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磁阻传感器实验报告磁阻传感器实验报告引言磁阻传感器是一种常见的传感器，它能够通过测量磁场的变化来检测物体的位置、速度和方向等信息。
在本次实验中，我们将对磁阻传感器进行测试，并探讨其工作原理、应用领域以及优缺点等方面的内容。
实验目的本次实验的主要目的是通过实际操作，了解磁阻传感器的基本原理和特性，并掌握其在实际应用中的使用方法。
实验材料和仪器本次实验所需的材料和仪器包括：磁阻传感器、磁铁、电源、示波器、导线等。
实验步骤1. 将磁阻传感器连接到电源，并将示波器的探头连接到传感器的输出端口。
2. 将磁铁靠近传感器，并观察示波器上的波形变化。
3. 调整磁铁与传感器之间的距离，观察示波器上波形的变化情况。
4. 将磁铁移动到传感器的不同位置，观察示波器上波形的变化。
实验结果与分析通过实验观察，我们可以发现当磁铁靠近传感器时，示波器上的波形会发生明显的变化。
这是因为磁铁的磁场会影响传感器内部的磁阻元件，导致输出信号的变化。
当磁铁与传感器的距离增加时，波形的振幅会逐渐减小，直至消失。
这是因为磁铁的磁场强度随距离的增加而减弱，无法对传感器产生足够的影响。
根据实验结果，我们可以得出结论：磁阻传感器的输出信号与磁场的强度和方向有关，距离磁场源越近，输出信号的幅度越大。
这一特性使得磁阻传感器在许多应用领域中得到了广泛的应用。
应用领域磁阻传感器由于其灵敏度高、精度高、成本低等优点，被广泛应用于许多领域，如汽车、航空航天、机器人、医疗设备等。
在汽车领域，磁阻传感器可以用于测量转向角、车速、加速度等参数，以实现车辆的自动控制和安全性能的提升。
在航空航天领域，磁阻传感器可以用于导航、姿态控制等方面，为飞行器的精确控制提供支持。
在机器人领域，磁阻传感器可以用于测量机器人的位置和姿态，实现精确的运动控制。
在医疗设备领域，磁阻传感器可以用于监测患者的心率、血压等生理参数，为医疗诊断和治疗提供数据支持。
优缺点分析磁阻传感器作为一种常见的传感器，具有以下优点：首先，磁阻传感器的灵敏度高，能够对微小的磁场变化做出反应；其次，磁阻传感器的响应速度快，可以实时监测磁场的变化；此外，磁阻传感器的成本相对较低，易于大规模生产和应用。
磁力传感器在车辆导航中的应用研究随着车辆产业的发展，车辆导航系统已经成为现代汽车上不可或缺的一项功能。
而在车辆导航中，磁力传感器也是一个关键的技术。
磁力传感器是一种常见的传感器，在车辆导航中发挥着重要的作用。
本文将从磁力传感器的基本原理、车辆导航中的应用以及未来的发展趋势等方面进行探讨。
一、磁力传感器的基本原理磁力传感器是一种通过测量磁场强度来确定物体方位和位置的传感器。
它通过感受到周围的磁场，转换为电信号输出。
磁力传感器主要有三种类型：磁电式磁力传感器、磁电阻式磁力传感器和霍尔磁力传感器。
其中，霍尔磁力传感器具有简单、高精度、高稳定性、低功耗等特点，被广泛应用于车辆导航领域。
二、磁力传感器在车辆导航中的应用在车辆导航中，磁力传感器主要用于车辆方向角的测量和校准。
由于车辆在行驶中会受到各种因素的干扰，例如车辆载荷、车型差异、弯道半径、转向半径等，这些因素会导致车辆导航系统的误差增大。
而磁力传感器可以通过感受车辆周围的磁场，来确定车辆当前所处的位置和方向，并对车辆导航系统进行校准，从而提高车辆导航的精度和稳定性。
三、未来的发展趋势随着车辆导航技术的不断发展，磁力传感器也在不断地进行改进和优化。
未来的磁力传感器将更加智能化、精确化和可靠化。
例如，磁力传感器将更加适用于自动驾驶车辆，可以实时地监测车辆周围的磁场变化，从而更加精确地掌握车辆的位置和方向。
此外，磁力传感器还可以与其他传感器进行融合，例如惯性导航系统和GPS系统，从而进一步提高车辆导航的精度和稳定性。
结语：总的来说，磁力传感器在车辆导航中的应用，无疑是一项非常重要的技术。
它可以通过感受车辆周围的磁场变化，从而进行车辆的位置和方向掌握，对其他传感器进行校准，从而提高车辆导航的精度和稳定性。
随着车辆导航技术的不断进步，磁力传感器也将不断改进和优化，为自动驾驶车辆的发展提供更强大的支持。
电磁感应技术在交通工具定位与导航中的应用近年来，随着科技的不断发展，电磁感应技术在交通工具定位与导航领域得到了广泛的应用。
这项技术通过利用电磁波与物体之间的相互作用，实现对交通工具的精确定位和导航功能。
本文将探讨电磁感应技术在交通工具定位与导航中的应用，并分析其优势和挑战。
首先，电磁感应技术在交通工具定位方面发挥了重要作用。
利用电磁感应技术，可以通过接收交通工具发出的电磁信号，确定其位置和运动状态。
例如，交通工具上安装的GPS系统就是利用电磁感应技术来实现定位功能的。
通过接收卫星发出的电磁信号，GPS系统可以精确地确定交通工具的位置，并提供导航指引。
这对于驾驶员来说，可以提供准确的导航信息，帮助其选择最佳的行驶路线，减少行车时间和油耗。
其次，电磁感应技术在交通工具导航方面也发挥了重要作用。
利用电磁感应技术，可以实现对交通工具的自动导航功能。
例如，自动驾驶技术就是利用电磁感应技术来实现交通工具的自动导航的。
通过激光雷达和摄像头等传感器，交通工具可以感知周围环境，并根据感知到的信息做出相应的决策和行动。
这对于驾驶员来说，可以减轻驾驶负担，提高行驶安全性。
然而，电磁感应技术在交通工具定位与导航中也面临着一些挑战。
首先，电磁感应技术受到环境干扰的影响较大。
例如，建筑物、山脉等物体会阻挡电磁波的传播，从而影响定位和导航的准确性。
其次，电磁感应技术在处理大量数据时可能会出现延迟和误差。
例如，在高速行驶时，交通工具需要实时获取周围环境的信息，以做出相应的决策和行动。
如果电磁感应技术的处理速度和准确性不够高，就会影响交通工具的安全性和稳定性。
为了克服这些挑战，科研人员不断努力改进电磁感应技术。
一方面，他们致力于提高电磁感应技术的准确性和稳定性。
例如，通过研究电磁波的传播规律和物体对电磁波的反射特性，可以提高定位和导航的准确性。
另一方面，他们致力于提高电磁感应技术的处理速度和效率。
例如，通过优化算法和硬件设备，可以加快数据处理的速度，减少延迟和误差。
一文深度了解磁传感器的应用场景(值得典藏)磁传感器是一种广泛应用于各种领域的传感器技术。
它利用磁性材料的特性来测量和检测磁场的变化。
随着技术的不断进步和应用领域的扩大，磁传感器在许多行业中发挥着重要的作用。
本文将深入探讨磁传感器的应用场景，并介绍其在不同领域中的具体应用。
一、汽车行业磁传感器在汽车行业中具有广泛的应用。
例如，在车辆的行驶过程中，磁传感器可以检测车辆的速度和方向，从而实现车辆的导航和定位。
此外，磁传感器还可以用于测量和监测车辆引擎的转速和位置，以便实现发动机的控制和调节。
磁传感器还可以在车辆的制动系统中使用，用于检测车轮的转动状态，从而实现刹车的控制和调节。
二、医疗设备在医疗设备领域，磁传感器也发挥着重要的作用。
例如，在磁共振成像（MRI）设备中，磁传感器用于检测和测量人体内部的磁场变化，从而实现对人体内部器官和组织的成像。
此外，磁传感器还可以用于监测和控制人工智能设备中的磁场，以实现对人工智能设备的操作和控制。
三、工业自动化磁传感器在工业自动化领域中具有广泛的应用。
例如，在工业机械的位置检测和测量中，磁传感器可以用于检测和测量机械部件的位置和运动状态，从而实现对机械的控制和调节。
此外，磁传感器还可以用于监测和控制工业自动化系统中的磁场，以实现对工业自动化系统的操作和控制。
四、电子产品在电子产品领域，磁传感器也扮演着重要的角色。
例如，在智能手机和平板电脑中，磁传感器可以用于实现屏幕旋转和方向感知功能。
此外，磁传感器还可以用于检测和测量电子产品中的磁场，从而实现对电子产品功能的控制和调节。
总结起来，磁传感器具有广泛的应用场景。
它在汽车行业、医疗设备、工业自动化以及电子产品等领域都发挥着重要的作用。
随着技术的不断发展和应用领域的扩大，磁传感器的应用前景将更加广阔。
相信未来，磁传感器在更多领域中将发挥出更强大的作用，为人们的生活和工作带来更多的便利与创新。
以上便是关于磁传感器应用场景的一文深度了解，相信读者在阅读本文后能对磁传感器的广泛应用有更加全面深入的了解。
用于组合导航系统的三轴地磁导航传感器设计【摘要】本文介绍了一种用于组合导航系统的三轴地磁导航传感器设计。
在引言部分中，详细介绍了研究背景、研究意义和研究目的。
接着，在正文部分分别探讨了地磁传感器原理、传感器硬件设计、传感器软件设计、导航系统集成设计和系统性能测试。
在分析了设计的优势、未来研究展望并对整篇文章进行了总结。
通过本文的研究，可以为组合导航系统提供一种有效的三轴地磁导航传感器设计方案，为导航领域的发展做出贡献。
【关键词】地磁导航传感器、三轴传感器、导航系统、硬件设计、软件设计、集成设计、性能测试、设计优势、未来展望、研究总结1. 引言1.1 研究背景研究背景：地磁导航传感器是现代导航系统中的重要组成部分，其在室内导航、无人车导航、航空器导航等领域具有广泛的应用前景。
传统的导航系统主要依赖于GPS等卫星导航技术，但在室内环境或者信号受阻的地方，GPS信号可能无法准确获取，这时地磁传感器就能够派上用场。
地磁传感器能够通过测量地球磁场的变化来确定设备相对于地球的方向，从而实现导航的功能。
随着社会的发展和科技的进步，对于导航系统的要求也越来越高，需要更加精准、可靠的导航技术来满足不同场景下的需求。
对地磁导航传感器的研究和设计显得尤为重要。
通过深入研究地磁传感器的原理、硬件设计、软件设计以及系统集成设计，可以不断优化和提升地磁导航传感器的性能，从而更好地满足实际应用中的导航需求。
本文旨在通过对地磁导航传感器的设计和研究，探讨其在组合导航系统中的应用，为提升导航系统的性能提供一定的参考和借鉴。
1.2 研究意义地磁导航传感器在组合导航系统中扮演着至关重要的角色。
其通过感知地球磁场的变化，可以为导航系统提供准确的方向信息，从而帮助用户准确地确定位置并进行导航。
在现代社会中，人们对导航系统的需求越来越高，无论是在汽车、航空、航海等领域，都需要依靠导航系统实现精准导航。
地磁导航传感器的研究具有重要意义。
地磁导航传感器可以提高导航系统的精度和稳定性。
用于组合导航系统的三轴地磁导航传感器设计随着人们对导航系统准确性和稳定性的需求日益增强，地磁导航传感器在组合导航系统中的重要性也日益凸显。
本文将介绍一种用于组合导航系统的三轴地磁导航传感器的设计，包括设计思路、硬件实现和算法实现等。
设计思路设计的三轴地磁导航传感器旨在测量地球的磁场，从而提供导航系统所需的定位信息。
在选择传感器的硬件设计方案时，要充分考虑其准确性、稳定性和抗干扰能力等因素。
因此，本文采用了以下设计思路：1. 三轴磁电阻传感器传感器的核心是三轴磁电阻传感器，它可以测量地球磁场向量的三个分量。
这种传感器具有高灵敏度、低功耗和小体积等优点，非常适合集成在导航系统中。
2. 配套电路设计为了保证传感器输出的信号质量，需要设计一个合适的电路来处理传感器输出的信号。
该电路包括一个低噪声运放、一个带宽限制滤波器和一个AD转换器。
运放能够增强传感器信号并减小干扰，滤波器能够滤掉高频干扰信号，AD转换器能够将模拟信号转换为数字信号。
3. 算法实现传感器输出的数据需要进行处理才能得到具有导航意义的地磁数据。
因此需要实现一种算法来处理传感器采样数据。
本文采用了卡尔曼滤波算法对传感器输出的地磁数据进行处理，提高了数据的准确性和稳定性。
硬件实现传感器硬件的实现包括三个部分：三轴磁电阻传感器、配套电路和微处理器。
这三个部分分别代表了传感器的感知、处理和控制能力。
三轴磁电阻传感器采用了Honeywell公司的HMC5883L，它能够检测地球磁场的强度和方向。
该传感器的输出分别为三个轴向上的磁场强度，通过计算可以得到地球磁场的方向角。
配套电路包括了一个低噪声运放、一个带宽限制滤波器和一个AD转换器。
运放采用了低噪声、高增益的OPA333，滤波器采用了带通滤波器，带宽为0-8Hz。
3. 微处理器微处理器采用了Atmel公司的ATmega328P，它是一款功能强大的8位微控制器，集成了ADC、TIMER、UART等模块。
磁场传感器原理及应用磁场传感器是一种能够感知周围磁场变化的设备，它通过测量磁场的强度和方向来获取有关周围环境的信息。
磁场传感器广泛应用于工业控制、导航系统、运动控制、安全系统等领域。
磁场传感器的原理是基于一种叫做磁阻效应的物理现象，它可以用来测量磁场的强度和方向。
磁阻效应是指在磁场中，材料的电阻会发生变化。
根据这一效应，设计师可以将磁阻器件与其他电路组合，构成磁场传感器。
磁场传感器有多种工作原理，其中包括霍尔效应、磁阻效应、磁电效应、法拉第效应等。
其中霍尔效应是使用最为广泛的原理之一。
霍尔效应是指当电流通过一条导线时，如果有磁场垂直于导线方向，那么就会在导线两侧产生电势差。
这种电势差可以用来测量磁场的强度和方向。
磁场传感器常见的类型有霍尔传感器、磁阻传感器和磁电传感器等。
霍尔传感器是最常见的一种磁场传感器，它具有高灵敏度、快速响应和低功耗的特点，广泛应用于汽车、电机控制和磁带驱动等领域。
磁阻传感器则主要用于测量磁场的方向和强度，常见于罗盘和导航系统中。
磁电传感器则是一种能够通过磁场作用产生电压或电流的传感器，广泛应用于电磁设备的测量和控制中。
磁场传感器的应用范围非常广泛。
在工业控制方面，磁场传感器可以用来检测电动机的位置和速度，实现精准控制。
在导航系统中，磁场传感器可以用来测量地理位置，实现车辆导航和航空导航。
在安全系统中，磁场传感器可以用来检测和报警，应用于入侵报警和车辆防盗系统。
此外，磁场传感器还可以应用于医疗设备、电子游戏、机器人和智能家居等领域。
总的来说，磁场传感器是一种通过测量磁场的强度和方向来获取周围环境信息的设备。
它的工作原理可以是霍尔效应、磁阻效应、磁电效应等多种物理原理。
磁场传感器的应用非常广泛，涵盖了工业控制、导航系统、安全系统等许多领域。
随着技术的不断发展，磁场传感器的性能将进一步提升，应用领域也将不断扩大。
磁感应在导航和定位中的应用磁感应是一种物理现象，它在导航和定位领域有着广泛的应用。
本文将探讨磁感应的原理、导航技术和定位系统，并重点介绍了磁感应在导航和定位领域的应用。
一、磁感应的原理磁感应是指当磁场的强度或方向发生变化时，产生的感应电动势。
根据法拉第电磁感应定律，当导体被磁场穿过时，会在导体中产生电流。
这种电流产生的原理就是磁感应。
二、导航技术1. 磁罗盘磁罗盘是一种基于磁感应原理的导航工具。
它利用地球磁场的方向作为参考，通过指针指示方向。
磁罗盘广泛应用于航海、航空、探险等领域，为船舶、飞机和探险者提供方向参考。
2. 磁导航磁导航利用地球磁场的性质，通过测量和分析磁场的变化，确定自身的位置和方向。
磁导航在无人驾驶、航空航天、海洋探测等领域有着重要的应用。
例如，在无人驾驶汽车中，通过感应周围环境的磁场变化，车辆可以实时获得自身的位置和方向信息，从而实现自动驾驶。
三、定位系统1. 磁导航与GPS结合磁导航与GPS（全球定位系统）可以结合使用，提高定位的准确性和可靠性。
GPS在室内或复杂环境中的定位精度受限制，而磁导航可以弥补这一不足。
通过结合两种技术，可以在任何环境下实现高精度的定位。
2. 磁场定位系统磁场定位系统是一种基于磁感应的定位技术。
它通过感应环境中的磁场分布，确定自身的位置和方向。
磁场定位系统可以在室内和室外环境中应用，适用于室内导航、仓库管理、室外定位等场景。
四、磁感应在导航和定位中的应用案例1. 航空导航仪航空导航仪是一种基于磁导航的设备。
它利用地球磁场和飞机自身的磁感应，实时提供飞机的位置、速度和航向信息。
航空导航仪在民航和军事航空中广泛应用，是飞行员进行导航和定位的重要工具。
2. 磁导航机器人磁导航机器人是一种能够通过感应环境的磁场变化确定自身位置的机器人。
它可以在室内或复杂环境中实现高精度的自主导航。
磁导航机器人在智能家居、物流仓储和医疗机器人等领域有着广泛的应用前景。
3. 磁感应地图磁感应地图是一种利用磁场分布信息进行定位的地图。
地磁导航关键技术研究引言随着科技的不断发展，导航技术在各个领域的应用越来越广泛。
地磁导航技术作为一种利用地磁场进行定位和导航的技术，在军事、民用等领域都具有重要的意义和应用价值。
本文将介绍地磁导航关键技术的应用和发展，以期为相关领域的研究提供参考。
地磁导航原理地磁导航是利用地球磁场的地磁要素进行位置计算的一种导航方法。
地球磁场由南极和北极向外扩散，形成了一个类似于磁铁的磁场。
地磁导航系统通过感应地球磁场的变化，结合传感器的定位信息，可以计算出自身的位置。
地磁导航关键技术1、传感器技术地磁导航的核心是地磁传感器，它负责感应地球磁场的变化。
目前，地磁传感器技术已经比较成熟，主要有以下几种类型：（1）固态磁芯传感器：这种传感器采用磁性材料作为核心，感应地球磁场的变化，具有体积小、灵敏度高、可靠性好等优点。
（2）电磁感应传感器：这种传感器利用电磁感应原理感应地球磁场的变化，具有测量范围大、精度高等优点。
（3）地磁芯片传感器：这种传感器将地磁测量与惯性测量相结合，具有精度高、体积小、成本低等优点。
2、信号处理技术地磁信号处理技术是地磁导航中的重要环节，主要对传感器输出的信号进行处理和分析，提取出有用的位置信息。
信号处理技术包括滤波、放大、数字化等环节，对于提高导航精度和稳定性具有重要作用。
3、算法技术地磁导航算法是实现位置计算的核心技术，它通过对地球磁场模型的分析和处理，结合传感器的测量数据，计算出位置信息。
常见的算法包括最小二乘法、卡尔曼滤波器等。
地磁导航应用场景1、海洋导航在海洋导航领域，地磁导航技术可用于船舶、潜艇等水下设备的导航。
由于海洋环境复杂多变，传统的卫星导航系统无法提供稳定的导航服务，而地磁导航则可以充分发挥其优势，提高水下设备的导航精度和稳定性。
2、陆地导航在陆地导航领域，地磁导航技术可用于车辆、无人机等移动设备的导航。
例如，在沙漠、丛林等复杂地形环境中，地磁导航可以有效地解决卫星导航信号遮挡和干扰问题，提高移动设备的导航性能。
如何利用磁性材料进行航天航空导航在航天航空领域，导航的准确性和可靠性至关重要。
磁性材料因其独特的物理特性，为航天航空导航提供了重要的技术支持。
首先，我们来了解一下磁性材料的基本特性。
磁性材料能够对磁场产生响应，具有不同的磁导率和磁化强度。
常见的磁性材料包括铁、钴、镍及其合金等。
这些材料在磁场中会表现出不同的磁化行为，从而可以被用于制造各种磁性传感器和器件。
在航天航空导航中，磁性传感器起着关键作用。
其中，磁通门磁力计是一种常用的磁性传感器。
它通过测量磁场的变化来确定方向和位置信息。
磁通门磁力计具有较高的精度和稳定性，能够在复杂的空间环境中准确测量磁场强度和方向。
另一种重要的磁性传感器是磁阻传感器。
磁阻传感器利用材料在磁场作用下电阻的变化来检测磁场。
它具有体积小、功耗低、响应速度快等优点，适用于对导航系统的小型化和轻量化有严格要求的航天航空应用。
为了更好地利用磁性材料进行导航，需要对磁场进行精确的测量和建模。
地球磁场是一个复杂的空间磁场，其强度和方向在不同的地理位置和高度都有所变化。
因此，需要建立精确的地球磁场模型，以便对磁性传感器的测量数据进行校正和补偿。
在实际应用中，磁性导航系统通常与其他导航系统相结合，以提高导航的精度和可靠性。
例如，与惯性导航系统相结合。
惯性导航系统能够提供短时间内高精度的导航信息，但随着时间的推移会产生累积误差。
而磁性导航系统可以对惯性导航系统的误差进行校正，从而提高整个导航系统的性能。
此外，磁性材料在卫星导航中也有重要应用。
卫星在太空中运行时，会受到地球磁场和太阳风等因素的影响。
通过对卫星上磁性材料的监测和分析，可以了解卫星的姿态和轨道变化，从而进行相应的调整和控制。
然而，利用磁性材料进行航天航空导航也面临一些挑战。
例如，空间环境中的磁场干扰较为复杂，包括来自太阳活动、地球磁场变化以及其他天体的磁场影响等。
这就需要对磁性传感器进行良好的抗干扰设计，以及采用先进的信号处理算法来提高测量的准确性。
基于磁阻传感器的电动车自动导航系统设计与研发电动车自动导航系统是近年来快速发展的一项技术，利用先进的感知和导航技术，实现电动车的自动导航。
其中，基于磁阻传感器的自动导航系统是一种常见而有效的设计方案。
本文将详细介绍基于磁阻传感器的电动车自动导航系统的设计与研发。
首先，我们将介绍磁阻传感器的原理和工作方式。
磁阻传感器是一种通过测量物体表面与传感器之间的磁性差异来检测物体的位置和运动的传感器。
它通过感应靠近传感器的磁场的变化来测量磁阻的变化，并将其转换为电压信号输出。
磁阻传感器具有精度高、响应迅速等优点，适用于测量电动车的位置和姿态。
基于磁阻传感器的电动车自动导航系统主要包括三个部分：感知模块、决策模块和执行模块。
感知模块通过磁阻传感器获取电动车当前的位置、姿态信息和周围环境的磁场分布情况。
决策模块根据感知模块提供的信息，进行路径规划、障碍物避让等决策。
执行模块根据决策模块提供的指令，控制电动车的转向、速度等参数，实现自动导航。
在感知模块中，磁阻传感器被安装在电动车底盘的特定位置，用于感应周围磁场的变化。
通过测量磁场的强弱和方向，可以获取电动车在空间中的位置和姿态信息。
此外，为了提高感知精度，可以使用多个磁阻传感器进行信息融合，减小误差。
感知模块还可以通过激光雷达、摄像头等传感器获取周围环境的信息，如道路、障碍物等。
所有这些感知信息将被传输到决策模块进行进一步处理。
决策模块是整个自动导航系统的核心部分，负责根据感知模块提供的信息进行路径规划和决策。
路径规划算法可以根据电动车的当前位置、目标位置和周围环境信息，确定一条最优路径。
决策模块还需考虑实时的交通信息、道路限制等因素，在路径规划的基础上进行决策，如加减速、转向等。
为了提高决策的准确性和实时性，可以使用机器学习算法进行模型训练和优化。
决策模块还可以将处理结果反馈给执行模块，实现对电动车的精确控制。
在执行模块中，根据决策模块的指令，控制电动车的转向、速度等参数，实现自动导航。
华中科技大学硕士学位论文用于地磁测量的各向异性磁阻传感器研究姓名：王帅英申请学位级别：硕士专业：微电子学与固体电子学指导教师：杨晓非20080530华中科技大学硕士学位论文摘要地球磁场作为地球的基本资源之一，与人类生活、生产息息相关，它在地球科学、航空航天、资源探测、交通通讯、国防建设、地震预报等方面都有着重要的应用。
鉴于地磁场的重要应用价值，人们对地磁场的测量提出了更高的要求和希望。
选择或者设计一种符合地磁测量要求的弱磁传感器是问题的关键。
由于各向异性磁阻传感器具有高灵敏度、高可靠性、良好线性性、低功耗、易于微型化等优点，因而改进或者优化各向异性磁阻传感器的性能使其满足地磁测量的要求具有一定的现实意义。
本文以各向异性磁阻传感器（AMR sensor）作为研究对象，结合地磁测量的相关要求，对各向异性磁阻效应原理以及各向异性磁阻传感器的薄膜制备、器件结构设计、器件制备工艺等方面的内容进行了研究和探讨，主要内容包括以下几个方面：首先，在分析了各向异性磁阻效应原理的基础上，综述了各向异性磁阻材料的研究现状，并结合地磁场的特点，讨论了各向异性磁阻传感器的特性参数以及用于地磁测量的优势和挑战。
其次，在传感器材料方面，本文采用磁控溅射的方法制备了AMR薄膜，分别对膜层结构、薄膜厚度、退火温度等因素进行了研究。
利用NiFeCr或Al2O3作为辅助种子层、退火工艺对薄膜性能进行了优化，分析并讨论了材料本身和工艺方面对实验结果的影响。
实验制备出磁阻曲线光滑且峰值明显的磁阻材料，最大磁阻系数为1.5%。
最后，在器件结构方面，本文分别对惠斯通电桥、barber 电极、置位/复位电流带和偏置电流带等结构的设计思路进行了研究和探讨，然后利用L-edit设计了磁阻单元、惠斯通电桥和置位/复位电流带的掩膜版，讨论并梳理了器件制备的工艺流程。
关键词：地磁场各向异性磁阻传感器坡莫合金（Ni83Fe17）89Cr11 Al2O3华中科技大学硕士学位论文AbstractAs one of the important earth resources, the geomagnetic field is closely linked with the modern production and life. It is needed for many aspects such as the geosciences, aeronautics, astronautics, resource probing, transportation, national defense construction, earthquake prediction and so forth. However all the above mentioned are based on weak magnetic sensors to detect the geomagnetic field which changes with time and space. The anisotropic magnetoresistive sensor (AMR sensor) has the merits of high sensitivity, high reliability, good linearity, low power consumption, easy miniaturization and so on. Therefore, it is very important to improve or optimize the performances of the AMR sensor to satisfy the requirements of geomagnetic measurement. In regard to the requirements to detect the geomagnetic field, the principles, the material and the structures of the anisotropic magnetoresistive sensors were studied in the thesis. The main contents are as follows:Firstly, with the principle of the anisotropic magnetoresistance effect, current research progress of the anisotropic magnetoresistance material was introduced. Then based on the characteristics of geomagnetic field, the pros and cons of the application of AMR sensors in the geomagnetic field measurement were discussed.Secondly, the anisotropic magnetoresistance films (Permalloy films) were prepared with magnetron sputtering method. And their structure, thickness and annealing temperature were studied. The Permalloy films were optimized with NiFeCr or Al2O3 as assisted seed layers and annealing technique. Measurement showed that the magnetoresistance curve of the material was quite smooth, and obvious peaks were found. The best magnetoresistance coefficient (R/ R) of the material reached a maximum of 1.5%.In the last chapter, the structure of the AMR sensor, including the wheatstone bridge, barber pole and current strap was investigated, and the lithography masks were designed with L-edit, also the process for the devices preparation and lithography process were stated.Keywords: Geomagnetic field Anisotropic magnetoresistive sensorPermalloy film （Ni83Fe17）89Cr11Al2O3独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。
磁阻传感器电子罗盘及其在船舶导航中的应用肖文平 叶家伟(华南理工大学交通学院)摘 要 本文介绍了应用磁阻传感器的电子罗盘的电路设计和数据采集、航位推算导航的动态模型,将电子罗盘数据、船的速度信息和GPS数据进行信息融合以提高导航的精度。
最后探讨了低价位的电子罗盘与GPS组合导航技术在中小型船舶导航中的应用。
关键词 船舶导航 磁阻传感器 罗盘一 前 言目前,船舶导航主要采用GPS定位技术,GPS定位方式能够迅速、准确、全天候地提供导航、定位信息。
虽然美国政府宣布从2000年5月1日午夜开始不再人为故意降低GPS 公用信号的精度(即使用SA技术),可以使GPS定位比以前有高得多的精度,同时我们还要考虑美国恢复这一技术的风险。
GPS定位存在误差,主要误差源有:卫星时钟误差、星历误差、电离层的附加延时误差、对流层的附加延时误差、多路径误差等。
GPS天线受其他物体的遮挡、外界强信号源的干扰都会引起GPS的定位信息的中断,使定位精度大大降低。
船位推算(DeadReckoning)导航法是最基本的导航方法之一,这种方法的基本原理是利用航行的方向和距离传感器来推算瞬时位置。
将GPS导航定位系统与电子罗盘、速度信号组成的航位推算系统结合起来,可以很好地解决船舶航行短时间内丢失GPS卫星定位信号的问题。
电子罗盘是航位推算法的关键元器件之一,采用基于磁原理磁场传感器来测量相对地球磁北极航向角,误差不随时间积累,且体积小、可靠性高、响应速度快。
相比传统机械罗盘具有响应速度快、数据容易采集等特点。
鉴于大中型船舶导航技术较完善,本文探讨的低成本的电子罗盘与GPS组合数字导航技术以导航技术较差的中小型船舶作为对象,以期在中小型船舶替代传统技术并扩大导航技术应用范围(如水上智能交通技术)。
二 电子罗盘电路1 HMC1022简介HMC1022是Honeywell公司生产的智能弱磁传感器,是基于磁阻传感器的原理(参见图1),由长而薄的的镀膜合金(一种铁镍合金)薄膜制成磁阻敏感元件,采用标准的半导体工艺,将薄膜附着在硅片上,4个磁阻组成惠斯通电桥。
电磁感应技术在车辆定位与导航中的应用研究随着科技的不断发展，电磁感应技术在各个领域得到了广泛的应用。
其中，电磁感应技术在车辆定位与导航中的应用尤为重要。
本文将从电磁感应技术的原理、车辆定位与导航的需求以及电磁感应技术在此领域的应用等方面进行探讨。
首先，我们来了解一下电磁感应技术的原理。
电磁感应是指当导体在磁场中运动或者磁场变化时，会在导体中产生感应电流。
根据法拉第电磁感应定律，感应电流的大小与导体运动速度和磁场变化速率有关。
因此，通过测量感应电流的大小，可以得知导体的运动状态和磁场的变化情况。
接下来，我们来探讨一下车辆定位与导航的需求。
在现代社会中，车辆定位与导航已经成为人们出行的重要需求。
无论是日常的通勤还是旅行，准确的车辆定位和导航系统可以帮助人们更加方便、快捷地到达目的地。
而要实现精准的车辆定位和导航，就需要借助先进的技术手段。
那么，电磁感应技术在车辆定位与导航中的应用是如何实现的呢？首先，电磁感应技术可以通过感应电流的测量来获取车辆的速度和方向信息。
通过在车辆上安装感应装置，可以感知车辆周围的磁场变化，从而得知车辆的运动状态。
其次，电磁感应技术还可以用于车辆导航系统中的地图更新。
通过在道路上布置磁场感应装置，可以实时监测道路磁场的变化，进而更新车辆导航系统中的地图数据，确保导航的准确性。
此外，电磁感应技术还可以应用于车辆的安全监测。
通过在车辆周围布置磁场感应装置，可以实时监测车辆周围的磁场变化，从而及时发现潜在的危险情况。
例如，当车辆附近有其他车辆靠近或者行人出现时，磁场的变化会被感应装置捕捉到，从而提醒驾驶员注意安全。
另外，电磁感应技术还可以应用于车辆的智能停车系统。
通过在停车场地面布置磁场感应装置，可以实时监测停车位的占用情况。
当车辆驶入或者离开停车位时，感应装置会感知到磁场的变化，从而更新停车位的状态。
这样，车主可以通过车载导航系统查看停车位的实时情况，选择空闲的停车位进行停车，提高停车的效率和便利性。
磁阻传感器在导航系统中的应用Michael J. Caruso霍尼韦尔公司摘 要当今大多数导航系统使用某种型号的罗盘来确定航向使用地球磁场以磁阻(MR)传感器为基础的电子罗盘可以分辨好于0.1度的旋转角度本文将讨论使用MR传感器的简易八指针罗盘同时还将讨论使用MR 传感器制作1度罗盘的方法本文中还介绍了用来纠正罗盘倾斜角度和附近铁质材料干扰的补偿技术简 介几个世纪以来人们在导航中一直使用磁罗盘虽然有资料显示早在二千多年前中国人就开始使用天然磁石-一种磁铁矿来指示水平方向但罗盘的发明者还是无人知晓看来也许是12世纪的地中海海员最先在海上使用了磁罗盘[1]当今的平衡式指针罗盘只是稍微改变了这项早期发明先进技术生产出了状态稳定的电子罗盘这种罗盘以MR 磁传感器和加速度原理的倾斜传感器为基础电子罗盘具有许多优于常规“指针”型或常平罗盘的长处例如: 抗冲击性和抗振性对杂散磁场效应的补偿以及与电子导航系统的直接接口本文将讨论两类罗盘 基本的八指针罗盘与1度罗盘地球磁场地球的磁场强度大约为0.5至0.6高斯并且具有一个平行于地球表面的成份它始终指向磁北这是所有磁罗盘的制作基础此处的关键词是“平行于地球表面”和“磁北”图1-地球磁场与真北地球磁场可用图1中所示的双极模型模拟表示该图图示了北半球中地球磁场向下指向北方在赤道处它水平指向北方并且在南半球中向上指向北方在任何情况下地球磁场的方向始终指向磁北被用来确定罗盘方向的正是这磁场中平行于地球表面的分量磁场与地球表面的夹角被称为磁倾角或倾角(见图2)在北半球中磁倾角大约为朝北70°在确定方位角或罗盘指向时只使用地球磁场的X 和Y 分量地球磁场的垂直部分忽略不计术语磁北指的是地球磁极位置大约与真北或地理正北偏差11.5度真北位于地球自转轴线上在地图上由子午线标出在地球不同位置上磁北与真北可偏差±25度或如图3所示更大的偏差这种偏差被称为磁偏角可根据以地理位置为基础的查找表确定(朝前)(朝右)地面(朝下)|地面|=√Hx2+Hy2+Hz2∅=磁倾角或倾角图2-XY Z坐标中的地球磁场准确地找到罗盘航向或方位角的关键是两个步骤: 1)确定地球磁场的水平分量的Hx和Hy; 2)增加或减去适当的磁偏角以纠正真北方位图3-用来纠正真北方位的磁偏角磁传感原理当今有几种类型的电子罗盘可供选择: 磁通门磁阻式磁感应式以及其它类型导航系统常见的磁罗盘是磁通门传感器它由一套环绕磁心的线圈组成该磁心配有励磁电路可测量分辨率小于1毫高斯的磁场这类传感器提供低成本的磁场探测方法; 它们体积偏大易碎响应时间慢有时候动作中的磁通门传感器可以有2-3秒的输出响应时间当导航高速行驶的汽车或无人驾驶飞机时这读出滞后现象是无法接受的另一种磁传感器是磁阻(MR)传感器这种传感器由透磁合金薄带(NiFe磁膜)制成这种透磁合金薄带的电阻性随磁场的发生变化而变化这种传感器具有一条很明确的灵敏度轴线并作为集成电路批量生产最近的MR传感器可以显示0.1毫高斯以下的灵敏度固态的小尺寸封装且响应时间小于1微秒这些MR传感器使行驶中的汽车获得可靠的磁场读数其读取速率高达1,000次每秒本文余下部分将讨论使用磁阻传感器检测以电压输出表示的地球磁场特征和强度传感器还将检测任何杂散磁场或叠加在地球磁场上的磁场偏差磁传感器输出将含有X Y和Z轴分量作为我们导航参考: X轴分量是指向前看方向Y轴分量是指向右看方向Z轴分量如图2所示罗盘设计在导航系统中有多种形式的罗盘供使用在这里我们将讨论两种使用磁阻传感器的形式-八点罗盘和1度罗盘八点罗盘-一种简易的八点罗盘指示主要的极点(N S E W)和中间极点(NENWSE SW)该类罗盘可用于驾驶员需要知道大致行进方向时基本的自动使用在这应用场合磁传感器可被缩减为只使用X和Y轴的双轴传感器汽车通常行驶在水平表面上不包括任何小山或深穴这样X和Y传感器可直接测量地球的Hx和Hy磁场罗盘可安装在仪表板上板上的X轴直指前方Y轴指向左方关于汽车对地球磁场的磁效应当前不予考虑设计罗盘时可将其分成八个区域用来指示主要方向为了分析磁阻传感器的响应在汽车作环状行进时如图4所示标出X和Y输出值我们已知道地球磁场始终指向北面就可以在X轴(和汽车)直接指向北面时开始进行分析因为此时地球磁场中没有指向左面或西面的部分所以X输出值将为最大值且Y输出值为零当汽车按顺时针方向驶向东面时X 轴将减小为零而Y 轴将减至其最大负值当汽车继续以顺时针方向驶向正南面时X 轴将减至其最大负值而Y 轴将还原为零图4显示了这结果以及X 和Y 轴的完整环形循环过程磁力计的X 和Y 输出值可用cos(∅)和sin(∅)函数表示其中∅表示方位角指磁北方向(度)图4-360°旋转的磁输出值X 和Y 图4的X 和Y曲线可划分为八个区域表示四个主要极点和四个中间极点可将这些曲线组合在一起后以表示每一区域为判定罗盘的8个航向则需要两个转折点上转折点和下转折点可通过获得X 和Y 的满量程(FS)值来确定转折点如下所示:上转折点=100*sin(22.5°)(%FS)=38%FS (1)下转折点=-100* sin(22.5°)(%FS)=-38%FS 可使用电压比较器检测上转折点和下转折点电平以便将X 和Y 曲线分为四个区域: AB C 和D 可通过组合AB C 和D 及使用Boolean 逻辑门四个比较器和图5所示的双轴磁传感器来确定罗盘的八个指针这电路需要一个灵敏度为1-2毫高斯的双轴磁传感器磁滞和磁线性度必须小于1-2%FS 并有好的重复性在使用该种设计时必须考虑三个限制因素: 1)因没有倾斜补偿功能所以罗盘必须保持水平2)附近应没有铁质材料以免产生磁干扰3)很难将磁偏角添加到该设计中在以下讨论1度罗盘时也要考虑这三个限制因素比较器图5-八点罗盘电路1度罗盘-一些导航系统不仅仅只要求使用八点指示例如全球定位系统(GPS)已得到一个采用先进技术在显像地图上跟踪汽车位置的结果其精确度小于10米这些系统依靠与四个卫星的遥测接触有时还借助于系统无线电塔确定位置时能与这四个卫星保持在一条瞄准线上是十分必要的城市和隧道中需要备用系统这样在短时间死区时仍可以维持这定向过程这正是精度更高的罗盘能帮助GPS 型导航系统的地方在丢失GPS 信号的过程中了解汽车速度和行进方向就能保持对汽车进行正确的跟踪可以采用陀螺仪来维持行进方向但低成本的MR 型罗盘则是最佳选择对于这些系统所希望的罗盘精度为1度为得到1度精度的罗盘需要一台能可靠地分辨0.1度角度变化的磁传感器这类传感器还必须具有低的磁滞(<0.05%FS)高的线性度(<0.5%FS 误差)而且是可重复的X 和Y 平面中的磁场一般在200至300毫高斯范围内-在赤道处更大-在两极较小可运用下列方程式:方位角=arcTan(y/x) (2)估算出所需的磁力计分辨率要想分辨200毫高斯磁场0.1°的变化需要大于0.35毫高斯的磁灵敏度现在我们可用固态的MR传感器它能可靠地分辨0.07毫高斯信号并具有5倍余度的检测灵敏度使用图6所示的简易磁传感器时可用水平面中的X 和Y 输出值计算出方位角运算正切函数在大于180°时是有效的并不允许Y=0的除法运算我们可以运用下列方程式:输出(%F S )高压低压HMC1002 2-轴磁传感器X 输出Y输出磁传感器S/R 脉冲≈每隔2秒图6-无倾斜补偿的1度罗盘系统方位角(x=0y <0) =90.0 (3)方位角(x=0y >0) =270.0方位角(x <0) =180-[arcTan(y/x)*180/π方位角(x >0y <0) =-[arcTan(y/x)*180/π方位角(x >0y >0) =360-[arcTan(y/x)*180/π图6所示的设置/复位(S/R)电路是一个电流脉冲发生器用来消除过去的磁效应和温度漂移效应[4]串联总线输出可以很容易地连接至低成本的微处理器用于方位角计算方程式(3)在相对于磁北(H North )的正向上提供了0°至360°的方位角见图7在本示例中对倾斜和附近铁质材料对方位角的干扰结果没有补偿(朝前(朝右)地面(朝下)α=方位角或航向图7-X-Y 平面中确定的方位角对倾斜的补偿-大多数情况下不总是将罗盘限制在平面和水平面上它们通常用手安装在飞机或不平整地面上的汽车上由于罗盘并不总是水平于地球表面这使得确定方位角或行进方向变得更加困难由倾斜角产生的误差很大程度上取决于倾斜角的大小纠正罗盘倾斜的典型方法是使用倾角仪或倾斜传感器确定横滚角和俯仰角术语横滚和俯仰通常用在航空学上: 横滚是指围绕X或前进方向的旋转俯仰是指围绕Y 或左-右方向的旋转(见图8)前向平面俯仰右向平面横滚图8-以地球水平面为基准的罗盘倾斜串联总线接口HMC1002 2-轴磁传感器模拟数字转换器串联总线磁北罗盘TLC2543S/R 条(钽)12位A/D常见的液体充填式倾斜传感器类似于一个玻璃“套管”在传感器改变角度时它使用电极监控液体运动还可以使用更加新式的固态加速计或倾斜传感器该传感器用机电电路[5]测量地球的重力场这些设备的输出是一个与倾角等量的电信号在安装罗盘的过程中必须仔细地将倾斜传感器与XY Z 磁轴对准一些制造商提供如图独立电路板的倾斜传感器这些传感器可以提供作为输出值的横滚角和俯仰角为对罗盘的倾斜作补偿了解横滚和俯仰状况只是成功的一半此时磁力计必须依赖于所有的三条磁轴线(XYZ)这样地球磁场可以完全转回到水平方向图8展示了以观察者或汽车的朝右或朝前水平方向为基准的罗盘的横滚角(θ)和俯仰角(φ)运用下列旋转方程式可以将X Y 和Z 磁场强度读数换算回到水平面(X H , Y H ):X H =X*cos(φ)+Y*sin(θ)*sin(φ)-Z*cos(θ)*sin(φ)Y H =Y*cos(θ)+Z*sin(θ) (4)方位角=arcTan(Y H /X H )只要X 和Y 磁场强度读数是在水平面中就可使用方程式(3)确定方位角为了加快处理旋转运算可以将sine 和cosine 查找表存储在程序存储器中以减少运算时间图9显示了配有串行总线接口并具有倾斜补偿的罗盘方块图确定了方位角后就可以根据工作的地理区域采用偏差校正找到真北的位置横滚 倾斜传感器 俯仰HMC2003 3-轴磁传感器图9-有倾斜补偿的罗盘系统附近铁效应的补偿-当罗盘在没有任何铁质金属的空旷区域内工作时不会对地球磁场产生任何干扰然而事实上罗盘都被安装在附近很可能存在铁质材料的汽车飞机和平台里铁质金属效应(铁镍钢钴)将会干扰或弯曲地球磁场这会改变罗盘方向这种效应可看作是地球磁场中增加的一个磁场如果把罗盘牢固地装在汽车里就可算出铁效应并把它从磁场强度读数中减去图10显示了罗盘在水平面里作圆形旋转时的X 和Y 磁场强度读数在本示例中地球磁场没有受到铁的干扰读数取自霍尼韦尔HMR2300智能型数字磁力计其中每个计数代表67微高斯在X 和Y 平面中的地球磁场强度值读到2800个计数约为190毫高斯当用X 和Y读数作图时就形成一个圆其中心在0,0点处可用图10所示的方程式(3)对每个读数确定一个方位角此图显示了在旋转过程中根据X 和Y 方向的sine 和cosine 输出值如果将磁力计安装在汽车上发动机和车体的影响将会干扰地球磁场驾驶汽车作环形运动就会产生如图11所示的曲线请注意这里的X Y 图不是一个圆(有点椭圆)而它偏移0,0点为-480和-795个计数这偏移和椭圆效应是汽车对地球磁场固定干扰的结果这干扰可系统地确定并可将它们应用于随后的X Y读数中以消除汽车的影响为补偿汽车的干扰可确定两个定标因数Xsf 和Ysf 来将椭圆改为圆于是可计算偏移值Xoff 和Yoff 将圆中心定在0,0原点在对汽车干扰作补偿时用来计算方位角的X Y值如下:X 值=Xsf*X 读数+Xoff (5)Y 值=Ysf*Y 读数+Yoff这里定标因数Xsf 和Ysf 定标了每个读数将椭圆改变成一个圆并且Xoff 和Yoff(偏移)值将中心移回至0,0原点图12显示了这补偿结果该结果应与图10中的“无干扰”曲线进行比较模似数字转换器串行总线Y 轴(计数)Y 轴X 轴(计数) 方向图10-在水平面中360°旋转无干扰时的磁力计读数轴(计数)Y 轴X 轴X 轴(计数) 方向 (度)图11-在水平面中360°旋转汽车发动机/车体干扰时的磁力计读数Y 轴(计数)Y 轴X 轴X 轴 方向 (计数)图12-在水平面中360°旋转对汽车发动机/车体干扰作补偿时的磁力计读数X 轴(度)(度)X 和Y 轴(计数)X 和Y 轴(计数)X 和Y 轴(计数)可使用简单的标定(校准)方法来确定偏移和定标因数值:• 把罗盘安装在汽车里并在水平面上驾车作环形运动• 找出X 和Y 磁力读数的最大和最小值• 用这四个数值确定X 和Y 定标因数(Xsf Ysf)以及零偏移值(Xoff Yoff)Xsf=1或(Y 最大-Y 最小)/(X 最大-X 最小) (6)以较大的数值为准Ysf=1或(X 最大-Y 最小)/(Y 最大-Y 最小) 以较大的数值为准Xoff=[(X 最大-X 最小)/2-X 最大]*Xsf (7)Yoff=[(Y 最大-Y 最小)/2-Y 最大]*Ysf下列示例说明如何确定补偿值将罗盘安装在汽车里汽车在空的停车场内作环形运动磁力计上的X 和Y 磁场读数(15,000 Count=1高斯)被读出最小和最大读数如下:X 最小=-3298X 最大=2338Y 最小=-3147Y 最大=1763因为(Y 最大-Y 最小)/(X 最大-X 最小)<1则根据方程式(5)设置定标因数(Xsf)为1接着将X 读数量程除以Y读数量程确定出Y 定标因数(Ysf)Xsf=1Ysf=(X 最大-X 最小)/(Y 最大-Y 最小)=1.15将最大读数减去最小读数取所得差值的一半并用定标因数Xsf 和Ysf 计算出偏移校正值Xoff=[(X 最大-X 最小)/2-X 最大]* Xsf=480Yoff=[(Y 最大-Y 最小)/2-X 最大]* Ysf=795存储这些数值并将它们应用到每个倾斜补偿读数X H 和Y H 中在方位角计算方程式(3)中用来确定罗盘方向的X 值和Y 值的数值如下:X 值=X H +480Y 值=1.15*Y H +795结 论罗盘方向根据水平面中的地球磁场确定在罗盘系统中每一个磁力计读数必须首先进行倾斜校正然后必须对每个读数作附近铁质材料干扰效应的补偿一旦对罗盘读数作了倾斜补偿或对附近铁质材料干扰作了校正就应该用磁偏角调节磁北至真北磁阻传感器为建立罗盘导航系统提供了固态解决办法它们具有高的灵敏度好的重复性体积小因而产生高的补偿精确度并易于装入在磁传感器中除了本文介绍的倾斜和铁金属干扰补偿技术外还有许多其它技术补偿方法取决于应用要求: 精确度分辨率速度尺寸和成本参 考[1]GrantGeorge A.和KlinkertJohn 船用罗盘2d ed (1970)[2]Barber G.W., 和AarottA.S.罗盘调节的历史和磁性IEEE Trans.杂志 1998年11月[3]OlsonGregory J.et alNongimbaled固态罗盘固态传感器和执行器公司1994年6月[4]磁传感器的设置/复位脉冲电路霍尼韦尔应用注释AN-201[5]以微机械加速计为基础的双轴倾斜传感器Mike Horton CharlesKitchin传感器杂志1996年4月从SI(国际单位制)至高斯的单位换算:1Tesla=104高斯=109gamma=7.96×105A/m 1nTesla=10微高斯=1 gamma=7.96×10-4A/m固态电子设备中心Plymouth, MN 55441 2-98 900212帮助你控制自己的世界霍尼韦尔公司12001 State Highway 55。
背景：随着科学技术的发展，人类的活动领域的不断扩大，导航仪器成为各种交通运输设备中的重要组成分。
在航海上，船舶主要安装了陀螺罗经，陀螺罗经虽然具有稳定的指向、受环境干扰小等优点，但是陀螺罗经结构复杂易出故障，维修费用昂贵。
所以通常情况下，虽然安装了陀螺罗经，仍然需要安装罗盘，以预防陀螺罗经一旦发生故障，仍可依据罗盘继续航行。
另外罗经还可以将其航向信号传递给雷达、电子海图系统等设备，与其他导航设备一起构成磁导航系统。
GPS是当前应用最为广泛的卫星导航定位系统，使用方便、
成本低廉，其最新的实际定位精度已经达到5米以内。
但是GPS系统存在易受干扰、动态环境中可靠性差以及数据输出
频率低等不足，尤其是在高楼林立的城市，或者车辆通过隧道及立交桥时，GPS卫星信号将很差甚至中断而无法定位。
精度高、成本低的电子罗盘成为导航系统辅助设备的最佳选择。
电子罗盘设计要求：此电子罗盘为各交通运输设备搭载使用，因此必须具备以下特性：1，操作简捷，保证驾驶员行车安全；2，实时性强，设备能及时测定方位，罗盘处理速度快；3，精度高，成本低，具有市场竞争力；4，稳定性好，能排除周围环境的干扰。
方案的选择：目前应用测量地磁场原理制成的电子罗盘主要有三种：磁通门式电子罗盘、霍尔效应式电子罗盘和磁阻效应式电子罗盘。
(1)磁通门式磁场传感器。
磁通门式磁敏传感器又称为磁饱和式磁敏传感器。
它是利用某些高导磁率的软磁性材料(如坡莫合金)作磁芯，以其在交变磁场作用下的磁饱和特性及法拉第电磁感应原理研制成的测磁装置。
从原理上讲，它通过测量线圈中磁通量的变化未感知外界的磁场大小，为了达到较高的灵敏度，必须要增加线圈横截面积，因而磁通门式电子罗盘不可避免的增大了体积和功耗，处理电路也会相对复杂，基于磁通门式磁场传感器的罗盘成本会很高。
(2)霍尔效应磁场传感器。
霍尔效应是磁电效应的一种，这一现象是霍尔(A．H．Hall，1855--1938)于1879年在研究金属的导电机构时发现的。
后来发现半导体、导电流体等也有这种效应，而半导体的霍尔效应比金属强得多，利用这现象制成的各种霍尔元件，此类传感器的优点是重量轻、功耗和体积小、成本低、接口电路简单，特别适用于强磁场的测量，其缺点是灵敏度低、噪声大、温度特性差。
基于霍尔效应可以测量外界磁场，虽然有些高灵敏度的霍尔磁场传感器通过采取聚磁措施也可以测量地球磁场，但目前只应用在对精度要求不高的场合，高性能的磁航向系统一般不予采用。
(3)磁阻效应磁场传感器。
铁、钻、镍及其合金材料具有各
向异性，这些磁性材料在弱磁场下的电阻变化率较大，故较适合于在弱磁场条件下使用。
对磁性材料进行磁化时，其磁化方向取决于材料的易磁化轴、材料的形状和磁化磁场的方向。
当给磁性材料通电流I时，材料的电阻取决于电流的方向与磁化方向的夹角θ。
如果给材料施加一个磁场M(被测磁场)，就会使原来的磁化方向转动：若磁化方向转向垂直于电流的方向，即θ角增大，电阻将减小；如果磁化方向转向平行于电流的方向，即θ角减小，电阻将增大，电流方向与电阻值近似成为COS2θ关系或近似成直线，这就是磁阻效应。
这种磁阻传感器在一定范围内输出电压与被测磁场近似成
正比，其灵敏度和线性度等方面的性能明显优于霍尔器件，同时体积小、功耗低、抗干扰能力强、温度特性好、易于与数字电路匹配。
因此磁阻传感器在测量弱磁场以及基于弱磁场的地磁
导航、磁航向系统研制、位置检测等方面显示出巨大的优势。
本次科研训练采用基于各向异性磁阻(AMR Anisotropy of magneto resistance)效应的传感器。
此效应发生在包括透磁合金在内的铁质材料中，透磁合金是镍与铁的合金，早在20世纪早期就被用作变压器设计中的传感材料。
测量原理：众所周知，在我们的地球表面空间分布着磁场．强度大约为0．5～0．6Gauss，方向总是指向磁北，因此地球表面的任意一点的磁场都有一个指向磁北的磁场分量。
通过
在北半球，地球磁场向下指向北极；在赤道，地球磁场平行于地球表面，同时也指向北极；在南半球，向上指向北极。
磁传感器正是利用地球磁场的这一特点来确定载体相对于
磁北的方位。
在载体坐标系下，磁航向α定义为载体纵轴(载体前进的方向)在水平面上的投影与当地子午线(磁北)的夹角。
当载体的前进方向和磁北重台时，磁航向角为0°，按照顺时针方向，磁航向角α用0°到360°之间的角度值来表示。
载体坐标系的三个相互垂直的轴，分别称为Ox轴、OY轴、0Z轴。
如下图，沿三个相互垂直的轴分别安装三个测量磁场分量的磁传感器，分别用来测量地磁场在OX、0Y和OZ上的磁场分量Hx、Hv、Hz。
地磁场分解图
通过测量坐标系中X、Y、Z三个方向上的磁场可以确定载体的方位角及倾斜状态，由于本设计系统主要针对船舶等平面运行设备，所以只考虑水平磁场分量H，于是公式简化为：
磁航向可以由下式计算：
实际上，水平分量在OX、OY上的值Hx和Hy能够应用传感器直
接测量得出，但是,也必须注意，地球上的南北两极和地磁场的南北两极并不重台，存在一个夹角，称为磁偏角，而地球上的任一点的磁偏角是一个常量。
如果知道了磁航向角，再加上或者减去一个常值的磁偏角就可以得到当地的真航
向角。
惠斯通电桥：磁阻传感器内部一般用惠斯通电桥进行磁场的测量。
惠斯通电桥用4个磁阻敏感元件作为磁阻臂组成。
在外磁场的作用下，磁阻的变化引起输出电压的变化。
其变化在磁阻传感器线性区域与外加磁场成正比。
如下图所示，4 个桥臂电阻的阻值均为R，外加磁场M，输入电压为Vout 。
在磁场的作用下电阻R1和R3的阻值减小△R，而R2和R4的阻值增大△R．则输出电压的变化为：
传感器的电压输出与磁场强度成正比，即可测得外界磁场强度。
磁阻传感器惠斯通电桥
电子罗盘硬件系统：本设计研究的电子罗盘由磁阻传感器、信号转换电路、电源模块和微控制器等组成。
具体硬件框图如下图：
本系统硬件设计中磁阻传感器用来检测地磁场，其输出为两路的差分模拟电压值，差分值大约为几毫伏，信号经过模数转换器进行放大和模数转换；由于单片机只能处理数字信号，所以要将模拟信号转换成数字信号，考虑到系统精度等方面的要求，所以选用16位的AD转换器。
单片机作为微控制器，能实时进行数据处理，选择型号时单片机应该具备高性能、低功耗的特点。
对于电源模块，大多数AD转换器和单片机都需要5V的直流基准电压，电源质量将直接影响元件的性能，所以必须为系统提供一个高质量的基准电压输出。
