电子罗盘的分类与特点

武云鹏 2020-05-07 2545

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描述

　　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。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。

　　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。

　　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，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，

　　霍尔效应传感器

　　霍尔效应磁传感器的工作原理。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。

　　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。 [2]

　　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，仍是测量弱磁场的基本仪器之一。磁饱和磁强计分辨率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,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，是电子罗盘的发展方向。lw

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