一、概述
早期的羅盤是用“磁鐵礦”或稱“天然磁石”，即一種黑色的、有天然磁性的鐵氧化物做成的。中國人注意到，一塊能自由移動的磁鐵石總是指著南北方向，他們把這種羅盤稱為“指南針”。后來，他們通過在漂浮于一碗水里的木制圓盤上安裝一塊磁鐵來制作羅盤。*早使用羅盤航海的人大概是中國的旅行家們。明朝時期的三寶太監(jiān)鄭和曾經(jīng)率領(lǐng)船隊七次下西洋，遠至紅海、東非等地，就是靠羅盤來引導(dǎo)船隊的。
隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，人類的活動范圍不斷擴大，從深達數(shù)千米的地層、海底到外大氣層都有人類活動的痕跡。伴隨著人類活動領(lǐng)域的不斷擴展，衛(wèi)星、飛機、導(dǎo)彈、運動平臺的穩(wěn)定、微波通信天線的自動跟蹤、勘探和探測等研究活動都需要定向?qū)Ш郊夹g(shù)。因此，定向?qū)Ш郊夹g(shù)的研究在科學(xué)研究、工程領(lǐng)域中具有重要的意義。目前定向?qū)Ш郊夹g(shù)主要有無線電航向儀、陀螺儀、磁羅經(jīng)和電子羅盤等幾種。
電子羅盤，又稱數(shù)字羅盤，在現(xiàn)代技術(shù)條件中電子羅盤作為導(dǎo)航儀器或姿態(tài)傳感器已被廣泛應(yīng)用。電子羅盤與傳統(tǒng)指針式和平衡架結(jié)構(gòu)羅盤相比能耗低、體積小、重量輕、精度高、可微型化，其輸出信號通過處理可以實現(xiàn)數(shù)碼顯示，不僅可以用來指向，其數(shù)字信號可直接送到自動舵，控制船舶的操縱。目前，廣為使用的是三軸捷聯(lián)磁阻式數(shù)字磁羅盤，這種羅盤具有抗搖動和抗振性、航向精度較高、對干擾場有電子補償、可以集成到控制回路中進行數(shù)據(jù)鏈接等優(yōu)點，因而廣泛應(yīng)用于航空、航天、機器人、航海、車輛自主導(dǎo)航等領(lǐng)域。
二、電子羅盤的分類
隨著微電子集成技術(shù)以及加工工藝、材料技術(shù)的不斷發(fā)展。電子羅盤的研究制造與運用也達到了一個****的水平。目前電子羅盤按照有無傾角補償可以分為平面電子羅盤和三維電子羅盤,也可以按照傳感器的不同分為磁阻效應(yīng)傳感器、霍爾效應(yīng)傳感器和磁通門傳感器。
2.1磁阻效應(yīng)傳感器
磁阻效應(yīng)傳感器是根據(jù)磁性材料的磁阻效應(yīng)制成的。磁性材料(如坡莫合金)具有各向異性，對它進行磁化時，其磁化方向?qū)⑷Q于材料的易磁化軸、材料的形狀和磁化磁場的方向。如下圖2-1所示，當(dāng)給帶狀坡莫合金材料通電流I時，材料的電阻取決于電流的方向與磁化方向的夾角。如果給材料施加一個磁場B(被測磁場)，就會使原來的磁化方向轉(zhuǎn)動。如果磁化方向轉(zhuǎn)向垂直于電流的方向，則材料的電阻將減小;如果磁化方向轉(zhuǎn)向平行于電流的方向，則材料的電阻將增大。磁阻效應(yīng)傳感器一般有四個這樣的電阻組成，并將它們接成電橋。在被測磁場B作用下，電橋中位于相對位置的兩個電阻阻值增大，另外兩個電阻的阻值減小。在其線性范圍內(nèi)，電橋的輸出電壓與被測磁場成正比。
圖2-1 磁阻效應(yīng)
磁阻傳感器已經(jīng)能制作在硅片上，并形成產(chǎn)品。其靈敏度和線性度已經(jīng)能滿足磁羅盤的要求，各方面的性能明顯由于霍爾器件。遲滯誤差和零點溫度漂移還可采用對傳感器進行交替正向磁化和反向磁化的方法加以消除。由于磁阻傳感器的這些優(yōu)越性能，使它在某些應(yīng)用場合能夠與磁通門競爭。
磁阻傳感器的主要問題是其翻轉(zhuǎn)效應(yīng),這是其原理所固有的。如前所述，在使用前對磁性材料進行了磁化，此后如果遇到了較強的相反方向的磁場(大于20高斯)就會對材料的磁化產(chǎn)生影響，從而影響傳感器的性能。在極端情況下，會使磁化方向翻轉(zhuǎn)180 o。這種危險雖然可以利用周期性磁化的方法加以消除，但仍存在問題。對材料進行磁化的磁場必須很強，如果采用外加線圈來產(chǎn)生周期性磁化磁場，就失去了小型化的意義，Honeywell公司的一項**，解決了這個問題。他們在硅片上制作了一個電流帶來產(chǎn)生磁化磁場，該電流帶的阻值只有5歐姆左右。雖然磁化電流只持續(xù)1-2毫秒，但電流強度卻高達1到1.5安培。但這種方案對驅(qū)動電路要求高，而且如果集成入微系統(tǒng)，這樣強的脈沖電流將威脅系統(tǒng)中的微處理器等其它電路的可靠性。
2.2霍爾效應(yīng)傳感器
霍爾效應(yīng)磁傳感器的工作原理如圖2-2所示。如果沿矩形金屬薄片的長方向通電流I，由于載流子受洛侖茲力作用，在垂直于薄片平面的方向施加強磁場B，則在其橫向會產(chǎn)生電壓差U，其大小與電流I、磁場B和材料的霍爾系數(shù)R成正比，與金屬薄片的厚度d反比。100多年前發(fā)現(xiàn)的霍爾效應(yīng)，由于一般材料的霍爾系數(shù)都很小而難以應(yīng)用，直到半導(dǎo)體問世后才真正用于磁場測量。這是因為半導(dǎo)體中的載流子數(shù)量少??如果給它通的電流與金屬材料相同，那么半導(dǎo)體中載流子的速度就更快，所受到的洛侖茲力就更大，因而霍爾效應(yīng)的系數(shù)也就更大。
霍爾效應(yīng)磁傳感器的優(yōu)點是體積小，重量輕，功耗小，價格便宜，接口電路簡單，特別適用于強磁場的測量。但是，它又有靈敏度低，噪聲大，溫度性能差等缺點。雖然有些高靈敏度或采取了聚磁措施霍爾器件也能用于測量地磁場，但一般都是用于要求不高的場合。
2.3磁通門傳感器
磁飽和法是基于磁調(diào)制原理，即利用被測磁場中鐵磁材料磁芯在交變磁場的飽和勵磁下其磁感應(yīng)強度與磁場強度的非線性關(guān)系來測量弱磁場的一種方法。應(yīng)用磁飽和法測量磁場的磁強計稱為磁飽和磁強計，也稱磁通門磁強計或鐵磁探針磁強計。磁飽和法大體劃分為諧波選擇法和諧波非選擇法兩大類。諧波選擇法只是考慮探頭感應(yīng)電動勢的偶次諧波(主要是二次諧波)，而濾去其他諧波；諧波非選擇法是不經(jīng)濾波而直接測量探頭感應(yīng)電動勢的全部頻譜，利用差分對磁飽和探頭能夠構(gòu)成磁飽和梯度計，可以測量非均勻磁場，同時利用梯度計能夠克服地磁場的影響和抑制外界的干擾。這種磁強計早在本世紀(jì)30年代開始用于地磁測量以來，不斷獲得發(fā)展與改進，目前仍然是測量弱磁場的基本儀器之一。磁飽和磁強計分辨力較高測量弱磁場的范圍較寬，并且可靠、簡易、價廉、耐用，能夠直接測量磁場的分量和適于在高速運動系統(tǒng)中使用。因此，它廣泛應(yīng)用在各個領(lǐng)域中，如地磁研究、地質(zhì)勘探、武器偵察、材料無損探傷、空間磁場測量等。近年來，磁飽和磁強計在宇航工程中得到了重要的應(yīng)用，例如用來控制人造衛(wèi)星和火箭的姿態(tài)，還可以測繪來自太陽的“太陽風(fēng)”以及帶電粒子相互作用的空間磁場、月球磁場、行星磁場和行星際磁場的圖形。
雖然磁通門還存在處理電路相對較復(fù)雜、體積較大和功耗相對較大的問題，但隨著微系統(tǒng)、微型磁通門和低功耗磁通門的研究，這些問題可以得到解決。
從三者的比較來看,目前基于磁電阻傳感器的電子羅盤具有體積小、響應(yīng)速度快等優(yōu)點,優(yōu)勢明顯,是電子羅盤的發(fā)展方向。