【《三轴GMI磁传感器野外地磁探测实验探究案例》3700字】

三轴GMI磁传感器野外地磁探测实验探究案例目录TOC\o"1-3"\h\u26923三轴GMI磁传感器野外地磁探测实验探究案例 1326671.1定位系统设计 174751.1.1UWB定位技术的原理 147721.1.2定位系统的搭建 3135251.2GMI磁传感器户外测试上位机系统设计 4161671.3野外地磁探测实验结果分析 6本章开展三轴GMI传感器野外地磁探测实验，实验的总体设计方案流程图如图1.1所示。第一步是结合检测分辨率选定进行实验区域，第二步用定位系统获取测量区域内测量点的位置信息，第三步让三轴GMI磁传感器与磁通门传感器同步完成实验，第四步通过Labview软件搭建GMI磁传感器户外测试系统，结合第四章的三轴性能测试结果进行数据采集以及绘制三维磁场等高线图，并与磁通门传感器的同步测量结果进行对比，为三轴GMI磁传感器的地磁探测实用化提供技术积累。图1.1野外地磁实验总体设计方案流程图1.1定位系统设计为了更好地获取待测量区域的准确地理位置，本文利用UWB（UltraWideBand）定位技术以及DW1000芯片搭建定位系统，通过三个固定基站确定整体的测量范围，将三轴GMI磁传感器与标签固定在一块，便于直接锁定每一个测量点的具体方位。1.1.1UWB定位技术的原理超宽带无线通信技术（UWB）是一种无载波通信技术，使用1GHz以上频率带宽的无线载波通信技术。它不采用正弦载波，而是利用纳秒级的非正弦波窄脉冲传输数据，因此其所占的频谱范围很大，尽管使用无线通信，但其数据传输速率可以达到几百兆比特每秒以上。使用UWB技术可在非常宽的带宽上传输信号。美国联邦通信委员会（FCC）对UWB技术的规定为：在3.1~10.6GHz频段中占用500MHz以上的带宽。利用频谱极宽的超宽基带脉冲进行通信，故又称为基带通信技术、无线载波通信技术，主要用于军用雷达、定位和低截获率的通信系统中。由于UWB技术具有数据传输速率高（达1Gbit/s）、抗多径干扰能力强、功耗低、成本低、穿透能力强、截获率低、与现有其他无线通信系统共享频谱等特点，UWB技术成为无线个人局域网通信技术（WPAN）的首选技术。传统通信方式使用的是连续波信号，即本地振荡器产生连续的高频载波，需要传送信息通过例如调幅，调频等方式加载于载波之上，通过天线进行发送。现在的无线广播，4G通信，WIFI等都是采用该方式进行无线通信。图1.2是一个使用调幅方式传递语音信号的的连续波信号产生示意图。图1.2连续波调幅信号产生示意图而IR-UWB信号，不需要产生连续的高频载波，仅仅需要产生一个时间短至nS级以下的脉冲，便可通过天线进行发送。需要传送信息可以通过改变脉冲的幅度，时间，相位进行加载，进而实现信息传输。图1.3是使用相位调制方式传输二进制归零码的IR-UWB信号产生示意图。图1.3IR-UWB调相信号产生示意图从频域上看，连续波信号将能量集中于一个窄频率内，而UWB信号带宽很大，同时在每个频点上功率很低，如图1.4所示。图1.4窄带信号与IR-UWB信号的频谱对比在无线定位中，使用IR-UWB信号相对于窄带信号的主要优势为：IR-UWB信号能准确分立无线传输中的首达信号和多径反射信号，而窄带信号不具备该能力。1.1.2定位系统的搭建定位模块选择基于DW1000定位芯片开发的D-DWM-PG1.7/2.5评估板，这是一款完全集成超宽带(uwb)低功耗低成本的收发芯片，兼容ieee802.11.4-2011标准，可以用于双向测距或室外定位系统，测距精度10cm，定位精度30cm，还支持6.8mbps的数据传输速率。该芯片的背部带有一个0.91寸OLED显示屏，两个龟仔按键，USB串口采用CP2102方案，硬件串口更加温度，同时还配有电源指示灯和信号指示灯。采用标准MODBUS-RTU通信协议，可以与PLC对接，能够满足本文中定位系统的搭建。D-DWM-PG的外观示意图如图1.5所示，对应的规格参数如表1.1所示。图1.5D-DWM-PG2.5外观示意图表1.1D-DWM-PG的规格参数项目规格参数协议IR-UWB频率3.5G~6.5G数据速率（最大值）6.8Mbps功率-输出-10dBm工作温度-40℃~85℃电源电压2.8V~3.6V本文所搭建的定位系统示意图如图1.6所示，上位机控制主基站A，基站B和基站D分别与主基站A正交90度放置，基站C与基站B以及基站D处在同一水平线上，如此便形成了以基站A为原点，基站B、D为X、Y轴的二维直角坐标系，将三轴GMI磁传感器与标签固定在一起，通过上位机界面就可以直接获取到传感器在4个基站所围成的区域内的位置信息，方便测量每一个点的磁场数据。定位系统的上位机界面如图1.7所示，经过测试定位系统能够正常工作。图1.6定位系统示意图图1.7定位系统上位机界面1.2GMI磁传感器户外测试上位机系统设计基于LabVIEW软件开发的GMI磁传感器户外测试上位机系统主要由电压测量系统和串口通信系统两部分组成。通过ADS1256采集卡完成GMI磁传感器输出电压的测量，在上位机可视化界面中显示三轴V-H曲线的测量过程以及定位模块的数据，最后采集好三轴在每一个测量点的数据并保存，完成三维磁场等势线图的绘制。GMI磁传感器户外测试上位机系统中磁场产生系统主要有串口通信模块和电压测量模块，串口通信模块是用于AD采集模块与上位机指令通信。电压测量系统主要有信号采集、数据处理、数据存储和图像绘制等模块，信号采集模块用于对GMI磁传感器输出电压信号经AD转换之后的数据进行采集，数据处理模块用于剔除误差大于3σ的数据，多点取平均，减小测量的系统误差，数据存储模块用于将波形数据存储至指定路径下的Excel文件中，图像绘制模块用于将当前测得的传感器电压数据与磁场绘制为XY图，便于观测。每一个测量点的三维磁场数据和定位数据由Labview内含的控件转换成矩阵数据，最后形成三维磁场等势线图展示出来。除上述模块外，还包括功能选择模块和初始化模块，功能选择模块用于实现开始测试、绘制图形、结束测试的功能选择，初始化模块用于图形、显示控件初始化，配置电源波特率等一些参数。各模块之间关系如图1.8所示。上位机LabVIEW包括系统初始化模块和功能选择模块。图1.8上位机系统模块关系图上位机系统设计流程图如图1.9所示，首先进行采集卡参数的配置，接着检测串口是否正常，保存路径是否合法，然后进行系统初始化，包括图形、显示控件的初始化，接下来进行磁场扫描采集GMI磁传感器输出电压发送到上位机进行数据处理，最后绘制V-H曲线，以及数据存储。图1.9系统设计流程图根据上述设计思路，设计出来的GMI磁传感器户外测试上位机系统的显示界面如图1.10所示。界面的左上方是串口的开始与关闭通道，通信端口选择和存储路径以及测试的平均点个数的设置，包括测量范围、测量点数、采样次数以及存储值通道选择的设置。下方显示磁场与电压值以及测量进度，并将其转化成仪表的格式方便读取每一个测量点的具体数值。测试系统还将读取定位模块的位置信息，数值位的前两位为位置信息，后面三位分别为XYZ各轴测得的磁场信息。右边是绘制三维磁场等势线图的显示界面。经测试GMI磁传感器户外测试系统可以正常工作。图1.10GMI户外测试系统显示界面1.3野外地磁探测实验结果分析为了验证三轴GMI磁传感器用于野外地磁探测的可行性，我们选定中国地质大学（武汉）西区物探楼北方的小树林为实验区域，结合定位系统和GMI磁传感器户外测试系统来测量该区域地磁场随空间的分布，绘制地磁场等势线图。第一步是测量区域的选定。由第四章的三轴GMI磁传感器的时域方面的参数可以得知三轴的灵敏度水平均为3V/Gs左右，而地磁总场的大小为0.5Gs左右，物探楼北方的小树林地下埋藏有体积为5m3左右的铁罐，磁异常约为200nT，能够满足三轴GMI磁传感器的检测需求，所以我们选择该区域作为实验区域。测量区域的实际大小为11×7（m2），将4个定位基站固定在长方形区域的4个角，定位标签与传感器固定在一起，示意图如图1.11所示。图1.11测量区域示意图接下来是通过定位系统来选定测量点，定位系统的测量误差为10cm，为了保证测量的精度，我们选定每一个测量点之间的间隔为40cm。接下来通过三轴GMI磁传感器来进行地磁测量，户外测试系统即时记录三轴的测量数据以及每一个测量点的位置信息，同时记录主流磁通门传感器Model1540的测量数据作为参考。测量期间尽可能使实验小车与定位系统标记的测量点处于同一位置，传感器探头位于测量点的正上方。测试完成后由GMI磁传感器户外测试系统生成三维磁场等高线图，将三轴GMI磁传感器的测试结果与磁通门传感器的测试结果进行对比，实验结果分别如图1.12和图1.13所示。图1.12三轴GMI磁传感器磁场等高线图图1.13磁通门传感器磁场等高线图在图1.12和图1.13中，XAxis和YAxis分别代表测量点的X、Y轴的坐标信息，磁场大小由颜色深浅决定。（a）、（b）、（c）分别代表GMI磁传感器和磁通门传感器的X、Y、Z轴的磁场等高线图测量结果，（d）图由三轴的测量结果做矢量求和之后得到的地磁总场的磁场标量等高线图测试结果。通过对比图1.12和图1.13，以磁通门传感器Model1540的测量结果作为参考，我们可以看到三轴GMI磁传感器能够检测出磁异常波动比较大的区域，尤其是针对各轴的矢量探测，但是对于磁异常波动偏小以及没有磁异常的区域而言，三轴GMI磁传感器的测量结果和磁通门传感器的检测结果还存在一定的出入，这是由于三轴GMI磁传感器的噪声水平较磁通门相比要高出一个数量级，检测精度还有待提升。在磁通门传感器地磁总场等高线图的分布中可以看到，磁通门的总场波动范围在0.4957Gs~0.5100Gs之间，而三轴GMI磁传感器的总场波动范围在0.4770Gs~0.5454Gs之间，这主要是由于三轴GMI磁传感器三轴探头之间的正交性误差导致。地磁总场沿东西方向呈现出不断减小的趋势，而