電子羅盤，又稱數(shù)字羅盤，在現(xiàn)代技術(shù)條件中電子羅盤作為導(dǎo)航儀器或姿態(tài)傳感器已被廣泛應(yīng)用。電子羅盤與傳統(tǒng)指針式和平衡架結(jié)構(gòu)羅盤相比能耗低、體積小、重量輕、精度高、可微型化，其輸出信號(hào)通過(guò)處理可以實(shí)現(xiàn)數(shù)碼顯示，不僅可以用來(lái)指向，其數(shù)字信號(hào)可直接送到自動(dòng)舵，控制船舶的操縱。目前，廣為使用的是三軸捷聯(lián)磁阻式數(shù)字磁羅盤，這種羅盤具有抗搖動(dòng)和抗振性、航向精度較高、對(duì)干擾場(chǎng)有電子補(bǔ)償、可以集成到控制回路中進(jìn)行數(shù)據(jù)鏈接等優(yōu)點(diǎn)，因而廣泛應(yīng)用于航空、航天、機(jī)器人、航海、車輛自主導(dǎo)航等領(lǐng)域。

電子羅盤 - 導(dǎo)航儀器

概述

隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，人類的活動(dòng)范圍不斷擴(kuò)大，從深達(dá)數(shù)千米的地層、海底到外大氣層都有人類活動(dòng)的痕跡。伴隨著人類活動(dòng)領(lǐng)域的不斷擴(kuò)展，衛(wèi)星、飛機(jī)、導(dǎo)彈、運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的穩(wěn)定、微波通信天線的自動(dòng)跟蹤、勘探和探測(cè)等研究活動(dòng)都需要定向?qū)Ш郊夹g(shù)。因此，定向?qū)Ш郊夹g(shù)的研究在科學(xué)研究、工程領(lǐng)域中具有重要的意義。

雖然GPS在導(dǎo)航、定位、測(cè)速、定向方面有著廣泛的應(yīng)用，但由于其信號(hào)常被地形、地物遮擋，導(dǎo)致精度大大降低，甚至不能使用。尤其在高樓林立城區(qū)和植被茂密的林區(qū)，GPS信號(hào)的有效性僅為60%。并且在靜止的情況下，GPS也無(wú)法給出航向信息。為彌補(bǔ)這一不足，可以采用組合導(dǎo)航定向的方法。電子羅盤產(chǎn)品正是為滿足用戶的此類需求而設(shè)計(jì)的。它可以對(duì)GPS信號(hào)進(jìn)行有效補(bǔ)償，保證導(dǎo)航定向信息100%有效，即使是在GPS信號(hào)失鎖后也能正常工作，做到“丟星不丟向”。

當(dāng)然，隨著GPS技術(shù)的發(fā)展，采用雙GPS接收機(jī)作為衛(wèi)星信號(hào)傳感器，利用載波測(cè)量技術(shù)和快速求解模糊度技術(shù)，精確計(jì)算出運(yùn)動(dòng)載體的方位角，同時(shí)可以輸出俯仰角、位置、速度以及UTC等信息也可以實(shí)現(xiàn)靜止?fàn)顟B(tài)給出航向信息。目前市場(chǎng)典型XW-SC3600/3660定位定向系統(tǒng)，克服陀螺尋北的成本高、動(dòng)態(tài)差和磁羅盤精度低、響應(yīng)慢等缺點(diǎn)。

功能簡(jiǎn)介

電子羅盤可以分為平面電子羅盤和三維電子羅盤，主要用在手持設(shè)備和汽車航海運(yùn)輸方面。平面電子羅盤要求用戶在使用時(shí)必須保持羅盤的水平，否則當(dāng)羅盤發(fā)生傾斜時(shí)，也會(huì)給出航向的變化而實(shí)際上航向并沒(méi)有變化。雖然平面電子羅盤對(duì)使用時(shí)要求很高，但如果能保證羅盤所附載體始終水平的話，平面羅盤是一種性價(jià)比很好的選擇。三維電子羅盤克服了平面電子羅盤在使用中的嚴(yán)格限制，因?yàn)槿S電子羅盤在其內(nèi)部加入了傾角傳感器，如果電子羅盤發(fā)生傾斜時(shí)可以對(duì)羅盤進(jìn)行傾斜補(bǔ)償，這樣即使羅盤發(fā)生傾斜，航向數(shù)據(jù)依然準(zhǔn)確無(wú)誤。有時(shí)為了克服溫度漂移，羅盤也可內(nèi)置溫度補(bǔ)償，最大限度減少傾斜角和指向角的溫度漂移。

原理

三維電子羅盤由三維磁阻傳感器、雙軸傾角傳感器和MCU構(gòu)成。三維磁阻傳感器用來(lái)測(cè)量地球磁場(chǎng)，傾角傳感器是在磁力儀非水平狀態(tài)時(shí)進(jìn)行補(bǔ)償；MCU處理磁力儀和傾角傳感器的信號(hào)以及數(shù)據(jù)輸出和軟鐵、硬鐵補(bǔ)償。該磁力儀是采用三個(gè)互相垂直的磁阻傳感器，每個(gè)軸向上的傳感器檢測(cè)在該方向上的地磁場(chǎng)強(qiáng)度。

向前的方向稱為x方向的傳感器檢測(cè)地磁場(chǎng)在x方向的矢量值；向左或Y方向的傳感器檢測(cè)地磁場(chǎng)在Y方向的矢量值；向下或Z方向的傳感器檢測(cè)地磁場(chǎng)在Z方向的矢量值。每個(gè)方向的傳感器的靈敏度都已根據(jù)在該方向上地磁場(chǎng)的分矢量調(diào)整到最佳點(diǎn)，并具有非常低的橫軸靈敏度。傳感器產(chǎn)生的模擬輸出信號(hào)進(jìn)行放大后送入MCU進(jìn)行處理。磁場(chǎng)測(cè)量范圍為±2Gauss。通過(guò)采用12位A/D轉(zhuǎn)換器，磁力儀能夠分辨出小于1mGauss的磁場(chǎng)變化量，我們便可通過(guò)該高分辨力來(lái)準(zhǔn)確測(cè)量出200-300mGauss的X和Y方向的磁場(chǎng)強(qiáng)度，不論是在赤道上的向上變化還是在南北極的更低值位置。

僅用地磁場(chǎng)在X和Y的兩個(gè)分矢量值便可確定方位值：

Azimuth=arcTan - Y/X

該關(guān)系式是在檢測(cè)儀器與地表面平行時(shí)才成立。當(dāng)儀器發(fā)生傾斜時(shí)，方位值的準(zhǔn)確性將要受到很大的影響，該誤差的大小取決于儀器所處的位置和傾斜角的大小。為減少該誤差的影響，采用雙軸傾角傳感器來(lái)測(cè)量俯仰和側(cè)傾角，這個(gè)俯仰角被定義為由前向后方向的角度變化；而側(cè)傾角則為由左到右方向的角度變化。電子羅盤將俯仰和側(cè)傾角的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換計(jì)算，將磁力儀在三個(gè)軸向上的矢量在原來(lái)的位置“拉”回到水平的位置。

標(biāo)準(zhǔn)的轉(zhuǎn)換計(jì)算式如下：

Xr=Xcosα+Ysinαsinβ-Zcosβsinα

Yr=Xcosβ+Zsinβ

這里Xr和Yr為要轉(zhuǎn)換到水平位置的值

α為俯仰角

β為側(cè)傾角

從以上這三個(gè)計(jì)算公式可以看出，在整個(gè)補(bǔ)償技術(shù)中Z軸向的矢量扮演一個(gè)非常重要的角色。要正確運(yùn)用這些值，俯仰和側(cè)傾角的數(shù)字必須時(shí)刻更新。采用雙軸寬線性量程范圍、高分辨率、溫漂系數(shù)低的陶瓷基體電解質(zhì)傳感器來(lái)測(cè)量俯仰角和側(cè)傾角，傾角數(shù)值經(jīng)過(guò)電路板上的溫度傳感器補(bǔ)償后得出的。

特點(diǎn)

總結(jié)一下，典型的數(shù)字羅盤具有以下特點(diǎn):

1．三軸磁阻效應(yīng)傳感器測(cè)量平面地磁場(chǎng)，雙軸傾角補(bǔ)償。

2．高速高精度A/D轉(zhuǎn)換。

3．內(nèi)置溫度補(bǔ)償，最大限度減少傾斜角和指向角的溫度漂移。

4．內(nèi)置微處理器計(jì)算傳感器與磁北夾角。

5．具有簡(jiǎn)單有效的用戶標(biāo)校指令。

6．具有指向零點(diǎn)修正功能。

7．外殼結(jié)構(gòu)防水，無(wú)磁。電子羅盤的原理是測(cè)量地球磁場(chǎng)，如果在使用的環(huán)境中有除了有地球以外的磁場(chǎng)且這些磁場(chǎng)無(wú)法有效的屏蔽時(shí)，那么電子羅盤的使用就有很大的問(wèn)題，這時(shí)只能考慮使用陀螺來(lái)測(cè)定航向了。

應(yīng)用場(chǎng)合

水平孔和垂直孔測(cè)量、水下勘探、飛行器導(dǎo)航、科學(xué)研究、教育培訓(xùn)、建筑物定位、設(shè)備維護(hù)、導(dǎo)航系統(tǒng)、測(cè)速、仿真系統(tǒng)、GPS備份、汽車指南針、虛擬現(xiàn)實(shí)。

分類

隨著微電子集成技術(shù)以及加工工藝、材料技術(shù)的不斷發(fā)展。電子羅盤的研究制造與運(yùn)用也達(dá)到了一個(gè)前所未有的水平。目前電子羅盤按照有無(wú)傾角補(bǔ)償可以分為平面電子羅盤和三維電子羅盤,也可以按照傳感器的不同分為磁阻效應(yīng)傳感器、霍爾效應(yīng)傳感器和磁通門傳感器。

1磁阻效應(yīng)傳感器

磁阻效應(yīng)傳感器是根據(jù)磁性材料的磁阻效應(yīng)制成的。磁性材料 - 如坡莫合金具有各向異性，對(duì)它進(jìn)行磁化時(shí)，其磁化方向?qū)⑷Q于材料的易磁化軸、材料的形狀和磁化磁場(chǎng)的方向。如圖所示，當(dāng)給帶狀坡莫合金材料通電流I時(shí)，材料的電阻取決于電流的方向與磁化方向的夾角。如果給材料施加一個(gè)磁場(chǎng)B - 被測(cè)磁場(chǎng)，就會(huì)使原來(lái)的磁化方向轉(zhuǎn)動(dòng)。如果磁化方向轉(zhuǎn)向垂直于電流的方向，則材料的電阻將減小;如果磁化方向轉(zhuǎn)向平行于電流的方向，則材料的電阻將增大。

磁阻效應(yīng)傳感器一般有四個(gè)這樣的電阻組成，并將它們接成電橋。在被測(cè)磁場(chǎng)B作用下，電橋中位于相對(duì)位置的兩個(gè)電阻阻值增大，另外兩個(gè)電阻的阻值減小。在其線性范圍內(nèi)，電橋的輸出電壓與被測(cè)磁場(chǎng)成正比。磁阻傳感器已經(jīng)能制作在硅片上，并形成產(chǎn)品。其靈敏度和線性度已經(jīng)能滿足磁羅盤的要求，各方面的性能明顯優(yōu)于霍爾器件。遲滯誤差和零點(diǎn)溫度漂移還可采用對(duì)傳感器進(jìn)行交替正向磁化和反向磁化的方法加以消除。

由于磁阻傳感器的這些優(yōu)越性能，使它在某些應(yīng)用場(chǎng)合能夠與磁通門競(jìng) 爭(zhēng)。磁阻傳感器的主要問(wèn)題是其翻轉(zhuǎn)效應(yīng),這是其原理所固有的。如前所述，在使用前對(duì)磁性材料進(jìn)行了磁化，此后如果遇到了較強(qiáng)的相反方向的磁場(chǎng) - 大于20高斯就會(huì)對(duì)材料的磁化產(chǎn)生影響，從而影響傳感器的性能。在極端情況下，會(huì)使磁化方向翻轉(zhuǎn)180。

這種危險(xiǎn)雖然可以利用周期性磁化的方法加以消除，但仍存在問(wèn)題。對(duì)材料進(jìn)行磁化的磁場(chǎng)必須很強(qiáng)，如果采用外加線圈來(lái)產(chǎn)生周期性磁化磁場(chǎng)，就失去了小型化的意義，Honeywell公司的一項(xiàng)專利，解決了這個(gè)問(wèn)題。他們?cè)诠杵现谱髁艘粋€(gè)電流帶來(lái)產(chǎn)生磁化磁場(chǎng)，該電流帶的阻值只有5歐姆左右。雖然磁化電流只持續(xù)1-2毫秒，但電流強(qiáng)度卻高達(dá)1到1.5安培。但這種方案對(duì)驅(qū)動(dòng)電路要求高，而且如果集成入微系統(tǒng)，這樣強(qiáng)的脈沖電流將威脅系統(tǒng)中的微處理器等其它電路的可靠性。

2霍爾效應(yīng)傳感器

霍爾效應(yīng)磁傳感器的工作原理如圖2-2所示。如果沿矩形金屬薄片的長(zhǎng)方向通電流I，由于載流子受洛侖茲力作用，在垂直于薄片平面的方向施加強(qiáng)磁場(chǎng)B，則在其橫向會(huì)產(chǎn)生電壓差U，其大小與電流I、磁場(chǎng)B和材料的霍爾系數(shù)R成正比，與金屬薄片的厚度d反比。100多年前發(fā)現(xiàn)的霍爾效應(yīng)，由于一般材料的霍爾系數(shù)都很小而難以應(yīng)用，直到半導(dǎo)體問(wèn)世后才真正用于磁場(chǎng)測(cè)量。

這是因?yàn)榘雽?dǎo)體中的載流子數(shù)量少，如果給它通的電流與金屬材料相同，那么半導(dǎo)體中載流子的速度就更快，所受到的洛侖茲力就更大，因而霍爾效應(yīng)的系數(shù)也就更大?；魻栃?yīng)磁傳感器的優(yōu)點(diǎn)是體積小，重量輕，功耗小，價(jià)格便宜，接口電路簡(jiǎn)單，特別適用于強(qiáng)磁場(chǎng)的測(cè)量。但是，它又有靈敏度低，噪聲大，溫度性能差等缺點(diǎn)。雖然有些高靈敏度或采取了聚磁措施霍爾器件也能用于測(cè)量地磁場(chǎng)，但一般都是用于要求不高的場(chǎng)合。

3磁通門傳感器

磁飽和法是基于磁調(diào)制原理，即利用被測(cè)磁場(chǎng)中鐵磁材料磁芯在交變磁場(chǎng)的飽和勵(lì)磁下其磁感應(yīng)強(qiáng)度與磁場(chǎng)強(qiáng)度的非線性關(guān)系來(lái)測(cè)量弱磁場(chǎng)的一種方法。應(yīng)用磁飽和法測(cè)量磁場(chǎng)的磁強(qiáng)計(jì)稱為磁飽和磁強(qiáng)計(jì)，也稱磁通門磁強(qiáng)計(jì)或鐵磁探針磁強(qiáng)計(jì)。磁飽和法大體劃分為諧波選擇法和諧波非選擇法兩大類。

諧波選擇法只是考慮探頭感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的偶次諧波 - 主要是二次諧波，而濾去其他諧波；諧波非選擇法是不經(jīng)濾波而直接測(cè)量探頭感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的全部頻譜，利用差分對(duì)磁飽和探頭能夠構(gòu)成磁飽和梯度計(jì)，可以測(cè)量非均勻磁場(chǎng)，同時(shí)利用梯度計(jì)能夠克服地磁場(chǎng)的影響和抑制外界的干擾。這種磁強(qiáng)計(jì)早在本世紀(jì)30年代開(kāi)始用于地磁測(cè)量以來(lái)，不斷獲得發(fā)展與改進(jìn)，目前仍然是測(cè)量弱磁場(chǎng)的基本儀器之一。

磁飽和磁強(qiáng)計(jì)分辨力較高測(cè)量弱磁場(chǎng)的范圍較寬，并且可靠、簡(jiǎn)易、價(jià)廉、耐用，能夠直接測(cè)量磁場(chǎng)的分量和適于在高速運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)中使用。因此，它廣泛應(yīng)用在各個(gè)領(lǐng)域中，如地磁研究、地質(zhì)勘探、武器偵察、材料無(wú)損探傷、空間磁場(chǎng)測(cè)量等。近年來(lái)，磁飽和磁強(qiáng)計(jì)在宇航工程中得到了重要的應(yīng)用，例如用來(lái)控制人造衛(wèi)星和火箭的姿態(tài)，還可以測(cè)繪來(lái)自太陽(yáng)的“太陽(yáng)風(fēng)”以及帶電粒子相互作用的空間磁場(chǎng)、月球磁場(chǎng)、行星磁場(chǎng)和行星際磁場(chǎng)的圖形。雖然磁通門還存在處理電路相對(duì)較復(fù)雜、體積較大和功耗相對(duì)較大的問(wèn)題，但隨著微系統(tǒng)、微型磁通門和低功耗磁通門的研究，這些問(wèn)題可以得到解決。從三者的比較來(lái)看,目前基于磁電阻傳感器的電子羅盤具有體積小、響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn),優(yōu)勢(shì)明顯,是電子羅盤的發(fā)展方向。