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本文介紹了電子指南針的工作原理及電路設(shè)計,同時給出了其抗干擾設(shè)計以及信號和數(shù)據(jù)的處理方法。

Z1和Z4為翻轉(zhuǎn)線圈,Z2和Z3為補償線圈。由于環(huán)境溫度可能會影響系統(tǒng)精度,因此,在高精度系統(tǒng)中,可以通過補償線圈對其進行補償。內(nèi)部有兩個正交的磁場傳感器? 分別對應(yīng)二維平面的X軸和Y軸。磁場傳感器的原理是利用磁阻(MR)組成磁式結(jié)構(gòu),這樣可改變電磁物質(zhì)在外部磁場中的電阻系數(shù)。以便在磁場傳感器的翻轉(zhuǎn)線圈Z1和Z2上加載翻轉(zhuǎn)電信號后使之能夠產(chǎn)生變化的磁場。由于該變化磁場會造成磁阻變化(ΔR)0并將其轉(zhuǎn)化成變化的差動電壓輸出,這樣,就能根據(jù)磁場大小正比于輸出差動電壓的原理,分別讀取對應(yīng)的兩軸信號,然后再進行處理計算即可得到偏轉(zhuǎn)角度。整個電子指南針系統(tǒng)主要由傳感器單元、信號調(diào)整單元(SCU)、方向確定單元(DDU)和顯示單元四部分組成。電子指南針的總體設(shè)計框圖如圖2所示。圖中,磁場傳感器KMZ52用于將地磁場信號轉(zhuǎn)化成電信號輸出,信號調(diào)整單元用于將磁場傳感器單元中的輸出信號成比例放大,并將其轉(zhuǎn)換成合適的信號hex和hey,同時消除信號的偏移。對于保證系統(tǒng)的精度來說,SCU是最重要的部件。通過DDU可將信號調(diào)整單元輸出的兩路信號hex和 hey進行放大,然后再按下式計算出偏轉(zhuǎn)角度α:α=arctan?hey/hex 這樣根據(jù)抗干擾技術(shù)算法對α進行處理就可得出該磁場的偏轉(zhuǎn)角度,最后通過顯示單元進行輸出。

內(nèi)部橋式結(jié)構(gòu)的磁阻輸出是差動電壓,通過運算放大器可以成比例放大,因此,在測量地磁場信號時,為了將兩個磁場傳感器信號放大同樣的倍數(shù),可以將二者的翻轉(zhuǎn)線圈串聯(lián),并對差動電壓選用同樣的運放結(jié)構(gòu)。翻轉(zhuǎn)信號從①口輸入,X、Y軸差動電壓信號則分別從②、③口輸出。然后通過處理系統(tǒng)對傳來的信號進行A/D采樣、數(shù)值處理和校正后,即可得到所求的角度。

由于KMZ52的輸出信號很微弱,故信號干擾較大。在輸出幅值很小的位置上,通常有300mV左右且變化很大的干擾;而在輸出幅值時則近似保持恒值。兩路信號幅值與角度的關(guān)系如圖4所示。

為使二者的比值接近tanα?0<α<90° 的變化,可以在幅值較大且數(shù)值變化較小的角度范圍內(nèi),使幅值保持基本不變;而在幅值較小且數(shù)值變化較大的角度范圍內(nèi),用一個函數(shù)改變其幅值變化曲線。具體實現(xiàn)時,可按照一定角度對曲線進行分段,并對各段用一次函數(shù)y=ax+b去擬合。這樣,就可以使幅值變化曲線接近tanα。角度劃分越細,精度越高。磁場傳感器KMZ52的精度為3°,若按15°劃分,可將精度提高到1°。若按5°對其劃分,精度可高達0.3°。如劃分更細,精度還可進一步提高。若采用高階函數(shù)去擬合,也可以提高精度。實際上,在精度要求不高的情況下,通常以15°劃分就可以達到要求。

有時候,某些外來磁場疊加會產(chǎn)生一個恒定磁場,這個磁場對系統(tǒng)指示將造成影響。故可采用如下方法對其進行校正:讓整個系統(tǒng)在水平面上旋轉(zhuǎn)一周,干涉磁場與地球磁場疊加會有一個最大值Vmax和一個最小值Vmin,記錄下這兩個值和達到最大值(或最小值)的角度φ,再經(jīng)過校正,即可消除磁場的影響。 設(shè)地球磁場的大小為Vear,干擾磁場的大小為Vdis?則有:Vear=(Vmax+Vmin)/2?Vdis=(Vmax-Vmin)/2?這樣,由正弦定理Vear/sinφ=Vdis/sinγ可求出γ。然后在α上加上γ角即可消除干擾磁場的影響。