智能手机指南针的工作原理

2、试详细解释智能手机指南针的工作原理(并绘出其传感原理图)？

答：

1、手机装入软件能分出东南西北是因为手机中内置了电子指南针，电子指南针又称作电子罗盘。电子罗盘的原理是测量地球磁场，按其测量磁场的传感器种类的不同，目前国内市场上销售的电子罗盘可分为以下有三种: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)磁通门式电子罗盘。根据磁饱和原理制成，它的输出可以是电压，也可以是电流，还可以是时间差，主要用于测量稳定或低频磁场的大小或方向，其代表产品是美国KVH工业公司的一系列磁通门罗盘及相关附件。从原理上讲，它通过测量线圈中磁通量的变化来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体积和功耗较大，易碎、响应速度较慢，处理电路相对复杂，成本高。

(2)霍尔效应式电子罗盘。霍尔效应是1879年霍尔首先在金属中发现的。当施加外磁场垂直于半导体中流过的电流就会在半导体中垂直于磁场和电流的方向产生电动势。这种现象称为霍尔效应。其工作原理如图1.1所示。

图1.1霍尔效应原理

如果沿矩形金属薄片的长方向通一电流I，由于载流子受库仑兹力作用，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成反比。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，直到半导体的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，如果通过它的电流与金属材料相同，那么半导体中载流子的速度就快，所受到的洛伦兹力就更大，因而霍尔效应的系数也就更大。

我们可以把地球磁场假定为和地平面平行，而如果在手机的平面垂直的放上两个这样的霍尔器件，就可以感知地球磁场在这两个霍尔器件的磁感应强度的分量，从而得到地球磁场的方向，有点类似于力的分解。

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的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。

(3)磁阻效应式电子罗盘。利用具有磁阻效应的材料制成，这些磁阻传感器在线性范围内输出电压与被测磁场成正比，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。众所周知，迟滞误差和零点温度漂移是影响传感器性能及稳定性的重要因素，同时由于地磁场强度仅为0.5-0.6gauss，外界磁场干扰成为电子罗盘信噪比较小的重要因素。

2、由于磁阻效应式电子罗盘明显优于前两者，所以是目前的主流。

磁阻电子罗盘基于磁阻效应，利用磁阻传感器感测地球磁场强度在X,Y,Z轴的三个分量，结合加速度传感器测量载体的俯仰角和翻滚角并以此对X, Y轴的磁场强度作补偿校正，从而确定载体的地理航向角和姿态角。下面介绍磁阻传感器的磁阻效应和磁阻电子罗盘的测量原理。

通电导体在磁场中阻值发生变化的现象称为磁阻效应。如图2.1所示，当带状玻莫合金材料通电流I时，材料的电阻取决与电流的方向与磁化方向夹角e。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e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e角减小，电阻将增大。这就是强磁金属的各向异性磁阻效应(AMR) 。

图2.1磁阻效应示意图

磁阻传感器是由长而薄的玻莫合金(铁镍合金)制成，它利用通常的半导体工艺，将玻莫合金薄膜附着在硅片上，如图2.1所示。薄膜的电阻率P(θ)依赖于磁化强度M和电流I方向之间的夹角e，具有以下关系式:

(2-1)

分别是电流I平行于M和垂直于M时的电阻率。

其中P、P

⊥

通常的磁阻效应传感器是一种单边封装的磁场传感器，它能测量与管脚平行方向的磁场。传感器由四条玻莫合金磁电阻组成一个非平衡电桥，即把它们接成惠斯通电桥形式，如图2.2所示。

图2.2惠斯通电桥结构

未加磁场时，四个桥臂的阻值相等，电桥处于平衡状态，输出为零；当有外加磁场时，电桥的阻值发生变化，如图2.2所示，电桥中位于相对位置的两个电阻阻值增大∆ R ，另外两个电阻的阻值减小∆ R ，电桥平衡被打破，输出电压信号：V out =(∆ R/R)V b 。显然当外加磁场向东时，输出为- V out ；而外加磁场向北时，输

出为0；由此得以导航。

目前，磁阻传感器的灵敏度和线性度已经能满足磁罗盘的要求，各方面的性能明显优于霍尔器件。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。但是磁阻传感器存在一个很重要的问题是其翻转效应，这是其原理所固有的。如果在使用前对磁性材料进行了磁化，以后若遇到了较强的相反方向的磁场(一般大于20高斯)就会对材料的磁化产生影响，从而改变磁阻传感器的输出特性，使输出信号减弱，灵敏度降低，在极端的情况下，会使磁化方向翻转1800。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。霍尼韦尔公司的一项专利，解决了这个问题。他们在硅片上制作一个置位/复位电流带，该电流带阻值4欧姆左右，磁化电流持续时间2微秒，电流强度达2}3安培，即可实现对磁矩的重新校准，使磁阻传感器恢复正常工作状态。

在了解磁阻传感器工作原理的基础上，为了清楚的说明磁阻电子罗盘测量载体地理航向角和姿态角的工作原理，需要对磁阻电子罗盘方向和姿态测量的几个角度参数作简单的说明。

（1）地磁偏角。地球本身是块大磁铁，地磁北极由地球内部的稳定磁场决定，地理北极在地球的旋转轴处，是地球上经线的汇聚处。地磁偏角就是地球南北极连线与地磁南北极连线交叉构成的夹角，本文用γ表示。地磁偏角如图2.3所示。根据规定，磁针指北极N 向东偏则磁偏角为正，向西偏则磁偏角为负。