地磁偏角测定
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地磁偏角测定
Determination of geomagnetic declination
Li Xing-xing,Jia Qi,Wang Zhao-bing,Zhang Yao-wen,Jiang Jia-jun
(China University of Geosciences(Beijing),School of Geophysics and Information Technology,Beijing,100083 ，China)
: This article introduces a way of Determination of geomagnetic declination based on magnetoresistive sensor. Such module of geomagnetic declination formed by two magnetoresistive sensor whose easy magnetization axis is vertical,small-signal amplifier,low-pass filter,analog-digital conversion equipment and Data transmission equipment of I2C and SPI. The determination's size is small, can be integrated easily. It's precision is very high. Principle is very simple. So it is widely used in the pen-based mobile devices.
近年来，随着现代信息技术的发展，人们对观察和研究的现
象有了更为直观化、数字化的需求。
传感器作为一种能够将物理量、化学量、生物量等转换成电信号的器件，再加上它具有可微型化、可集成化、数字化、可靠性高、精度高等特点得到了飞速的发
展，被认为是现代信息技术的三大支柱之一，是国内外公认的最具有发展前途的高技术产业。
磁阻传感器是一种基于磁阻效应的传感器，根据磁性材料在磁场中电阻率发生变化的原理制成的。
磁性材料具有各向异性 , 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。
对于铁、钴、镍等磁性金属，当外部磁场与磁体内部磁场平行时，电阻几乎不随磁场的变化而变化，当二者的磁场方向偏离时，电阻将会减小，这种现象被称为是磁阻效应。
由于磁阻传感器具有体积小、精度高、易集成等特点，它在弱磁场测量方面得到了广泛的应用。
1、工作原理通过两个易磁化方向相互垂直的磁阻传感器同时感应地磁场磁感应强度，测量出地磁场磁感应强度的水平磁分量和垂直磁分量，进而给出任意位置的准确方位角度，即磁偏角。
磁偏角( geomagnetic declination )：地球表面任一点的磁子午圈同
地理子午圈的夹角。
由于地磁场一直在不断地变化，甚至发生地磁倒转，因此地磁偏角不仅因地而异，而且因时而异。
玻莫合金
(Fe20Ni80)在弱磁场下电阻变化量比较大，因此在对弱磁场的测量中较多地应用这种材料。
在整个磁阻传感器中最重要的部分就是利用了一个惠斯通电桥，电桥工作在非平衡状态下，电桥的电阻随着外部磁场的不同而变化，因而使得电桥的输出电压发生变化，这样就将磁信号转换为了电信号。
惠斯通电桥是一种测量电阻的精密仪器，Vb 为传感器的工
作电压，电阻为利用半导体的磁阻效应制造的磁敏电阻，其电阻值随着磁场强度的变化而变化。
由=(R/R); =+KB可以通过对
输出电压的测量，计算出磁场的强度。
是外部磁场为零时的输出电压，K为传感器灵敏度，B为待测的磁感应强度。
这里用
Honeywell公司生产的各项异性磁阻传感器HMC1001/1002对磁
偏角的测量原理加以说明：当磁阻与地平面平行 , 通过测量地磁场在磁阻传感器 x,y 敏感轴方向的大小 Hx,Hy, 就可以判断地平面上运动物体相对于磁北极的方位角 c, 如式(8) 。
对于空间物体的定标,把HMC100与HMC1002目结合测三维的磁场，且与倾角传感器合成 , 就可实现三自由度跟踪。
具体如图( 2)所示， x,y,z 是磁阻的3个敏感轴方向，通过倾角传感器先测出绕 x轴的倾斜角b 与绕y轴的俯仰角a,由式(6)〜式(8)可以求出方位角c。
Hx=xcosb+(ysina-zcosa)sinb (6 )
Hy=zsina+ycosa (7) c=argtan(Hy/Hx) (8) 知道了 a,b,c, 也就得到了物体的空间姿态。
还可进一步将以上技术与GPS相结合,实现迅速定位［1］。
2、信号处理
地磁场的数值比较小，一般在T左右的量级，因此输出电压的变化很微弱，一般电压为毫伏级或微伏级，电流为毫安级或纳安级，不便于提取和应用，需要在输出端加上一个放大电路，使输出信号放大（一般都会采用两级低频放大），在电桥的输出信号中还掺杂着一些噪声信号，信号放大的同时，使得部分噪声信号也被放大，
所以还需再通过一个低通滤波器滤除高频噪声信号。
2.1信号的放大 [2] 磁阻传感器本身的输出电压信号很微弱且为模拟电压信号，不能满足 A/D 转换的输入要求，须对其进行放大处理。
一般运放的单级放大系数是有限的，不能够满足实际需求，因此在实际运用中放大电路一般由多级组成的。
放大倍数为各级放大器放大倍数之积。
通常情况下可以分为电压放大和功率放大两类。
多级放大电路的连接，产生了单元电路间的级联问题，即耦合问题。
在多级放大器中，通常采用的耦合方式有三种，即变压器耦合、阻容耦合和直接耦合。
放大电路的级间耦合必须要保证信号的传输，且保证各级的静态工作点正确。
直接耦合省去了第二级放大器基极电路的电阻，电路最为简单且具有很好的低频特性，在实际电路中运用较为广泛。
但是由于其前后两级之间有直流通路连通，静态工作点相互影响，会产生零点漂移现象，给有效信号电压的分辨带来难度，严重时，有效信号电压将完全被漂移电压淹没，电路不能正常工作。
差分放大电路利用两个特性相同的放大器，使二者的温漂相互抵消，有效地稳定了静态工作点，从而达到对零点漂移的抑制作用，是实际应用中多级直接耦合电路的基本单元。
具体电路结构如图（ 3）所示。
在电路对称的条件下，差放具有很强的抑制零点漂移及抑制噪声与干扰的能力。
2.2信号的去噪
在信号的传输过程中，由于装置内部和外部的因素影响，信
号不可避免地受到各种噪声的干扰，使得输出信号产生不同程度的变形。
但是在实际应用中，我们希望信号的失真度尽可能地小，即提高输出信号信噪比。
最常用的方法就是让信号经过一个滤波器，滤除噪声频率部分。
磁阻传感器的输出电压信号频率一般在 1KHZ左右，因此可以让信号通过一个低通滤波器，其截止频率也在1KHZ左右。
低通滤波器的种类繁多，在选择上需要根据实际要求而定，一般用 LM324四阶低通滤波器就行。
2.3A/D 转换 [3] 由磁阻传感器输出的电压信号为模拟信号，需要经过一个模数转换器将其转换为数字信号，然后再利用电压与磁偏角之间的转换关系，求出相应的磁偏角角度。
前面对信号的放大和滤波，都是在为信号能够达到 A/D 转换器的驱动电压做准备。
A/D 转换一般要经过采样、保持、量化及编码 4 个过程。
在实际电路中，有些过程是合并进行的，如采样和保持，量化和编码在转换过程中是同时实现的，常见 A/D 转换电路有双积分式和逐次逼近式。
下面以逐次逼近式 A/D 转换器为例说明其工作原理，图（ 4）为 8 位逐次逼近式 A/D 转换器原理图。
VIN为输入信号，VN为设定的对比电压，随着N位寄存器的数值变化而变化。
D0- D7为转换后的数字信号输出端，先将 N 位寄存器的最高位置1,然后比较VIN与VN的大小，若VIN大则最高位保持为1,若VIN小则将最高位置零，再将 N位寄存器的下一位置1,将VIN与VN进行比较，输出相应位的值，直到所有位都转换完，从
D0- D7端输出。
3、数据传输
经过模数转换的数据可以通过I2C和SPI两种接口方式与单片
机进行数据通信。
SPI 一般是一个三线同步半双工总线传输（同步时钟、输入输出端、控制端）,有时候也可以是四线全双工传输（同步时钟、输入端、输出端、控制端）。
SPI 要想连接多个从设备, 就需要给每个从设备配备一根片选信号。
如果要可以实现全双工,也是需要多加一根数据线。
与 SPI 相比较, I2C 需要的接口线少，它以1根串行数据线（SDA和1根串行时钟线（SCL 实现了双工的同步
数据传输。
具有控制方式简化, 器件封装形式小,通信速率较高等优点。
在主从通信中,可以有多个 I2C 总线器件同时接到 I2C 总线上, 通过地址来识别通信对象, 在从机设备比较多的情况下应用比较广泛。
4、结语本文对基于磁阻传感器的磁偏角测定提供了一种实现
方法。
此类磁偏角的测定方法具有原理简单、应用方便、便于与其他设备结合、体积小、易集成化等特点而在电子罗盘、磁力计、车辆检测方面都得到广泛地应用,具有很好的应用前景。
