数字罗盘

数字罗盘,也叫电子罗盘,是利用地磁场来定北极的一种方法。古代称为罗经.它是利用地球自生的磁场来确定南北方向的.我国古代的罗盘分为水罗盘、旱罗盘两大类。水罗盘是把磁针放在一个中间凹陷处盛水、边上标有方向的盘子里，磁针浮在水上能够自由地旋转，静止时两端分别指向南北。这种指南仪器比司南更加灵敏，这就是最早的罗盘。后来随着测方位的需要，又出现了磁针和方位盘结合于一体的旱罗盘。自从公元前三世纪水罗盘问世以来，罗盘很快便应用于航海。到了明代，罗盘的各项技术指标已经相当完整，据史料记载，当年出使西洋的郑和船队上就配备着这种罗盘。

罗盘的数字化是趋势,从电子工程的角度上讲,也就是把先前罗盘给出的模拟信号,数字化以后在输出,那用户得到的方位信息便是数字化的,这对于用户来说数字罗盘是极大是方便.

那么,如何得到这个上述所说的模拟信号呢,现代传感器技术给了工程师们极大的方便,较为流行的有磁阻传感器,也有比较先进的磁通门技术.而且以往的罗盘要求使用时一定要保持罗盘的水平,这在操作上是一个不变,工程师们给现代数字罗盘上加入倾斜传感器,通过软件进行罗盘的倾斜补偿,这样用户在使用时就不必刻意的保持罗盘的水平了.

典型的数字罗盘往往有以下特点:

1. 三轴磁阻效应传感器测量平面地磁场，双轴倾角补偿。

2． 高速高精度A/D转换.

3． 内置温度补偿，最大限度减少倾斜角和指向角的温度漂移。

4． 内置微处理器计算传感器与磁北夹角，输出RS232格式数据帧。可选RS485和RS422输出。

5． 具有简单有效的用户标校指令。

6． 具有指向零点修正功能。

7． 外壳结构防水，无磁。

数字罗盘的原理是测量地球磁场,如果在使用的环境中有除了有地球以外的磁场且这些磁场无法有效的屏蔽时,那么电子罗盘的使用就有很大的问题,这时只能考虑使用陀螺来测定航向了.

二、数字罗盘的分类

随着微电子集成技术以及加工工艺、材料技术的不断发展。数字罗盘的研究制造与运用也达到了一个前所未有的水平。目前数字罗盘按照有无倾角补偿可以分为平面数字罗盘和三维数字罗盘,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。

2.1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。如下图2-1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有四个这样的电阻组成，并将它们接成电桥。在被测磁场B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。

图2-1 磁阻效应

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，各方面的性能明显由于霍尔器件。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。

磁阻传感器的主要问题是其翻转效应,这是其原理所固有的。如前所述，在使用前对磁性材料进行了磁化，此后如果遇到了较强的相反方向的磁场(大于20高斯)就会对材料的磁化产生影响，从而影响传感器的性能。在极端情况下，会使磁化方向翻转180。这种危险虽然可以利用周期性磁化的方法加以消除，但仍存在问题。对材料进行磁化的磁场必须很强，如果采用外加线圈来产生周期性磁化磁场，就失去了小型化的意义，Honeywell公司的一项专利，解决了这个问题。他们在硅片上制作了一个电流带来产生磁化磁场，该电流带的阻值只有5欧姆左右。虽然磁化电流只持续1-2毫秒，但电流强度却高达1到1.5安培。但这种方案对驱动电路要求高，而且如果集成入微系统，这样强的脉冲电流将威胁系统中的微处理器等其它电路的可靠性。

2.2霍尔效应传感器

霍尔效应磁传感器的工作原理如图2-2所示。如果沿矩形金属薄片的长方向通电流I，由于载流子受洛仑兹力作用，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，所受到的洛仑兹力就更大，因而霍尔效应的系数也就更大。

霍尔效应磁传感器的优点是体积小，重量轻，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。虽然有些高灵敏度或采取了聚磁措施霍尔器件也能用于测量地磁场，但一般都是用于要求不高的场合。

2.3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。这种磁强计早在本世纪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，例如用来控制人造卫星和火箭的姿态，还可以测绘来自太阳的“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。