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2023-10-22
数字指南针：电子罗盘简介
【摘要】：数字指南针，即电子罗盘，是利用地磁场来确定北极的一种方法。数字指南针一般是用磁阻传感器和磁通门加工而成的电子罗盘。磁阻传感器通常由磁场检测模块、数字指南针接口卡等组成。电子罗盘的研究制造与运用也达到了一个前所未有的水平。目前电子罗盘按照有无倾角补偿可以分为平面电子罗盘和三维电子罗盘，也可以按照传感器的不同分为磁阻效应传感器、霍尔效应传感器和磁通门传感器三类。
地球是一个巨大的磁体，其磁场强度为0.3～0.6 Gs（随地理位置的变化而变化，在确定的位置，地磁场强度恒定），磁力线与地球表面平行的分量总指向地磁北极。数字指南针，即电子罗盘，是利用地磁场来确定北极的一种方法。数字指南针一般是用磁阻传感器和磁通门加工而成的电子罗盘。数字指南针内部集成一种电阻（称为磁阻），磁阻在不同方向上感受磁场时其阻值会发生相应的变化，将磁阻阻值的变化转变为电压或电流的变化，就可以对磁场强度进行测量。磁阻传感器通常由磁场检测模块、数字指南针接口卡等组成。
随着微电子集成技术以及加工工艺、材料技术的不断发展。电子罗盘的研究制造与运用也达到了一个前所未有的水平。目前电子罗盘按照有无倾角补偿可以分为平面电子罗盘和三维电子罗盘，也可以按照传感器的不同分为磁阻效应传感器、霍尔效应传感器和磁通门传感器三类。
1.磁阻效应传感器
磁阻效应传感器是根据磁性材料的磁阻效应制成的。磁性材料（如坡莫合金）具有各向异性，对它进行磁化时，其磁化方向将取决于材料的易磁化轴、材料的形状和磁化磁场的方向。如图5-15所示，当给带状坡莫合金材料通电流I时，材料的电阻取决于电流的方向与磁化方向的夹角。如果给材料施加一个磁场B（被测磁场），就会使原来的磁化方向转动。如果磁化方向转向垂直于电流的方向，则材料的电阻将减小；如果磁化方向转向平行于电流的方向，则材料的电阻将增大。磁阻效应传感器一般由四个这样的电阻组成，并将它们接成电桥。在被测磁场B的作用下，电桥中位于相对位置的两个电阻阻值增大，另外两个电阻的阻值减小。在其线性范围内，电桥的输出电压与被测磁场成正比。磁阻传感器已经能制作在硅片上，并形成产品。其灵敏度和线性度已经能满足磁罗盘的要求，各方面的性能明显优于霍尔器件。迟滞误差和零点温度漂移还可采用对传感器进行交替正向磁化和反向磁化的方法加以消除。由于磁阻传感器的这些优越性能，使它在某些应用场合能够与磁通门竞争。
2.霍尔效应传感器
霍尔效应磁传感器的工作原理如图5-16所示。如果沿矩形金属薄片的长方向通电流I，由于载流子受洛伦兹力作用，在垂直于薄片平面的方向施加强磁场B，则在其横向会产生电压差U，其大小与电流I、磁场B和材料的霍尔系数R成正比，与金属薄片的厚度d成反比。100多年前发现的霍尔效应，由于一般材料的霍尔系数都很小而难以应用，直到半导体问世后才真正用于磁场测量。这是因为半导体中的载流子数量少，如果给它通的电流与金属材料相同，那么半导体中载流子的速度就更快，所受到的洛伦兹力就更大，因而霍尔效应的系数也就更大。
图5-15 磁阻效应
图5-16 霍尔效应磁传感器的工作原理
霍尔效应磁传感器的优点是体积小、质量轻、功耗小、价格便宜、接口电路简单，特别适用于强磁场的测量。但是，它又有灵敏度低、噪声大、温度性能差等缺点。
3.磁通门传感器
磁饱和法是基于磁调制原理，即利用被测磁场中铁磁材料磁芯在交变磁场的饱和励磁下，其磁感应强度与磁场强度的非线性关系来测量弱磁场的一种方法。应用磁饱和法测量磁场的磁强计称为磁饱和磁强计，也称磁通门磁强计或铁磁探针磁强计。磁饱和法大体划分为谐波选择法和谐波非选择法两大类。谐波选择法只是考虑探头感应电动势的偶次谐波（主要是二次谐波），而滤去其他谐波；谐波非选择法是不经滤波而直接测量探头感应电动势的全部频谱，利用差分对磁饱和探头能够构成磁饱和梯度计，可以测量非均匀磁场，同时利用梯度计能够克服地磁场的影响和抑制外界的干扰。这种磁强计早在20世纪30年代开始用于地磁测量以来，不断获得发展与改进，目前仍然是测量弱磁场的基本仪器之一。磁饱和磁强计分辨力较高，测量弱磁场的范围较宽，并且可靠、简易、价廉、耐用，能够直接测量磁场的分量和适于在高速运动系统中使用。因此，它广泛应用在各个领域中，如地磁研究、地质勘探、武器侦察、材料无损探伤、空间磁场测量等。近年来，磁饱和磁强计在宇航工程中得到了重要的应用，如用来控制人造卫星和火箭的姿态，还可以测绘“太阳风”以及带电粒子相互作用的空间磁场、月球磁场、行星磁场和行星际磁场的图形。虽然磁通门还存在处理电路相对较复杂、体积较大和功耗相对较大的问题，但随着微系统、微型磁通门和低功耗磁通门的研究，这些问题可以得到解决。从三者的比较来看，目前基于磁电阻传感器的电子罗盘具有体积小、响应速度快等优点，优势明显，是电子罗盘的发展方向。
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