一种无屏蔽环境下的三轴亥姆霍兹线圈非正交误差测量方法
本发明属于三轴亥姆霍兹线圈非正交误差测量领域，尤其是在无屏蔽环境下，在背景地磁场存在的情况下的一种无屏蔽环境下的三轴亥姆霍兹线圈非正交误差测量方法。
背景技术：
三轴亥姆霍兹线圈因为能够在一定的区域内提供均匀的磁场而成为一种广泛应用于材料、电子、生物、医疗、航空航天、化学、应用物理等多个学科的仪器设备。人们通过控制亥姆霍兹线圈中的电流从而控制线圈产生期望的磁场。
单轴亥姆霍兹线圈是由两个结构、尺寸、匝数完全相同，同轴的、平行的，串联且电流流向相同的载流线圈组成。三轴亥姆霍兹线圈是由三组单轴亥姆霍兹线圈两两垂直布置组合而成。但是由于加工工艺的限制三个轴向的线圈无法避免的存在非正交误差，尤其是当三轴亥姆霍兹线圈经过长途运输和外力作用下误差参数将会发生改变，因此在每次使用前都有必要对三轴亥姆霍兹线圈的非正交误差角度进行测量。
cn102116852a公开了一种通过磁场测量三轴磁场线圈正交度的方法，该方法通过复现磁轴不同方向的磁场的组合，测量组合场并计算得到三轴磁场线圈的不同磁轴之间的正交度，但是该方法仅适用于电磁屏蔽条件下绝对无磁的环境，在有背景磁场存在的情况下该方法将不再适用。
技术实现要素：
本发明所要解决的技术问题在于提供一种无屏蔽环境下的三轴亥姆霍兹线圈非正交误差测量方法，不仅适用于电磁屏蔽条件下绝对无磁的环境，同样适用于地磁场存在的无屏蔽环境。
本发明是这样实现的，
一种无屏蔽环境下的三轴亥姆霍兹线圈非正交误差测量方法，包括:
利用恒流源向三轴亥姆霍兹线圈每两个轴向线圈中分别通入正向或反向电流从而复现4种情况下的合成磁场，通过三轴dc-squid磁强计传感器记录两个线圈生成4种合成磁场前后的数据，根据4种合成磁场前后的数据求出两个轴向线圈之间的夹角，其中，4种情况按照顺序包括：第一步：两个轴向线圈分别通入恒定电流；第二步：固定一个轴向线圈电流大小和方向不变，改变另一个轴向线圈通入电流的方向；第三步：固定第二步中改变电流方向的轴向线圈的电流大小和方向不变，改变另一个轴向线圈通入电流的方向；第四步：固定第三步中改变电流方向的轴向线圈的电流大小和方向不变，改变另一个轴向线圈通入电流的方向。
进一步地，所述夹角包括：x轴向线圈和y轴向线圈的夹角α、x轴向线圈和z轴向线圈的夹角β以及y轴向线圈和z轴向线圈的夹角γ。
进一步地，测量x轴向线圈和y轴向线圈的夹角α包括：
1a、将三轴dc-squid磁强计传感器以任意随机角度固定于三轴亥姆霍兹线圈的磁场均匀区内，记录三轴dc-squid磁强计传感器的三个轴向输出分别为bxy-x0、bxy-y0和bxy-z0；
1b、用电流源给三轴亥姆霍兹线圈的x轴向线圈和y轴向线圈分别通恒定电流i1和i2复现恒定磁场bx和恒定磁场by，记录此时三轴dc-squid磁强计传感器的三个轴向线圈输出分别为bxy1-x、bxy1-y和bxy1-z；
1c、保持x轴向线圈电流大小和方向不变，改变y轴向线圈通入电流的方向，大小不变，复现恒定磁场bx和恒定磁场-by，记录此时三轴dc-squid磁强计传感器的三个轴向输出分别为bxy2-x、bxy2-y和bxy2-z；
1d、保持y轴向线圈电流大小和方向不变，改变x轴向线圈通入电流的方向，大小不变，复现恒定磁场-bx和恒定磁场-by，记录此时三轴dc-squid磁强计传感器的三个轴向输出分别为bxy3-x、bxy3-y和bxy3-z；
1e、保持x轴向线圈电流大小和方向不变，改变y轴向线圈通入电流的方向，大小不变，复现恒定磁场-bx和恒定磁场by，记录此时三轴dc-squid磁强计传感器的三个轴向输出分别为bxy4-x、bxy4-y和bxy4-z；
1f、根据下列的公式计算x轴和y轴线圈的夹角α：
其中：
m1＝(bxy1-x-bxy-x0)2+(bxy1-y-bxy-y0)2+(bxy1-z-bxy-z0)2
m2＝(bxy2-x-bxy-x0)2+(bxy2-y-bxy-y0)2+(bxy2-z-bxy-z0)2
m3＝(bxy3-x-bxy-x0)2+(bxy3-y-bxy-y0)2+(bxy3-z-bxy-z0)2
m4＝(bxy4-x-bxy-x0)2+(bxy4-y-bxy-y0)2+(bxy4-z-bxy-z0)2。
进一步地，测量x轴向线圈和z轴向线圈的夹角β包括：
2a、三轴亥姆霍兹线圈的三个轴向线圈都不通电流，记录三轴dc-squid磁强计传感器的三个轴向输出分别为bxz-x0、bxz-y0和bxz-z0；
2b、用电流源给三轴亥姆霍兹线圈的x轴向线圈和z轴向线圈分别通恒定电流i1和恒定电流i3，复现恒定磁场bx和恒定磁场bz，记录此时三轴dc-squid磁强计传感器的三个轴向输出分别为bxz1-x、bxz1-y和bxz1-z；
2c、保持x轴向线圈电流大小和方向不变，改变z轴向线圈通入电流的方向，大小不变，复现恒定磁场bx和恒定磁场-bz，记录此时三轴dc-squid磁强计传感器的三个轴向输出分别为bxz2-x、bxz2-y和bxz2-z；
2d、保持z轴向线圈电流大小和方向不变，改变x轴向线圈通入电流的方向，大小不变，复现恒定磁场-bx和恒定磁场-bz，记录此时三轴dc-squid磁强计传感器的三个轴向输出分别为bxz3-x、bxz3-y和bxz3-z；
2e、保持x轴向线圈电流大小和方向不变，改变z轴向线圈通入电流的方向，大小不变，复现恒定磁场-bx和恒定磁场bz，记录此时三轴dc-squid磁强计传感器的三个轴向输出分别为bxz4-x、bxz4-y和bxz4-z；
2f、根据下列公式计算x轴向线圈和z轴向线圈的夹角β：
其中：
n1＝(bxz1-x-bxz-x0)2+(bxz1-y-bxz-y0)2+(bxz1-z-bxz-z0)2
n2＝(bxz2-x-bxz-x0)2+(bxz2-y-bxz-y0)2+(bxz2-z-bxz-z0)2
n3＝(bxz3-x-bxz-x0)2+(bxz3-y-bxz-y0)2+(bxz3-z-bxz-z0)2
n4＝(bxz4-x-bxz-x0)2+(bxz4-y-bxz-y0)2+(bxz4-z-bxz-z0)2。
进一步地，测量y轴向线圈和z轴向线圈的夹角γ包括：
3a、三轴亥姆霍兹线圈的三个轴向线圈都不通电流，记录三轴dc-squid磁强计传感器的三个轴向输出分别为byz-x0、byz-y0和byz-z0；
3b、用电流源给三轴亥姆霍兹线圈的y轴向线圈和z轴向线圈分别通恒定电流i2和恒定电流i3复现恒定磁场by和恒定磁场bz，记录此时三轴dc-squid磁强计传感器的三个轴向输出分别为byz1-x、byz1-y和byz1-z；
3c、保持y轴向线圈电流大小和方向不变，改变z轴向线圈通入电流的方向，大小不变，复现恒定磁场by和恒定磁场-bz，记录此时三轴dc-squid磁强计传感器的三个轴向输出分别为byz2-x、byz2-y和byz2-z；
3d、保持z轴向线圈电流大小和方向不变，改变y轴向线圈通入电流的方向，大小不变，复现恒定磁场-by和恒定磁场-bz，记录此时三轴dc-squid磁强计传感器的三个轴向输出分别为byz3-x、byz3-y和byz3-z；
3e、保持y轴向线圈电流大小和方向不变，改变z轴向线圈通入电流的方向，大小不变，复现恒定磁场-by和恒定磁场bz，记录此时三轴dc-squid磁强计传感器的三个轴向输出分别为byz4-x、byz4-y和byz4-z；
3f、根据下面的公式计算y轴向线圈和z轴向线圈的夹角γ：
其中：
q1＝(byz1-x-byz-x0)2+(byz1-y-byz-y0)2+(byz1-z-byz-z0)2
q2＝(byz2-x-byz-x0)2+(byz2-y-byz-y0)2+(byz2-z-byz-z0)2
q3＝(byz3-x-byz-x0)2+(byz3-y-byz-y0)2+(byz3-z-byz-z0)2
q4＝(byz4-x-byz-x0)2+(byz4-y-byz-y0)2+(byz4-z-byz-z0)2。
本发明与现有技术相比，有益效果在于：
1)本发明方法相对于传统方法摆脱了对电磁屏蔽室和绝对无磁环境的依赖，在具有背景地磁场存在的环境中同样适用。2)本发明方法因为可以在背景地磁场环境下适用，又因为三轴亥姆霍兹线圈在经过长途运输和外力作用下三轴非正交度误差参数会发生改变，在每次使用前都需要进行校正，所以该方法为野外三轴亥姆霍兹线圈非正交误差角度的现场测量提供了可能。3)本发明方法所利用的squid磁强计矢量传感器因为具有10pt的测量精度，相对于传统方法所利用的质子磁力仪标量传感器0.1nt的测量精度要高出一个数量级，所以非正交误差角度的测量精度也要高出一个数量级。
附图说明
图1为本发明的三轴亥姆霍兹线圈x轴与y轴之间非正交角度测量示意图；
图2为本发明的三轴亥姆霍兹线圈x轴与z轴之间非正交角度测量示意图；
图3为本发明的三轴亥姆霍兹线圈y轴与z轴之间非正交角度测量示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
一种无屏蔽环境下的三轴亥姆霍兹线圈非正交误差测量方法，包括:
利用恒流源向三轴亥姆霍兹线圈每两个轴向线圈中分别通入正向或反向电流从而复现4种情况下的合成磁场，通过三轴dc-squid磁强计传感器记录两个线圈生成4种合成磁场前后的数据，根据4种合成磁场前后的数据求出两个轴向线圈之间的夹角，其中，4种情况按照顺序包括：第一步：两个轴向线圈分别通入恒定电流；第二步：固定一个轴向线圈电流大小和方向不变，改变另一个轴向线圈通入电流的方向；第三步：固定第二步中改变电流方向的轴向线圈的电流大小和方向不变，改变另一个轴向线圈通入电流的方向；第四步：固定第三步中改变电流方向的轴向线圈的电流大小和方向不变，改变另一个轴向线圈通入电流的方向。夹角包括：x轴向线圈和y轴向线圈的夹角α、x轴向线圈和z轴向线圈的夹角β以及y轴向线圈和z轴向线圈的夹角γ。
具体包括：
a、将三轴dc-squid磁强计传感器以任意随机角度固定于三轴亥姆霍兹线圈的磁场均匀区内，记录三轴dc-squid磁强计传感器的三个轴向输出分别为bxy-x0、bxy-y0和bxy-z0；
b、如图1所示，用电流源给三轴亥姆霍兹线圈的x轴和y轴分别通恒定电流i1和i2复现恒定磁场bx和by，记录此时三轴dc-squid磁强计传感器的三个轴向输出分别为bxy1-x、bxy1-y和bxy1-z；
c、保持x轴向线圈电流大小和方向不变，改变y轴向线圈通入电流的方向，大小不变，复现恒定磁场bx和-by，记录此时三轴dc-squid磁强计传感器的三个轴向输出分别为bxy2-x、bxy2-y和bxy2-z；
d、保持y轴向线圈电流大小和方向不变，改变x轴向线圈通入电流的方向，大小不变，复现恒定磁场-bx和-by，记录此时三轴dc-squid磁强计传感器的三个轴向输出分别为bxy3-x、bxy3-y和bxy3-z；
e、保持x轴向线圈电流大小和方向不变，改变y轴向线圈通入电流的方向，大小不变，复现恒定磁场-bx和by，记录此时三轴dc-squid磁强计传感器的三个轴向输出分别为bxy4-x、bxy4-y和bxy4-z；
f、根据下面的公式计算x轴向线圈和y轴向线圈的夹角α：
其中：m1＝(bxy1-x-bxy-x0)2+(bxy1-y-bxy-y0)2+(bxy1-z-bxy-z0)2
m2＝(bxy2-x-bxy-x0)2+(bxy2-y-bxy-y0)2+(bxy2-z-bxy-z0)2
m3＝(bxy3-x-bxy-x0)2+(bxy3-y-bxy-y0)2+(bxy3-z-bxy-z0)2
m4＝(bxy4-x-bxy-x0)2+(bxy4-y-bxy-y0)2+(bxy4-z-bxy-z0)2
g、三轴亥姆霍兹线圈的三个轴向都不通电流，记录三轴dc-squid磁强计传感器的三个轴向输出分别为bxz-x0、bxz-y0和bxz-z0；
h、如图2所示，用电流源给三轴亥姆霍兹线圈的x轴和z轴分别通恒定电流i1和i3，复现恒定磁场bx和恒定磁场bz，记录此时三轴dc-squid磁强计传感器的三个轴向输出分别为bxz1-x、bxz1-y和bxz1-z；
i、保持x轴向线圈电流大小和方向不变，改变z轴向线圈通入电流的方向，大小不变，复现恒定磁场bx和恒定磁场-bz，记录此时三轴dc-squid磁强计传感器的三个轴向输出分别为bxz2-x、bxz2-y和bxz2-z；
j、保持z轴向线圈电流大小和方向不变，改变x轴向线圈通入电流的方向，大小不变，复现恒定磁场-bx和-bz，记录此时三轴dc-squid磁强计传感器的三个轴向输出分别为bxz2-x、bxz2-y和bxz2-z；
k、保持x轴向线圈电流大小和方向不变，改变z轴向线圈通入电流的方向，大小不变，复现恒定磁场-bx和bz，记录此时三轴dc-squid磁强计传感器的三个轴向输出分别为bxz4-x、bxz4-y和bxz4-z；
l、根据下面的公式计算x轴向线圈和z轴向线圈的夹角β：
其中：n1＝(bxz1-x-bxz-x0)2+(bxz1-y-bxz-y0)2+(bxz1-z-bxz-z0)2
n2＝(bxz2-x-bxz-x0)2+(bxz2-y-bxz-y0)2+(bxz2-z-bxz-z0)2
n3＝(bxz3-x-bxz-x0)2+(bxz3-y-bxz-y0)2+(bxz3-z-bxz-z0)2
n4＝(bxz4-x-bxz-x0)2+(bxz4-y-bxz-y0)2+(bxz4-z-bxz-z0)2
m、三轴亥姆霍兹线圈的三个轴向都不通电流，记录三轴dc-squid磁强计传感器的三个轴向输出分别为byz-x0、byz-y0和byz-z0；
n、如图3所示，用电流源给三轴亥姆霍兹线圈的y轴向线圈和z轴分别通恒定电流i2和i3复现恒定磁场by和bz，记录此时三轴dc-squid磁强计传感器的三个轴向输出分别为byz1-x、byz1-y和byz1-z；
o、保持y轴向线圈电流大小和方向不变，改变z轴向线圈通入电流的方向，大小不变，复现恒定磁场by和-bz，记录此时三轴dc-squid磁强计传感器的三个轴向输出分别为byz2-x、byz2-y和byz2-z；
p、保持z轴向线圈电流大小和方向不变，改变y轴向线圈通入电流的方向，大小不变，复现恒定磁场-by和-bz，记录此时三轴dc-squid磁强计传感器的三个轴向输出分别为byz3-x、byz3-y和byz3-z；
q、保持y轴向线圈电流大小和方向不变，改变z轴向线圈通入电流的方向，大小不变，复现恒定磁场-by和bz，记录此时三轴dc-squid磁强计传感器的三个轴向输出分别为byz4-x、byz4-y和byz4-z；
r、根据下面的公式计算y轴向线圈和z轴向线圈的夹角γ：
其中：q1＝(byz1-x-byz-x0)2+(byz1-y-byz-y0)2+(byz1-z-byz-z0)2
q2＝(byz2-x-byz-x0)2+(byz2-y-byz-y0)2+(byz2-z-byz-z0)2
q3＝(byz3-x-byz-x0)2+(byz3-y-byz-y0)2+(byz3-z-byz-z0)2
q4＝(byz4-x-byz-x0)2+(byz4-y-byz-y0)2+(byz4-z-byz-z0)2。
应用实例：
用澳大利亚csiro公司成产的mag-09型dc-squid磁强计构成的三轴dc-squid磁强计传感器测量某三轴亥姆霍兹线圈y轴和z轴之间的正交度。测量结果如下：
by＝7000.1nt，bz＝6999.3nt，byz-x0＝34.56nt，byz-y0＝45.15nt，byz-z0＝-28.31nt，byz1-x＝6347.68nt，byz1-y＝7716.77nt，byz1-z＝-1064.28nt，byz2-x＝-5423.30nt，byz2-y＝5432.27nt，byz2-z＝6162.79nt，byz3-x＝-6209.44nt，byz3-y＝-7536.17nt，byz3-z＝951.04nt，byz4-x＝5561.54nt，byz4-y＝-5251.67nt，byz4-z＝-6276.03nt。
经代入公式计算，三轴亥姆霍兹线圈y轴和z轴之间的角度γ＝89.645°。
同理求取其他两个角度，进行3次实验便可以求出三轴亥姆霍兹线圈的正交度。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
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