基于隧道磁阻传感器的三维电子罗盘设计

基于隧道磁阻传感器的三维电子罗盘设计∗

王琪;李孟委;王增跃;蒋孝勇;李锡广

【摘要】Existing electronic compass is vulnerable to be distracted by the Magnetic Field in external environment, which leads to low accuracy. To solve this problem,a three-dimensional electronic compass is designed based on Tunneling Magneto Resistance sensor and a prototype is made. The error characteristics of compass in a real envi-ronment is studied,and ellipse hypothesis are carried out to compensate the azimuth error after ellipsoid-fitting cor-rection. Through experimental tests,the compensation effect of the ellipse hypothesis method,which compensated az-imuth accuracy of up to 0.85° and effectively reducing 94.81% of the azimuth error. Experimental results show that applying TMR sensor to electronic compass is feasible.%针对现有电子罗盘在地磁场检测时易受到外界磁场干扰而导致测量精度不高的问题，设计了基于隧道磁阻传感器( TMR)的三维电子罗盘并完成样机制作。研究了实际环境中电子罗盘的误差特性，经椭球拟合校正后，采用基于椭圆假设的椭圆拟合方法对误差进行补偿，补偿后其方位角精度可达0.85°，有效降低94.81%的方位角误差。实验结果验证了TMR传感器在电子罗盘应用的可行性。

【期刊名称】《传感技术学报》

【年(卷),期】2015(000)006

【总页数】5页(P895-899)

【关键词】电子罗盘;隧道磁阻传感器;罗差补偿;椭圆拟合

【作者】王琪;李孟委;王增跃;蒋孝勇;李锡广

【作者单位】中北大学电子测试技术国家重点实验室，太原030051; 中北大学微

系统集成研究中心，太原030051;中北大学电子测试技术国家重点实验室，太原030051; 中北大学微系统集成研究中心，太原030051;中北大学电子测试技术国

家重点实验室，太原030051; 中北大学微系统集成研究中心，太原030051;中北

大学电子测试技术国家重点实验室，太原030051; 中北大学微系统集成研究中心，太原030051;中北大学电子测试技术国家重点实验室，太原030051; 中北大学微

系统集成研究中心，太原030051

【正文语种】中文

【中图分类】TP212

电子罗盘通过采集地磁场强度信号实现方位角检测,由于其成本低、灵活性好、无

累积误差等特点,可用于校正陀螺的累积误差,为传统自主导航系统提供稳定精确的

航向角,广泛应用于定向导航领域,如陀螺寻北仪的粗寻北[1]、捷联惯导初始对准[2]等。

目前,国外已成功将电子罗盘用于车载导航等领域,而国内很多单位正在开展对电子

罗盘的相关研究,并且取得不错的成果。其中对各向异性磁阻传感器(AMR)的电子

罗盘研究较多,郑州大学刘武发[3]和南京航空航天大学杨新勇[4]设计的基于AMR

传感器的三维电子罗盘航向精度分别为0.6°和0.8°,但AMR传感器灵敏度偏低,且

需置位/复位电路消除磁滞,使得电路复杂,不利于微小型化和降低成本;巨磁阻(GMR)传感器较AMR灵敏度偏高,中国科学院物理研究所的汤玉林[5],杭州电子科技大学的林乾浩[6]制作的基于GMR的三维电子罗盘精度为1°。但其信号强度较弱、信

噪比低决定了基于GMR传感器的电子罗盘的精度提升空间不大。隧道磁阻传感器(TMR)较之AMR和GMR传感器,有良好的温度稳定性,较高的灵敏度,更宽的线性范围,更低的功耗,因此本文拟基于TMR传感器开发出较高精度的电子罗盘。

隧道磁电阻效应(Tunneling Magneto Resistance,TMR)是指在外磁场变化时,某些磁性材料隧道结出现非常大的电阻变化的现象。TMR效应室温下磁阻变化率可达1056%[7],因此TMR传感器灵敏度极高,可用于弱磁场检测。TMR还具有功耗低、频响高等特点,适用于制作小型化高精度电子罗盘。

地磁场近似的可看为是一个棒状磁场,磁场分布由N极指向S级,在北半球地磁场倾斜指向下,如图1所示,地磁场的总矢量可分解为与地球表面平行的水平磁场分量Ho及与之垂直的磁场分量Hz,Ho与地磁场矢量的夹角称为磁倾角,Ho始终指向磁北方向,因此,通过对地磁水平分量的测量可以实现方位角的测量,这是电子罗盘设计的理论基础[8]。

Ho为两个正交水平放置的磁阻传感器测得的地磁场信号HX、HY的矢量和,其中,HX逆时针旋转至Ho的过程即为寻北的过程,该过程中HX划过的角度即为方位角。

由图1有:

反正切值域(-90°～90°),方位角范围(0～360°),因此:

磁北方向与真北方向的夹角称为磁偏角D,当磁北方向实际偏东时,地磁偏角为正,反之为负。因此真实的方位角可计算为:

方位角φ的测量是建立在电子罗盘所在载体坐标系与地理坐标系重合的基础上,而当电子罗盘系统所在平面与水平面不一致时,如图2所示,磁阻传感器的测量值无法直接表示Ho的两个水平分量,因此需要坐标变换,将磁传感器的测得的载体坐标系三轴上的分量换算到地理坐标系中[9-11]。

根据选取的载体坐标系“北东天”,该坐标系绕Y轴旋转θ,再绕X轴旋转γ,即还原