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DE102009000152A1 - Method for adjusting combination sensor, particularly inclination-compensated electronic compass, involves utilizing three-axis acceleration sensor component - Google Patents

Method for adjusting combination sensor, particularly inclination-compensated electronic compass, involves utilizing three-axis acceleration sensor component Download PDF

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DE102009000152A1
DE102009000152A1 DE102009000152A DE102009000152A DE102009000152A1 DE 102009000152 A1 DE102009000152 A1 DE 102009000152A1 DE 102009000152 A DE102009000152 A DE 102009000152A DE 102009000152 A DE102009000152 A DE 102009000152A DE 102009000152 A1 DE102009000152 A1 DE 102009000152A1
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Robert Bosch GmbH
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Abstract

The method involves utilizing a three-axis acceleration sensor component, whose acceleration sensitivity axles are tilted gradually in a direction of acceleration due to gravity vector. The homogeneous magnetic field is developed in the direction of the acceleration due to gravity vector. The appropriate magnetic field sensing direction is adjusted at the same time during the adjustment of the acceleration sensitivity axles. An independent claim is also included for a device for adjusting a combination sensor, particularly an inclination-compensated electronic compass.

Description

Stand der TechnikState of the art

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Abgleich mindestens eines Kombisensors, insbesondere eines neigungskompensierten elektronischen Kompasses, mit mindestens einer dreiachsigen Beschleunigungs-Sensorkomponente, deren Beschleunigungs-Empfindlichkeitsachsen sukzessiv in Richtung des Erdbeschleunigungsvektors gekippt und auf die Erdbeschleunigung abgeglichen werden, und mit mindestens einer mehrachsigen geomagnetischen Sensorkomponente, die im Kombisensor achsparallel zur Beschleunigungs-Sensorkomponente angeordnet ist und deren Magnetfeld-Sensierrichtungen zum Abgleich sukzessiv entlang eines homogenen Magnetfeldes mit bekannter Feldstärke angeordnet werden. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung eines solchen Verfahrens, die beim Abgleich der Beschleunigungs-Sensorkomponente von einem Kipptisch und beim Abgleich der geomagnetischen Sensorkomponente von einer Helmholtz-Spule Gebrauch macht.The The invention relates to a method for adjusting at least one combination sensor, in particular a tilt compensated electronic compass, with at least one triaxial acceleration sensor component, their acceleration-sensitivity axes successively in the direction of gravity acceleration vector tilted and on earth acceleration with at least one multi-axis geomagnetic sensor component, in the combi sensor axis-parallel to the acceleration sensor component is arranged and their magnetic field sensing directions for adjustment successively along a homogeneous magnetic field of known field strength to be ordered. Furthermore, the invention relates to a device to carry out such a procedure, when reconciling the acceleration sensor component of a tilting table and the Balancing the geomagnetic sensor component from a Helmholtz coil Use.

Magnetsensoren können zur Messung der Erdmagnetfelder benutzt werden und dementsprechend als elektronische Kompasse eingesetzt werden. Da die Erdmagnetfelder parallel zur Erdoberfläche verlaufen, ist ein zweiachsiger Magnetsensor die minimale Anforderung für einen Kompass. Der Kompass muss entsprechend parallel zur Erdoberfläche gehalten werden. Eine Weiterentwicklung sind die neigungskompensierten Kompasse, vergleiche zum Beispiel DE 10 2004 007 775 A1 . Diese bestehen aus einem dreiachsigen Beschleunigungssensor zur Neigungsbestimmung und einem zwei- oder dreiachsigen Magnetsensor, der entsprechend der Neigung kompensiert wird. Damit kann die richtige Ausrichtung in jeder Haltung bzw. Neigung bestimmt werden. Derartige neigungskompensierte Kompasse werden beispielsweise in der Kraftfahrzeugtechnik eingesetzt. Kombisensoren dieser Art können insbesondere als mikromechanische sensorfusionierte Systeme auf einem einzigen Substrat aufgebaut sein, vergleiche zum Beispiel DE 10 2006 010 484 A1 .Magnetic sensors can be used to measure geomagnetic fields and, accordingly, can be used as electronic compasses. Since the Earth's magnetic fields are parallel to the Earth's surface, a biaxial magnetic sensor is the minimum requirement for a compass. The compass must be kept parallel to the earth's surface. A further development are the inclination compensated compasses, compare for example DE 10 2004 007 775 A1 , These consist of a three-axis acceleration sensor for inclination determination and a two- or three-axis magnetic sensor, which is compensated according to the inclination. Thus, the correct orientation can be determined in any attitude or inclination. Such inclination compensated compasses are used for example in automotive engineering. Combi sensors of this type can be constructed, in particular, as micromechanical sensor-fused systems on a single substrate, compare for example DE 10 2006 010 484 A1 ,

Die Empfindlichkeit von Beschleunigungssensoren wird durch die Anwendung von Erdbeschleunigung abgeglichen. Dabei werden jeweils die Beschleunigungs-Empfindlichkeitsachsen sukzessiv in Richtung des Erdbeschleunigungsvektors gedreht und entsprechend auf 1g abgeglichen (1g = Erdbeschleunigung), vergleiche z. B. DE 198 58 621 C2 . Dabei ist es auch bekannt, eine um drei Achsen drehbare Montagefläche, beziehungsweise einen Kipptisch einzusetzen, damit der Beschleunigungssensor beim sukzessiven Abgleich der drei – rechtwinklig zueinander angeordneten – Empfindlichkeitsachsen nicht ummontiert werden muss. Magnetsensoren andererseits werden üblicherweise durch kontrollierte homogene Magnetfelder abgeglichen. Hierfür werden üblicherweise Helmholtz-Spulen benutzt. Diese bekannten Spulen sind insbesondere in ‚eindimensionaler’ und ‚dreidimensionaler’ Bauform bekannt. Mit der – relativ aufwändigen – dreidimensionalen Helmholtz-Spule kann man ein homogenes Magnetfeld entlang jeder der drei Raumachsen erzeugen und damit einen Gegenstand untersuchen, ohne diesen drehen beziehungsweise ummontieren zu müssen. Der Abgleich der beiden Sensorkomponenten erfolgt demnach bisher unabhängig voneinander, das heißt insbesondere nacheinander, in unterschiedlichen Abgleichstationen, so dass der Aufwand für den Abgleich des Kombisensors insgesamt relativ hoch ist.The sensitivity of acceleration sensors is balanced by the application of gravitational acceleration. In each case, the acceleration-sensitivity axes are successively rotated in the direction of the acceleration due to gravity and adjusted accordingly to 1g (1g = gravitational acceleration), cf. B. DE 198 58 621 C2 , It is also known to use a rotating about three axes mounting surface, or a tilting table, so that the acceleration sensor does not have to be converted during the successive adjustment of the three - arranged at right angles to each other - sensitivity axes. Magnetic sensors, on the other hand, are usually balanced by controlled homogeneous magnetic fields. Helmholtz coils are usually used for this purpose. These known coils are known in particular in 'one-dimensional' and 'three-dimensional' design. With the - relatively complex - three-dimensional Helmholtz coil, one can create a homogeneous magnetic field along each of the three spatial axes and thus investigate an object without having to rotate or rearrange it. The adjustment of the two sensor components thus far takes place independently of each other, that is, in particular successively, in different matching stations, so that the overall effort for the adjustment of the combination sensor is relatively high.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Das erfindungsgemäße Verfahren zum Abgleich eines Kombisensors ist in Anspruch 1 gekennzeichnet, während eine Vorrichtung zur Durchführung eines solchen Verfahrens im unabhängigen Anspruch 3 gekennzeichnet ist.The inventive method for balancing a Combi sensors is characterized in claim 1, while an apparatus for carrying out such a method is characterized in the independent claim 3.

Bei dem erfindungsgemäßen Abgleichverfahren ist, über die gattungsgemäßen Merkmale hinaus, vorgesehen, dass das homogene Magnetfeld in Richtung des Erdbeschleunigungsvektors aufgebaut wird, und dass während des Abgleichs einer der Beschleunigungs-Empfindlichkeitsachsen gleichzeitig die entsprechende Magnetfeld-Sensierrichtung abgeglichen wird.at the adjustment method according to the invention is about the generic features, provided, that the homogeneous magnetic field in the direction of the gravitational acceleration vector and that during reconciliation one of the Acceleration sensitivity axes simultaneously the corresponding Magnetic field Sensierrichtung is adjusted.

Der Kern der Erfindung besteht darin, ein homogenes Magnetfeld in Richtung des Gravitationsvektors aufzubauen. Damit kann der Abgleich der Beschleunigungssensoren und Magnetsensoren gleichzeitig und in einer Abgleichstation erfolgen. Da die Beschleunigungssensoren für jede Empfindlichkeitsachse sowieso in Richtung des Gravitationsfeldes gekippt werden, werden gleichzeitig die entsprechenden Magnetfeld-Sensierrichtungen des Magnetsensors sukzessive in das homogene Magnetfeld eingebracht und können mit dem Beschleunigungssensor im gleichen Zuge abgeglichen werden. Die Vorteile des erfindungsgemäßen Vorgehens im Vergleich zum getrennten Abgleichen in unabhängigen Abgleichstationen gemäß dem Stand der Technik sind die kombinierte und vereinfachte Abgleichapparatur und die Verkürzung der Abgleichzeiten und damit die Reduktion der Herstellkosten von Kombisensoren, wie insbesondere neigungskompensierten Kompassen.Of the The core of the invention is a homogeneous magnetic field in the direction of the gravitational vector. Thus the adjustment of the Acceleration sensors and magnetic sensors simultaneously and in one Matching station done. Since the acceleration sensors for any axis of sensitivity anyway tilted in the direction of the gravitational field become simultaneously the corresponding magnetic field Sensierrichtungen of the magnetic sensor successively introduced into the homogeneous magnetic field and can with the accelerometer at the same time be matched. The advantages of the invention Procedure versus separate matching in independent Matching stations according to the prior art are the combined and simplified balancing apparatus and the Shortening of the adjustment times and thus the reduction of the Production costs of combination sensors, in particular inclination-compensated Compasses.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung können die Beschleunigungs-Empfindlichkeitsachsen zur Ermittlung des Offsets der Beschleunigungs-Sensorkomponente jeweils zusätzlich in die zum Erdbeschleunigungsvektor inverse Richtung gekippt und die zugehörigen Beschleunigungen gemessen werden.According to one embodiment of the invention, the acceleration sensitivity axes for determining the offset of the acceleration sensor component can each additionally tilted in the direction inverse to the acceleration acceleration vector and the associated accelerations gemes be sen.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren eröffnet sich die Möglichkeit, beim Abgleich des Magnetsensors eine vereinfachte Abgleichapparatur, insbesondere eine nur ‚eindimensional’ ausgebildete Helmholtz-Spule einzusetzen, ohne den Magnetsensor dann zum Abgleich seiner jeweiligen (zwei oder drei) Sensierrichtungen ummontieren zu müssen. Im einzelnen ist bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Abgleich eines Kombisensors über die gattungsgemäßen Merkmale hinaus vorgesehen, dass eine eindimensionale Helmholtz-Spule vorgesehen und zusammen mit dem Kipptisch so angeordnet ist, dass das homogene Magnetfeld der eindimensionalen Helmholtz-Spule in Richtung des Erdbeschleunigungsvektors aufgebaut wird, so dass beim Verkippen der Beschleunigungs-Empfindlichkeitsachsen mittels des Kipptisches jeweils eine entsprechende Magnetfeld-Sensierrichtung der geomagnetischen Sensorkomponente in die Richtung des homogenen Magnetfeldes der eindimensionalen Helmholtz-Spule orientiert ist.By the inventive method opens the possibility, when adjusting the magnetic sensor a simplified calibration apparatus, in particular a one-dimensionally designed Helmholtz coil to use without the magnetic sensor then to balance its respective (two or three) Sensierrichtungen to have to change. In detail, in the apparatus according to the invention for Calibration of a combination sensor over the generic Features also provided a one-dimensional Helmholtz coil provided and arranged together with the tilting table so that the homogeneous magnetic field of the one-dimensional Helmholtz coil in the direction of the gravitational acceleration vector is built up so that when tilting the acceleration sensitivity axes by means of the tilting table in each case a corresponding magnetic field sensing direction of the geomagnetic sensor component in the direction of the homogeneous magnetic field of the one-dimensional Helmholtz coil is oriented.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher beschrieben. Es zeigen:The Invention will be described below with reference to an illustrated in the drawing Embodiment described in more detail. Show it:

1 eine Prinzipskizze einer aus dem Stand der Technik bekannten eindimensionalen Helmholtz-Spule, 1 a schematic diagram of a known from the prior art one-dimensional Helmholtz coil,

2 schematisch den Aufbau einer aus dem Stand der Technik bekannten dreidimensionalen Helmholtz-Spule, 2 1 shows schematically the structure of a three-dimensional Helmholtz coil known from the prior art,

3 eine Prinzipskizze einer erfindungsgemäßen Abgleichvorrichtung mit Kipptisch und eindimensionaler Helmholtz-Spule. 3 a schematic diagram of a balancing device according to the invention with tilting table and one-dimensional Helmholtz coil.

Der Abgleich von Erdmagnetfeldern erfolgt üblicherweise durch so genannte Helmholtz-Spulen, in denen ein homogenes Feld erzeugt wird und somit die Empfindlichkeit eines Magnetsensors kontrolliert eingestellt werden kann. 1 zeigt den an sich bekannten Aufbau einer eindimensionalen Helmholtz-Spule 1, bei dem zwei kurze parallele Spulen 2, 3 mit großem Radius R im Abstand R auf gleicher Achse parallel aufgestellt sind. In beiden Spulen 2, 3 fließt der gleiche Strom 1 in die gleiche Richtung. Das Feld jeder einzelnen Spule 2, 3 ist inhomogen, jedoch ergibt sich durch die Überlagerung beider Felder zwischen beiden Spulen 2, 3 nahe der Spulenachse ein Bereich mit weitgehend homogenem Magnetfeld Bx, in dem Messungen vorgenommen werden können. Der Magnetsensor (nicht dargestellt) wird in den homogenen Feldbereich gelegt und entsprechend der eingestellten Feldstärke wird der Magnetsensor in eine Sensierrichtung (hier: Sensierrichtung „x”) abgeglichen. Für den Abgleich der anderen Achsen beziehungsweise Sensierrichtungen muss der Magnetsensor bezüglich der eindimensionalen Helmholtz-Spule 1 entsprechend gekippt bzw. gedreht werden. Üblicherweise werden deshalb im Stand der Technik relativ aufwändige ‚dreidimensionale’ Helmholtz-Spulen benutzt, um entsprechend das Magnetfeld in Sensierrichtung zu ‚drehen’ und nicht den Magnetsensor. 2 zeigt die verschachtelt in drei Raumrichtungen angeordneten Spulen-Paare 1, 4 und 5 einer dreidimensionalen Helmholtz-Spule gemäß dem Stand der Technik.The adjustment of geomagnetic fields is usually carried out by so-called Helmholtz coils in which a homogeneous field is generated and thus the sensitivity of a magnetic sensor can be controlled. 1 shows the known structure of a one-dimensional Helmholtz coil 1 in which two short parallel coils 2 . 3 with a large radius R at a distance R are placed in parallel on the same axis. In both coils 2 . 3 the same current flows 1 in the same direction. The field of each individual coil 2 . 3 is inhomogeneous, but results from the superposition of both fields between the two coils 2 . 3 near the coil axis a region with a substantially homogeneous magnetic field B x , in which measurements can be made. The magnetic sensor (not shown) is placed in the homogeneous field region and according to the set field strength of the magnetic sensor in a Sensierrichtung (here: sense direction "x") is adjusted. For the adjustment of the other axes or sensing directions of the magnetic sensor with respect to the one-dimensional Helmholtz coil 1 be tilted or rotated accordingly. Usually relatively expensive, three-dimensional 'Helmholtz coils are therefore used in the prior art in order to' rotate 'the magnetic field in the sensing direction and not the magnetic sensor. 2 shows the nested in three spatial directions coil pairs 1 . 4 and 5 a three-dimensional Helmholtz coil according to the prior art.

3 zeigt die erfindungsgemäße Abgleichvorrichtung, bestehend aus einer Kombination eines Kipptisches 6 mit einer eindimensionalen Helmholtz-Spule 1 zum gleichzeitigen Abgleich von Beschleunigungs- und Magnetsensoren (Links in 3: Ausgangslage des Kipptisches 6, Abgleich der Z-Achse. Rechts in 3: gekippte Lage des Kipptisches 6, Abgleich der X-Achse). Die Beschleunigungs-Sensorkomponente des Kombisensors 7 wird im Kipptisch 6 abgeglichen, wobei jede Empfindlichkeitsachse in Richtung des Gravitationsvektors g ausgerichtet wird. Gemäß der vorliegenden Erfindung wird zusätzlich zum Kipptisch 6 eine eindimensionale Helmholtz-Spule 1 vorgesehen. Damit ist man in der Lage, während des Abgleichs der Beschleunigungssensoren gleichzeitig den dreiachsigen Magnetsensor des Kombisensors 7 in alle drei Raumrichtungen abzugleichen, beziehungsweise, bei einem zweiachsigen Magnetsensor, in zwei Raumrichtungen. 3 shows the balancing device according to the invention, consisting of a combination of a tilting table 6 with a one-dimensional Helmholtz coil 1 for simultaneous adjustment of acceleration and magnetic sensors (links in 3 : Starting position of the tilting table 6 , Z-axis adjustment. Right in 3 : tilted position of the tilting table 6 , Adjustment of the X-axis). The acceleration sensor component of the combination sensor 7 gets in the tilt table 6 matched, each sensitivity axis is aligned in the direction of the gravitational vector g. According to the present invention, in addition to the tilting table 6 a one-dimensional Helmholtz coil 1 intended. This makes it possible, during the calibration of the acceleration sensors simultaneously the triaxial magnetic sensor of the combination sensor 7 in all three spatial directions, or, in a two-axis magnetic sensor, in two spatial directions.

Im Übrigen kann mithilfe der erfindungsgemäßen Abgleichvorrichtung beziehungsweise des erfindungsgemäßen Abgleichverfahrens auch der Offset der Beschleunigungs-Sensorkomponente für jede Empfindlichkeitsachse ermittelt werden. Wenn der Beschleunigungssensor bezüglich einer Empfindlichkeitsachse einmal in Richtung des Erdbeschleunigungsvektors (positiver Betrag der Erdbeschleunigung) und einmal – nach Kippen um 180° – in die inverse Richtung (negativer Betrag der Erdbeschleunigung) gemessen wird, so ergibt sich der Offset einfach als arithmetisches Mittel der beiden Messwerte.Furthermore can with the help of the balancing device according to the invention or the adjustment method according to the invention also the offset of the acceleration sensor component for each Sensitivity axis are determined. When the acceleration sensor with respect to a sensitivity axis once in the direction the gravitational acceleration vector (positive amount of gravitational acceleration) and once - after tilting 180 ° - in the inverse direction (negative amount of gravitational acceleration) is measured is, then the offset is simply an arithmetic mean of the two measured values.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

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  • - DE 102006010484 A1 [0002] - DE 102006010484 A1 [0002]
  • - DE 19858621 C2 [0003] - DE 19858621 C2 [0003]

Claims (3)

Verfahren zum Abgleich mindestens eines Kombisensors (7), insbesondere eines neigungskompensierten elektronischen Kompasses, mit mindestens einer dreiachsigen Beschleunigungs-Sensorkomponente, deren Beschleunigungs-Empfindlichkeitsachsen sukzessiv in Richtung des Erdbeschleunigungsvektors gekippt und auf die Erdbeschleunigung abgeglichen werden, und mit mindestens einer mehrachsigen geomagnetischen Sensorkomponente, die im Kombisensor (7) achsparallel zur Beschleunigungs-Sensorkomponente angeordnet ist und deren Magnetfeld-Sensierrichtungen zum Abgleich sukzessiv entlang eines homogenen Magnetfeldes mit bekannter Feldstärke angeordnet werden, dadurch gekennzeichnet, dass das homogene Magnetfeld in Richtung des Erdbeschleunigungsvektors aufgebaut wird, und dass während des Abgleichs einer der Beschleunigungs-Empfindlichkeitsachsen gleichzeitig die entsprechende Magnetfeld-Sensierrichtung abgeglichen wird.Method for matching at least one combination sensor ( 7 ), in particular a inclination-compensated electronic compass, with at least one three-axis acceleration sensor component whose acceleration sensitivity axes are successively tilted in the direction of the acceleration due to gravity and adjusted to the gravitational acceleration, and with at least one multi-axis geomagnetic sensor component which in the combination sensor ( 7 ) is arranged axially parallel to the acceleration sensor component and whose magnetic field Sensierrichtungen are arranged for matching successively along a homogeneous magnetic field with a known field strength, characterized in that the homogeneous magnetic field is built in the direction of gravity acceleration vector, and that during the adjustment of one of the acceleration-sensitivity axes at the same time the corresponding magnetic field sensing direction is adjusted. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschleunigungs-Empfindlichkeitsachsen zur Ermittlung des Offsets der Beschleunigungs-Sensorkomponente jeweils zusätzlich in die zum Erdbeschleunigungsvektor inverse Richtung gekippt und die zugehörigen Beschleunigungen gemessen werden.Method according to claim 1, characterized in that the acceleration sensitivity axes are used to determine the Offsets of the acceleration sensor component in each case additionally tilted in the direction of gravitational acceleration vector inverse direction and the associated accelerations are measured. Vorrichtung zum Abgleich mindestens eines Kombisensors (7), insbesondere eines neigungskompensierten elektronischen Kompasses, mit mindestens einer dreiachsigen Beschleunigungs-Sensorkomponente, deren Beschleunigungs-Empfindlichkeitsachsen mittels eines Kipptisches (6) sukzessiv in Richtung des Erdbeschleunigungsvektors gekippt und auf die Erdbeschleunigung abgeglichen werden, und mit mindestens einer mehrachsigen geomagnetischen Sensorkomponente, die im Kombisensor (7) achsparallel zur Beschleunigungs-Sensorkomponente angeordnet ist und deren Magnetfeld- Sensierrichtungen zum Abgleich sukzessiv entlang eines von einer Helmholtz-Spule erzeugten homogenen Magnetfeldes mit bekannter Feldstärke angeordnet werden, dadurch gekennzeichnet, dass eine eindimensionale Helmholtz-Spule (1) vorgesehen und zusammen mit dem Kipptisch (6) so angeordnet ist, dass das homogene Magnetfeld der eindimensionalen Helmholtz-Spule (1) in Richtung des Erdbeschleunigungsvektors aufgebaut wird, so dass beim Verkippen der Beschleunigungs-Empfindlichkeitsachsen mittels des Kipptisches (6) jeweils eine entsprechende Magnetfeld-Sensierrichtung der geomagnetischen Sensorkomponente in die Richtung des homogenen Magnetfeldes der eindimensionalen Helmholtz-Spule (1) orientiert ist.Device for adjusting at least one combination sensor ( 7 ), in particular a pitch-compensated electronic compass, having at least one three-axis acceleration sensor component whose acceleration-sensitive axes are controlled by means of a tilting table ( 6 ) are successively tilted in the direction of the gravitational acceleration vector and adjusted to the gravitational acceleration, and with at least one multiaxial geomagnetic sensor component, which in the combination sensor ( 7 ) is arranged axially parallel to the acceleration sensor component and their magnetic field Sensierrichtungen are arranged for adjustment successively along a homogeneous magnetic field generated by a Helmholtz coil with a known field strength, characterized in that a one-dimensional Helmholtz coil ( 1 ) and together with the tilting table ( 6 ) is arranged so that the homogeneous magnetic field of the one-dimensional Helmholtz coil ( 1 ) is built up in the direction of the gravitational acceleration vector, so that when tilting the acceleration-sensitivity axes by means of the tilting table ( 6 ) in each case a corresponding magnetic field sensing direction of the geomagnetic sensor component in the direction of the homogeneous magnetic field of the one-dimensional Helmholtz coil ( 1 ) is oriented.
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