古代稱為羅經(jīng).它是利用地球自生的磁場來確定南北方向的.我國古代的羅盤分為水羅盤、旱羅盤兩大類。水羅盤是把磁針放在一個(gè)中間凹陷處盛水、邊上標(biāo)有方向的盤子里,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。后來隨著測方位的需要,又出現(xiàn)了磁針和方位盤結(jié)合于一體的旱羅盤。自從公元前三世紀(jì)水羅盤問世以來,羅盤很快便應(yīng)用于航海。到了明代,羅盤的各項(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。

羅盤的數(shù)字化是趨勢,從電子工程的角度上講,也就是把先前羅盤給出的模擬信號,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,這對于用戶來說數(shù)字羅盤是極大是方便.

那么,如何得到這個(gè)上述所說的模擬信號呢,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)的磁通門技術(shù).而且以往的羅盤要求使用時(shí)一定要保持羅盤的水平,這在操作上是一個(gè)不變,工程師們給現(xiàn)代數(shù)字羅盤上加入傾斜傳感器,通過軟件進(jìn)行羅盤的傾斜補(bǔ)償,這樣用戶在使用時(shí)就不必刻意的保持羅盤的水平了.

典型的數(shù)字羅盤往往有以下特點(diǎn):

1、三軸磁阻效應(yīng)傳感器測量平面地磁場,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,無磁。

數(shù)字羅盤的原理是測量地球磁場,如果在使用的環(huán)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(shí),那么電子羅盤的使用就有很大的問題,這時(shí)只能考慮使用陀螺來測定航向了。

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)字羅盤按照有無傾角補(bǔ)償可以分為平面數(shù)字羅盤和三維數(shù)字羅盤,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B(被測磁場),就會使原來的磁化方向轉(zhuǎn)動。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。在被測磁場B作用下,電橋中位于相對位置的兩個(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磁場成正比。

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)用場合能夠與磁通門競爭。

磁阻傳感器的主要問題是其翻轉(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(大于20高斯)就會對材料的磁化產(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,但仍存在問題。對材料進(jìn)行磁化的磁場必須很強(qiáng),如果采用外加線圈來產(chǎn)生周期性磁化磁場,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)問題。他們在硅片上制作了一個(gè)電流帶來產(chǎn)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(xù)1-2毫秒,但電流強(qiáng)度卻高達(dá)1到1.5安培。但這種方案對驅(qū)動電路要求高,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B,則在其橫向會產(chǎn)生電壓差U,其大小與電流I、磁場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)體問世后才真正用于磁場測量。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,接口電路簡單,特別適用于強(qiáng)磁場的測量。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量地磁場,但一般都是用于要求不高的場合。

3、磁通門傳感器

磁飽和法是基于磁調(diào)制原理,即利用被測磁場中鐵磁材料磁芯在交變磁場的飽和勵(lì)磁下其磁感應(yīng)強(qiáng)度與磁場強(qiáng)度的非線性關(guān)系來測量弱磁場的一種方法。應(yīng)用磁飽和法測量磁場的磁強(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(jīng)濾波而直接測量探頭感應(yīng)電動勢的全部頻譜,利用差分對磁飽和探頭能夠構(gòu)成磁飽和梯度計(jì),可以測量非均勻磁場,同時(shí)利用梯度計(jì)能夠克服地磁場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年代開始用于地磁測量以來,不斷獲得發(fā)展與改進(jìn),目前仍然是測量弱磁場的基本儀器之一。磁飽和磁強(qiáng)計(jì)分辨力較高測量弱磁場的范圍較寬,并且可靠、簡易、價(jià)廉、耐用,能夠直接測量磁場的分量和適于在高速運(yùn)動系統(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、材料無損探傷、空間磁場測量等。近年來,磁飽和磁強(qiáng)計(jì)在宇航工程中得到了重要的應(yīng)用,例如用來控制人造衛(wèi)星和火箭的姿態(tài),還可以測繪來自太陽的"太陽風(fēng)"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復(fù)雜、體積較大和功耗相對較大的問題,但隨著微系統(tǒng)、微型磁通門和低功耗磁通門的研究,這些問題可以得到解決。

從三者的比較來看,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)勢明顯,是電子羅盤的發(fā)展方向。