磁通门是一种综合性能很好的弱磁测量器件,具有分辨力高、测量范围大、温度稳定性好和剩磁误差小等优点,其构成的三轴磁通门传感器作为一种矢量磁场传感器,结构简单,性能可靠,成本低,广泛应用于航空、航天、航海、医学、机器人和地质勘探等领域。随着应用领域的发展,亟需一种具有高精度、高分辨力和高温度稳定性的三轴磁通门传感器。对于传统的三轴磁通门传感器,磁通门探头由手工制作,体积和功耗偏大,制作过程复杂;信号处理和信号输出部分采用模拟电路,电路实现容易,但电路参数调节不便,且受温度影响大;误差补偿耗时较长,补偿效果和稳定性较差。本文研究三轴数字磁通门传感器,使用n型结构PCB(印制电路板)磁通门探头,在不降低性能的条件下,减小磁通门的体积和功耗,同时降低制作难度;采用数字信号处理和数字输出替代模拟处理电路,提高温度稳定性;研究智能化的误差补偿方法,提高补偿效率和补偿精度。论文的主要研究工作及创新点包括:(1)提出了一种基于PCB的n形低功耗磁通门探头结构。为了获得较高的灵敏度、较低的噪声及较小的功耗和体积,同时考虑封装和加工的方便性,结合PCB工艺和绕线工艺,提出基于PCB的n形低功耗磁通门探头结构。该磁通门探头采用n形变截面积软磁铁芯,使用印制电路板制作骨架,激励线圈和感应线圈分别缠绕在铁芯大截面积部分和小截面积部分对应的骨架外部,并由印制电路板上的相应焊盘引出。磁通门探头的变截面积铁芯结构降低了激励电流,从而降低了功耗;n形铁芯的开口结构在兼顾功耗的同时减小了磁通门探头的体积,提高了制备效率。针对实际应用中给定电压激励源的情况,利用有限元分析方法从铁芯、线圈和激励信号等几个方面对磁通门探头性能进行仿真分析,同时分析各参数之间的相互影响,对磁通门探头的各项参数进行优化设计,进一步降低功耗。(2)提出了一种多偶次谐波参考信号设计方法及其智能化相位同步方法。磁通门探头输出信号主要为激励的各次谐波组成的交流信号,其中的偶次谐波信号包含被测磁场信息。数字磁通门传感器的信号检测采用相敏检波(相敏解调)的方法完成,其中使用二次谐波分量作为参考信号的方法忽略了磁通门探头输出信号中的其他偶次谐波分量对相敏检波的影响,使用磁通门探头不同时刻的输出信号直接组合参考信号的方法难以消除奇次谐波分量的影响,降低了磁通门的灵敏度。本文针对三轴数字磁通门传感器,提出了多偶次谐波参考信号的合成方法,同时,针对多偶次谐波参考信号和常用的方波参考信号,提出智能化的相位同步方法,提高磁通门传感器的调试效率和灵敏度。(3)提出了一种基于加权近似距离的改进椭圆拟合误差补偿算法和基于谐波分解的非线性误差补偿算法。传统椭圆拟合误差补偿算法无需外部基准,常用于补偿零位误差、灵敏度误差、非正交误差和硬磁误差等。该算法利用基于样本数据到椭圆的简化距离的最小二乘法实现最优估计,在针对航向测量应用时部分航向区域误差较大,补偿精度较低,同时该算法忽略了误差的非线性。本文提出了一种基于加权近似距离的改进椭圆拟合算法。其目标函数为基于加权近似距离的最小二乘估计,其中近似距离利用二次椭圆方程的泰勒展开式得到,加权系数与航向角相关。其次,在考虑误差非线性因素的情况下,本文提出了一种基于谐波分解的非线性误差补偿算法,该算法利用谐波分解方法建立非线性误差补偿模型,通过迭代计算分别求解误差模型中的线性项系数与非线性项系数。研究表明提出的两种补偿算法有效提高了磁通门传感器的精度。(4)提出了一种针对样本数据受限情况的三轴磁通门传感器的智能化误差补偿方法。三轴磁通门传感器安装于载体后,因周围铁磁材料的干扰,使用前必须进行误差补偿,但由于载体机动性能的限制,补偿用的样本数据通常受限在一定姿态区域内。传统椭球拟合算法要求采集的样本数据分布在足够均匀的姿态范围内,同时在解算过程中存在约束矩阵奇异导致的算法不稳定问题。本文提出了一种适用于样本数据受限情况的智能化误差补偿方法,该方法利用基于近似距离的改进椭球拟合算法,其中目标函数由近似距离的均方值表示,约束条件与样本数据相关,根据约束最小二乘法计算椭球系数。针对椭球系数的计算过程,提出了基于矩阵分解的解算方法,克服算法的不稳定性。该误差补偿方法无需外部基准,只需载体在受限区域内三个简单的旋转操作获取样本数据,简化了误差补偿过程。本文研制出了分辨力为0.01°、全姿态航向精度为0.41°(俯仰角在0°～±60°范围内)、工作温度范围为-40℃～85℃的三轴数字磁通门传感器,已成功应用于某无人机和某高空探测气球。在本文研究基础上,进一步改进的小型三轴磁通门传感器已用于某煤矿随钻测量系统中。