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電子羅盤,也叫數字指南針,是利用地磁場來定北極的一種方法。古代稱為羅經,現代利用先進加工工藝生產的磁阻感測器為羅盤的數字化提供了有力的幫助。現在一般有用磁阻感測器和磁通門加工而成的電子羅盤。

1 電子羅盤 -概述

  雖然 GPS在導航、定位、測速、定向方面有著廣泛的應用,但由於其信號常被地形、地物遮擋,導致精度大大降低,甚至不能使用。尤其在高樓林立城區和植被茂密的林區,GPS信號的有效性僅為60%。並且在靜止的情況下,GPS也無法給出航向信息。為彌補這一不足,可以採用組合導航定向的方法。電子
電子羅盤
羅盤產品正是為滿足用戶的此類需求而設計的。它可以對GPS信號進行有效補償,保證導航定向信息100%有效,即使是在GPS信號失鎖后也能正常工作,做到「丟星不丟向」。
  當然,隨著GPS技術的發展,採用雙GPS接收機作為衛星信號感測器,利用載波測量技術和快速求解模糊度技術,精確計算出運動載體的方位角,同時可以輸出俯仰角、位置、速度以及UTC等信息 也可以實現靜止狀態給出航向信息。目前市場典型XW-SC3600/3660定位定向系統,克服陀螺尋北的成本高、動態差和磁羅盤精度低、響應慢等缺點。

2 電子羅盤 -產品功能與簡介

  電子羅盤可以分為平面電子羅盤和三維電子羅盤。平面電子羅盤要求用戶在使用時必須保持羅盤的水平,否則當羅盤發生傾斜時,也會給出航向的變化而實際上航向並沒有變化。雖然平面電子羅盤對使用時要求很高,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格限制,因為三維電子羅盤在其內部加入了 傾角感測器,如果羅盤發生傾斜時可以對羅盤進行傾斜補償,這樣即使羅盤發生傾斜,航向數據依然準確無誤。有時為了克服溫度漂移,羅盤也可內置溫度補償,最大限度減少傾斜角和指向角的溫度漂移。

3 電子羅盤 -原理

  三維電子羅盤 由三維磁阻感測器、雙軸傾角感測器和MCU構成。三維磁阻感測器用來測量地球 磁場,傾角感測器是在磁力儀非水平狀態時進行補償;MCU處理磁力儀和傾角感測器的信號以及數據輸出和軟鐵、硬鐵補償。該磁力儀是採用三個互相垂直的磁阻感測器,每個軸向上的感測器檢測在該方向上的地 磁場強度。向前的方向稱為x方向的感測器檢測地磁場在x方向的矢量值;向左或Y方向的感測器檢測地磁場在Y方向的矢量值;向下或Z方向的感測器檢測地磁場在Z方向的矢量值。每個方向的感測器的靈敏度都已根據在該方向上 地磁場的分矢量調整到最佳點,並具有非常低的橫軸靈敏度。感測器產生的模擬輸出信號進行放大後送入MCU進行處理。磁場測量範圍為±2Gauss。通過採用12位 A/D轉換器,磁力儀能夠分辨出小於1mGauss的磁場變化量,我們便可通過該高分辨力來準確測量出200-300mGauss的X和Y方向的磁場強度,不論是在赤道上的向上變化還是在南北極的更低值位置。
  僅用地磁場在X和Y的兩個分矢量值便可確定方位值:
  Azimuth=arcTan(Y/X)
  該關係式是在檢測儀器與地表面平行時才成立。當儀器發生傾斜時,方位值的準確性將要受到很大的影響,該誤差的大小取決於儀器所處的位置和傾斜角的大小。為減少該誤差的影響,採用雙軸 傾角感測器來測量俯仰和側傾角,這個俯仰角被定義為由前向後方向的角度變化;而側傾角則為由左到右方向的角度變化。電子羅盤將俯仰和側傾角的數據經過轉換計算,將磁力儀在三個軸向上的矢量在原來的位置「拉」回到水平的位置。
  標準的轉換計算式如下:
  Xr=Xcosα+Ysinαsinβ-Zcosβsinα
  Yr=Xcosβ+Zsinβ
  這裡Xr和Yr為要轉換到水平位置的值
  α為俯仰角
  β為側傾角
  從以上這三個計算公式可以看出,在整個補償技術中Z軸向的矢量扮演一個非常重要的角色。要正確運用這些值,俯仰和側傾角的數字必須時刻更新。採用雙軸寬線性量程範圍、高解析度、溫漂係數低的陶瓷基體電解質感測器來測量俯仰角和側傾角,傾角數值經過電路板上的溫度感測器補償后得出的。

4 電子羅盤 -特點

  總結一下,典型的數字羅盤具有以下特點:
  1. 三軸磁阻效應感測器測量平面地磁場,雙軸傾角補償。
  2. 高速高精度A/D轉換。
  3. 內置溫度補償,最大限度減少傾斜角和指向角的溫度漂移。
  4. 內置微處理器計算感測器與磁北夾角。
  5. 具有簡單有效的用戶標校指令。
  6. 具有指向零點修正功能。
  7. 外殼結構防水,無磁。電子羅盤的原理是測量地球磁場,如果在使用的環境中有除了有地球以外的磁場且這些磁場無法有效的屏蔽時,那麼電子羅盤的使用就有很大的問題,這時只能考慮使用 陀螺來測定航向了。

5 電子羅盤 -應用場合

 水平孔和垂直孔測量、水下勘探、飛行器導航、科學研究、教育培訓、建築物定位、設備維護、導航系統、模擬系統、GPS備份、汽車指南針、虛擬現實。

6 電子羅盤 -電子羅盤的分類

  隨著微電子集成技術以及加工工藝、材料技術的不斷發展。電子羅盤的研究製造與運用也達到了一個前所未有的水平。目前電子羅盤按照有無傾角補償可以分為平面電子羅盤和三維電子羅盤,也可以按照感測器的不同分為磁阻效應感測器、霍爾效應感測器和磁通門感測器。1.1磁阻效應感測器

  
電子羅盤
磁阻效應感測器是根據磁性材料的磁阻效應製成的。磁性材料(如坡莫合金)具有各向異性,對它進行磁化時,其磁化方向將取決於材料的易磁化軸、材料的形狀和磁化磁場的方向。如圖所示,當給帶狀坡莫合金材料通電流I時,材料的電阻取決於電流的方向與磁化方向的夾角。如果給材料施加一個磁場B(被測磁場),就會使原來的磁化方向轉動。如果磁化方向轉向垂直於電流的方向,則材料的電阻將減小;如果磁化方向轉向平行於電流的方向,則材料的電阻將增大。磁阻效應感測器一般有四個這樣的電阻組成,並將它們接成電橋。在被測磁場B作用下,電橋中位於相對位置的兩個電阻阻值增大,另外兩個電阻的阻值減小。在其線性範圍內,電橋的輸出電壓與被測磁場成正比。 磁阻感測器已經能製作在矽片上,並形成產品。其靈敏度和線性度已經能滿足磁羅盤的要求,各方面的性能明顯優於霍爾器件。遲滯誤差和零點溫度漂移還可採用對感測器進行交替正向磁化和反向磁化的方法加以消除。由於磁阻感測器的這些優越性能,使它在某些應用場合能夠與磁通門競 爭。磁阻感測器的主要問題是其翻轉效應,這是其原理所固有的。如前所述,在使用前對磁性材料進行了磁化,此後如果遇到了較強的相反方向的磁場(大於20高斯)就會對材料的磁化產生影響,從而影響感測器的性能。在極端情況下,會使磁化方向翻轉180。這種危險雖然可以利用周期性磁化的方法加以消除,但仍存在問題。對材料進行磁化的磁場必須很強,如果採用外加線圈來產生周期性磁化磁場,就失去了小型化的意義,Honeywell公司的一項專利,解決了這個問題。他們在矽片上製作了一個電流帶來產生磁化磁場,該電流帶的阻值只有5歐姆左右。雖然磁化電流只持續1-2毫秒,但電流強度卻高達1到1.5安培。但這種方案對驅動電路要求高,而且如果集成入微系統,這樣強的脈衝電流將威脅系統中的微處理器等其它電路的可靠性。 1.2霍爾效應感測器

  霍爾效應磁感測器的工作原理如圖2-2所示。如果沿矩形金屬薄片的長方向通電流I,由於載流子受洛侖茲力作用,在垂直於薄片平面的方向施加強磁場B,則在其橫向會產生電壓差U,其大小與電流I、磁場B和材料的霍爾係數R成正比,與金屬薄片的厚度d反比。100多年前發現的霍爾效應,由於一般材料的霍爾係數都很小而難以應用,直到半導體問世后才真正用於磁場測量。這是因為半導體中的載流子數量少,如果給它通的電流與金屬材料相同,那麼半導體中載流子的速度就更快,所受到的洛侖茲力就更大,因而霍爾效應的係數也就更大。霍爾效應磁感測器的優點是體積小,重量輕,功耗小,價格便宜,介面電路簡單,特別適用於強磁場的測量。但是,它又有靈敏度低,雜訊大,溫度性能差等缺點。雖然有些高靈敏度或採取了聚磁措施霍爾器件也能用於測量地磁場,但一般都是用於要求不高的場合。1.3磁通門感測器

  磁飽和法是基於磁調製原理,即利用被測磁場中鐵磁材料磁芯在交變磁場的飽和勵磁下其磁感應強度與 磁場強度的非線性關係來測量弱磁場的一種方法。應用磁飽和法測量磁場的磁強計稱為磁飽和磁強計,也稱磁通門磁強計或鐵磁探針磁強計。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電動勢的偶次諧波(主要是二次諧波),而濾去其他諧波;諧波非選擇法是不經濾波而直接測量探頭感應電動勢的全部頻譜,利用差分對磁飽和探頭能夠構成磁飽和梯度計,可以測量非均勻磁場,同時利用梯度計能夠克服地磁場的影響和抑制外界的干擾。這種磁強計早在本世紀30年代開始用於地磁測量以來,不斷獲得發展與改進,目前仍然是測量弱磁場的基本儀器之一。磁飽和磁強計分辨力較高測量弱磁場的範圍較寬,並且可靠、簡易、價廉、耐用,能夠直接測量磁場的分量和適於在高速運動系統中使用。因此,它廣泛應用在各個領域中,如地磁研究、地質勘探、武器偵察、材料無損探傷、空間 磁場測量等。近年來,磁飽和磁強計在宇航工程中得到了重要的應用,例如用來控制人造衛星和火箭的姿態,還可以測繪來自太陽的「太陽風」以及帶電粒子相互作用的空間磁場、月球磁場、行星磁場和行星際磁場的圖形。 雖然磁通門還存在處理電路相對較複雜、體積較大和功耗相對較大的問題,但隨著微系統、微型磁通門和低功耗磁通門的研究,這些問題可以得到解決。從三者的比較來看,目前基於磁電阻感測器的電子羅盤具有體積小、響應速度快等優點,優勢明顯,是電子羅盤的發展方向。
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