽然图2的流程图中的各个步骤按照箭头的指示依次显示，但是这些步骤并不是必然按照箭头指示的顺序依次执行。除非本文中有明确的说明，这些步骤的执行并没有严格的顺序限制，这些步骤可以以其它的顺序执行。而且，图2中的至少一部分步骤可以包括多个子步骤或者多个阶段，这些子步骤或者阶段并不必然是在同一时刻执行完成，而是可以在不同的时刻执行，这些子步骤或者阶段的执行顺序也不必然是依次进行，而是可以与其它步骤或者其它步骤的子步骤或者阶段的至少一部分轮流或者交替地执行。
[0042]
在一个方法验证性仿真实施例中，传统磁异常检测方法常采用磁梯度张量解析信号ax、ay、az极大值定位法，因此以ax为例，计算十字形、正方形、prewitt测量结构在多个传感器零点偏移与灵敏度不一致的情况下磁梯度张量解析信号测量误差的分布。其中，ax的计算公式为：
[0043][0044]
(1)误差分析
[0045]
理想的三轴霍尔传感器在无磁环境中应满足b
x
＝b
y
＝b
z
＝0，重点考虑传感器零点偏移与灵敏度不一致，以o
‑
xyz为标准参考坐标系，则实测量b'＝[b'
x b'
y b'
z
]
t
可表示为：
[0046][0047]
其中：o表示传感器零点偏移矩阵，k表示灵敏度矩阵，简记：b'＝k
·
b o。认为一批传感器的零点偏移o服从正态分布灵敏度k服从正态分布则实测量b'：
[0048][0049]
考虑磁场在x,y,z三个方向的空间变化率，磁梯度张量矩阵g(magnetic gradient tensor)如式(1)所示，无源空间中磁场的散度与旋度均为0，因此g只有5个独立元素。
[0050]
常见的十字形与正方形磁梯度张量测量结构，磁梯度张量矩阵g各元素b
′
ij
同样服从正态分布：
[0051][0052]
矩阵各元素测量误差e(b
′
ij
)：
[0053][0054]
其中：n＝1对应十字形结构，n＝2对应正方形结构。
[0055]
根据式(3)、(7)，可知ax服从χ2分布，以上侧α分位数c表示ax的测量误差，取α＝0.0001。
[0056]
(2)仿真结果
[0057]
仿真参数：均匀磁场b
x
＝b
y
＝b
z
＝30mt，自然噪声
±
0.5mt,霍尔传感器零点偏移o
±
1mt，灵敏度k：1
±
0.2。单传感器三轴灵敏度约束条件：k
y
＜4.8％，k
z
＜18.2％，单组仿真次数1000。
[0058]
仿真结果如图4、图5所示，图中灵敏度一致是指：十字形结构在多个传感器不存在零点偏移及灵敏度漂移条件下的误差分布，并将其他情况相对灵敏度一致曲线的误差变化率定义为相对误差e，统计结果见表1。
[0059]
表1不同测量结构误差
[0060][0061]
结果表明：当多传感器存在1mt范围内的零点偏移不一致时，prewitt结构的测量误差小于参数一致情况，性能明显优于传统十字形、正方形结构，即prewitt测量结构可完全消除传感器零点偏移带来的测量误差，这一点得益于prewitt的冗余结构。当多传感器存在20％范围内的灵敏度不一致时，prewitt结构的测量误差虽大于参数一致情况，但相对传统结构，其测量误差c可从340.5降低至168.4，约为理想状态的58％，测量结构引起的误差明显降低。如图6所示，prewitt磁梯度张量测量结构理论上可允许系统内各传感器存在13％以内不同程度的灵敏度漂移，该指标覆盖了约95％的传感器。通过对测得信号进一步
的滤波处理，可完全消除由传感器小概率参数漂移过大带来的影响，避免对复杂高成本的传感器标定筛选环节。
[0062]
在一个实施例中，如图3所示，提供了一种霍尔磁梯度张量结构，该张量结构是采用上述霍尔磁梯度张量结构设计方法设计的；该结构包括：8个三轴霍尔传感器、安装支架以及数据处理装置。
[0063]
安装支架是边长与prewitt结构的基线距离相等的正方形框架。
[0064]
三轴霍尔传感器分别安装在正方形框架的四个顶点和正方形四条边的中点上。
[0065]
数据处理装置用于根据采集的8个三轴霍尔传感器测量的x轴、y轴、z轴方向的磁场分量和结构的基线距离，采用prewitt算子进行计算，得到原点处的霍尔磁梯度张量矩阵。
[0066]
霍尔磁梯度张量结构采用价格低廉、体积小的霍尔传感器替代传统超导量子干涉仪、磁通门传感器构建了mt量级的磁梯度张量系统；从结构设计的角度出发，将图像处理算法中的prewitt梯度算子进行实例化，设计了将十字形与正方形结合的prewitt结构；在高速磁浮轨道行波漏磁场异常检测的背景下，综合考虑所选霍尔传感器的各项性能指标，分别从理论和仿真的角度证明了prewitt结构可以降低磁梯度张量系统对多传感器性能指标一致性的要求；最后，通过直线电机行波漏磁场测量实验，证明了prewitt结构的测量误差更小，对传感器参数一致性的要求也更低。
[0067]
在其中一个实施例中，数据处理装置，还用于将prewitt结构的三轴霍尔传感器，按照从位于右上角的三轴霍尔传感器为起点顺时针方向进行编号；将三轴霍尔传感器测量的磁场强度在x轴、y轴、z轴方向的分量按照三轴霍尔传感器的编号顺序按照预定的规则分别表示为x轴、y轴、z轴方向的磁场强度分量矩阵；磁场强度分量矩阵是第二行第二列为0的3
×
3矩阵；预定的规则为：第1行第3列是编号为1的三轴霍尔传感器测量的磁场强度，按照顺时针方向，以此类推，第1行第2类是编号为8的三轴霍尔传感器测量的磁场强度；根据x轴、y轴、z轴方向的磁场强度分量矩阵和prewitt结构的基线距离，采用prewitt梯度算子进行计算，得到原点处的霍尔磁梯度张量矩阵。
[0068]
在其中一个实施例中，数据处理装置中原点处的霍尔磁梯度张量矩阵的表达式如式(1)所示；霍尔磁梯度张量矩阵中各个元素计算公式如式(2)所示。
[0069]
在一个传感器参数不一致对结构性能影响的验证性实施例中，为验证prewitt结构相对十字形、正方形结构对传感器参数不一致不敏感的优势，采用标准磁源对霍尔传感器的零点偏移与灵敏度进行标定，筛选出各项参数相对集中的a组与参数相对分散的b组，分组构建prewitt测量结构，进行对比实验。共标定传感器32只，a、b两组传感器参数分别见表1、2。a、b两组各8只，根据式(1)可实现磁梯度张量各元素的测量，同时可获得基线距离相同的十字形、正方形结构对应测量结果，与prewitt进行对比。
[0070]
表1 a组传感器参数
[0071][0072]
表2 b组传感器参数
[0073][0074]
利用变频器激励无转子的直线电机初级模拟高速磁浮轨道长定子产生的行波漏磁场，通过垂向移动模组控制磁梯度测量阵列与定子面的检测距离，驱动水平移动模组对直线电机定子面进行低速扫描，通过对交变磁场的进一步采样，获得搭载同步测量情况下行波漏磁场对应的磁梯度张量解析信号ax，a、b两组不同测量结构测得ax，对测量结果进行分析，得到参数不一致对ax测量误差及信噪比的影响程度如表3所示。
[0075]
表3参数不一致对ax测量误差及信噪比的影响
[0076] 十字形正方形prewitt结构测量误差变化率(％)63.260.116.9信噪比变化率(％)
‑
7.0
‑
5.4
‑
1.7
[0077]
实验表明：在磁梯度张量系统各传感器参数分散的情况下，prewitt结构的测量误差与信噪比明显优于十字形与正方形结构，且与参数集中情况下接近。这说明prewitt结构对霍尔传感器零点偏移大，灵敏度易漂移的特点不敏感，传感器可直接使用，不必进行筛选与误差校正。
[0078]
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
[0079]
以上所述实施例仅表达了本技术的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本技术构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本技术的保护范围。因此，本技术专利的保护范围应以所附权利要求为准。