Kalibrierung von Fluxgate Magnetometern mittels Relativbewegungen zwischen Sensor und Magnetfeld

Auster, Hans-Ulrich

In der Arbeit wird untersucht, ob die Bewegung des Sensors eines Fluxgate Magnetometers im homogenen Feld zur Kalibrierung des Instrumentes ausgenutzt werden kann. Setzt man die Bewegung als beliebig und den Betrag des Magnetfeldes als konstant voraus, sollte der aus den gemessenen Komponenten berechnete Betrag ebenfalls konstant sein. Es wird untersucht, ob aus dieser schwachen Forderung eine ausreichende Anzahl unabhängiger Eichgleichungen abgeleitet werden kann. Als Sensorfehler werden die dreidimensionalen Fehlergruppen Nullpunkt, Skalenwert- und Orthogonalitätsabweichung eingeführt. Es wird auf die Ursachen der Fehlergruppen sowie den Einfluß von Querfeld und Feldgegenkopplung eingegangen. Die Sensorbewegung wird durch eine Koordinatentransformation des Feldvektors in das Sensorsystem realisiert. Die Ableitung des aus den fehlerbehafteten und koordinatentransformierten Komponenten berechneten Betrages nach den Freiheitsgraden der Bewegung wird gleich Null gesetzt und das entstandene Gleichungssystem diskutiert. Es wird nachgewiesen, daß die Lösungsmengen (Flächen zweiter Ordnung in den von den Fehlergruppen aufgespannten Räumen) voneinander unabhängig sind. Mit einer Bewegung des Sensors um zwei Freiheitsgrade ist die Bestimmung der Nullpunkte und der Orthogonalitätsabweichung absolut und die der Skalenwerte relativ möglich. An Hand der Kalibrierung von 4 Magnetometern werden die theoretischen Ergebnisse in der Praxis überprüft. Vorteile und Einschränkungen des Verfahrens werden abschließend gegenübergestellt.

This paper proposes and analyses a calibration method for three axes fluxgate magnetometers based on the invariance of the magnitude of the magnetic field with changes in attitude. Assuming a constant magnetic field and a variable unknown sensor motion, the field magnitude calculated by the measured magnetometer components has to be constant too. The number of independent equations and the type of solutions resulting from these scalar requirement are discussed. Instrument errors are parameterised in three parameter groups: offset, scale value and nonorthogonality (each three dimensional). Origins of the errors and the influence of non- compensated transverse fields and field feedback are discussed. Sensor motion is parameterised in terms of elementary rotations about one axis. The number of rotation axes constitutes the number of degrees of freedom of the motion. All possible cases with known/unknown applied field, one/more degrees of freedom and absolute/relative determination of calibration coefficients are investigated. The maximum number of parameters, which can be determined in each case, is established. For an absolute determination of offsets and nonorthogonality, a motion with at least two degrees of freedom is necessary. In order to determine absolutely the scale factors, the magnitude of the field has to be known. Four examples of calibration based on experimental data are presented. Advantages and limits of applicability of this method are investigated.

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Auster, Hans-Ulrich: Kalibrierung von Fluxgate Magnetometern mittels Relativbewegungen zwischen Sensor und Magnetfeld. 2000.

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