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古代稱為羅經(jīng).它是利用地球自生的磁場(chǎng)來(lái)確定南北方向的.我國(guó)古代的羅盤(pán)分為水羅盤(pán)、旱羅盤(pán)兩大類。水羅盤(pán)是把磁針?lè)旁谝粋�(gè)中間凹陷處盛水、邊上標(biāo)有方向的盤(pán)子里,磁針浮在水上能夠自由地旋轉(zhuǎn),靜止時(shí)兩端分別指向南北。這種指南儀器比司南更加靈敏,這就是最早的羅盤(pán)。后來(lái)隨著測(cè)方位的需要,又出現(xiàn)了磁針和方位盤(pán)結(jié)合于一體的旱羅盤(pán)。自從公元前三世紀(jì)水羅盤(pán)問(wèn)世以來(lái),羅盤(pán)很快便應(yīng)用于航海。到了明代,羅盤(pán)的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)已經(jīng)相當(dāng)完整,據(jù)史料記載,當(dāng)年出使西洋的鄭和船隊(duì)上就配備著這種羅盤(pán)。

羅盤(pán)的數(shù)字化是趨勢(shì),從電子工程的角度上講,也就是把先前羅盤(pán)給出的模擬信號(hào),數(shù)字化以后在輸出,那用戶得到的方位信息便是數(shù)字化的,這對(duì)于用戶來(lái)說(shuō)數(shù)字羅盤(pán)是極大是方便.

那么,如何得到這個(gè)上述所說(shuō)的模擬信號(hào)呢,現(xiàn)代傳感器技術(shù)給了工程師們極大的方便,較為流行的有磁阻傳感器,也有比較先進(jìn)的磁通門(mén)技術(shù).而且以往的羅盤(pán)要求使用時(shí)一定要保持羅盤(pán)的水平,這在操作上是一個(gè)不變,工程師們給現(xiàn)代數(shù)字羅盤(pán)上加入傾斜傳感器,通過(guò)軟件進(jìn)行羅盤(pán)的傾斜補(bǔ)償,這樣用戶在使用時(shí)就不必刻意的保持羅盤(pán)的水平了.

典型的數(shù)字羅盤(pán)往往有以下特點(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,輸出RS232格式數(shù)據(jù)幀。可選RS485和RS422輸出。

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。

數(shù)字羅盤(pán)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(pán)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。

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。數(shù)字羅盤(pán)的研究制造與運(yùn)用也達(dá)到了一個(gè)前所未有的水平。目前數(shù)字羅盤(pán)按照有無(wú)傾角補(bǔ)償可以分為平面數(shù)字羅盤(pán)和三維數(shù)字羅盤(pán),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(mén)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�決于材料的易磁化軸、材料的形狀和磁化磁場(chǎng)的方向。如下圖2-1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。

圖2-1 磁阻效應(yīng)

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(pán)的要求,各方面的性能明顯由于霍爾器件。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(mén)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�上制作了一個(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。

霍爾效應(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(mén)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(mén)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(mén)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(mén)和低功耗磁通門(mén)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(pán)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(pán)的發(fā)展方向。