電子指南針

本文介紹了電子指南針的工作原理及電路設計，同時給出了其抗干擾設計以及信號和數據的處理方法。

Z1和Z4為翻轉線圈，Z2和Z3為補償線圈。由於環境温度可能會影響系統精度，因此，在高精度系統中，可以通過補償線圈對其進行補償。內部有兩個正交的磁場傳感器? 分別對應二維平面的X軸和Y軸。磁場傳感器的原理是利用磁阻（MR）組成磁式結構，這樣可改變電磁物質在外部磁場中的電阻係數。以便在磁場傳感器的翻轉線圈Z1和Z2上加載翻轉電信號後使之能夠產生變化的磁場。由於該變化磁場會造成磁阻變化（ΔR）0並將其轉化成變化的差動電壓輸出，這樣，就能根據磁場大小正比於輸出差動電壓的原理，分別讀取對應的兩軸信號，然後再進行處理計算即可得到偏轉角度。整個電子指南針系統主要由傳感器單元、信號調整單元（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計框圖如圖2所示。圖2中，磁場傳感器KMZ52用於將地磁場信號轉化成電信號輸出，信號調整單元用於將磁場傳感器單元中的輸出信號成比例放大，並將其轉換成合適的信號hex和hey，同時消除信號的偏移。對於保證系統的精度來説，SCU是最重要的部件。通過DDU可將信號調整單元輸出的兩路信號hex和 hey進行放大，然後再按下式計算出偏轉角度α：α=arctan?hey/hex　這樣根據抗干擾技術算法對α進行處理就可得出該磁場的偏轉角度，最後通過顯示單元進行輸出。 ^[1] 

內部橋式結構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，可以將二者的翻轉線圈串聯，並對差動電壓選用同樣的運放結構。翻轉信號從①口輸入，X、Y軸差動電壓信號則分別從②、③口輸出。然後通過處理系統對傳來的信號進行A/D採樣、數值處理和校正後，即可得到所求的角度。 ^[2] 

由於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恆值。兩路信號幅值與角度的關係如圖1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值變化較小的角度範圍內，使幅值保持基本不變；而在幅值較小且數值變化較大的角度範圍內，用一個函數改變其幅值變化曲線。具體實現時，可按照一定角度對曲線進行分段，並對各段用一次函數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。若採用高階函數去擬合，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。 ^[2] 

有時候，某些外來磁場疊加會產生一個恆定磁場，這個磁場對系統指示將造成影響。故可採用如下方法對其進行校正：讓整個系統在水平面上旋轉一週，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，再經過校正，即可消除磁場的影響。 設地球磁場的大小為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。然後在α上加上γ角即可消除干擾磁場的影響。 ^[2]