Магнитоиндуктивный датчик

Магнитоиндуктивный магнитометр измеряет магнитное поле по его влиянию на индуктивность катушки проволоки или соленоида. Катушка используется в качестве индуктивного элемента в индукторе/резисторе генератора разрывных колебаний (релаксационном генераторе). По мере изменения окружающего поля изменяется и индуктивность катушки. Это в свою очередь изменяет частоту генератора, которая может быть измерена по силе компонента поля, параллельного оси катушки. Магнитоиндуктивные датчики появились сравнительно недавно, первый патент на них был выдан в 1989 году.

Также как и в других видах магнитных датчиков, для определения направления в горизонтальной плоскости, а следовательно и направления на северный магнитный полюс, необходимо закрепить два таких датчика перпендикулярно друг другу на горизонтальной плоскости. Двухосевой датчик можно закрепить с помощью карданного шарнира для поддержания его в горизонтальном положении, а трехосевой датчик можно использовать совместно с креномером. В настоящее время многие автомобильные компасы производятся на основе магнитоиндуктивных датчиков.

Магниторезистивный датчик

Анизотропные магниторезистивные (АМР) датчики представляют собой специальные резисторы, сделанные из тонкой пермаллоевой пленки, помещенной на кремниевую пластину. При их производстве, пленка помещается в сильное магнитное поле для ориентации магнитных областей в одинаковом направлении, определяя тем самым направление вектора намагничивания. Затем, при попадании во внешнее магнитное поле, перпендикулярное пленке, вектор намагничивания начинает вращаться или изменять угол. Это, в свою очередь, меняет сопротивление пленки. Если включить АМР прибор в электрическую схему, такую как мост Уитстона, то изменение сопротивления можно обнаружить по изменению в напряжении, а потом высчитать силу воздействующего магнитного поля. В 1856 году Вилльям Томпсон и Лорд Кельвин впервые описали магниторезистивный эффект.

Магниторезистивные датчики с одной, двумя или тремя осями могут быть очень миниатюрными по размеру. Например, датчик с тремя осями можно произвести с площадью основания 2.8 мм на 8.1 мм и высотой в 4.0 мм. Такие транзисторные аломощные датчики могут выпускаться либо отдельно, либо встроенными в другие изделия. При правильной калибровке электронные компасы на магниторезистивных датчиках могут достигать точности, превышающей один градус. Встроенные компасы в некоторых GPS приемниках основаны именно на данной технологии.

Калибровка компасов

Компас реагирует на векторную сумму магнитного поля Земли и всех накладывающихся на него полей. В зависимости от силы последних значительно понижается точность компаса. Индуцированный магнетизм в железистых сплавах, таких как железо или сталь ("мягкое железо"), находящихся вблизи компаса, влияет на окружающее магнитное поле, также как и объекты, обладающие остаточным магнетизмом ("твердое железо"). Даже автомобильные динамики и статический разряд от нейлоновой одежды могут повлиять на точность показаний компаса. Следовательно, то направление, которое указывает компас, называется север компаса, и в общем случае оно отличается от направления на северный магнитный полюс. Эта разница в градусах называется девиацией магнитного компаса. Если действие накладывающегося поля постоянно, то компас можно откорректировать или калибровать так, чтобы он учитывал влияние этого поля.

Традиционный компас, зафиксированный на какой-либо платформе (например, на корабле), можно настроить так, чтобы он компенсировал магнитное отклонение. Для этого необходимо разместить небольшие магнитики и/или кусочки железистого материала в определенных местах вокруг компаса. Такая настройка компаса может оказаться сложной и долгой. Также компас можно легко калибровать, просто отмечая ошибки компаса по ряду заранее известных направлений. Такой метод называется “колебанием компаса”. Электронные компасы тоже необходимо калибровать для исправления отклонений и других возможных ошибок, таких как масштабный коэффициент и ошибки при несовпадении осей. Хотя метод “колебания компаса” также представляется возможным использовать при калибровке электронных компасов, но здесь есть несколько основных недостатков. Во-первых, для данного метода требуется заранее знать точные направления, что может быть не всегда легко доступно. Во-вторых, отклонение частично зависит и от силы локального геомагнитного поля. Если калибровка производится на одном месте, она может оказаться неприемлемой на другом. В-третьих, данный метод не подходит, если электронный компас состоит из трех ортогональных датчиков.

Исследователями из Стэнфордского университета был разработан альтернативный метод, который не зависит от направления опоры компаса и местоположения объекта. Метод калибровки основывается на том, что все точки, в которых измерения безошибочны, при двух перпендикулярно закрепленных датчиках, образуют круг. Таким образом, при вращении модуля с датчиками по кругу, выходной сигнал обоих датчиков должен представлять собой синусоидальную волну одинаковой величины, причем фаза одного выходного сигнала должна отличаться от фазы другого на 90 градусов. Если B_H – это величина горизонтальной составляющей геомагнитного поля, B_x и B_y ,– горизонтальные составляющие в системе отсчета, связанной с носителем компаса, например, автомобилем, а Y – направление машины, то

Это уравнение окружности с центром в начале условной системы координат опоры. Радиус окружности равен горизонтальному компоненту локального геомагнитного поля. Обычно его можно вычислить с помощью одной из моделей глобального поля. Влияние отклонений и других ошибок будет видоизменять круг, меняя его форму и/или местоположение его центра.

Воздействие элементов “твердого железа” добавляет константу к величине поля вдоль каждой оси выходного сигнала датчиков, что приводит к смещению центра окружности, в то время как влияние “мягкого железа” и масштабные ошибки датчиков превращают окружность в эллипс. В конечном счете получается эллипс со смещенным центром, представленный уравнением:

где B_x и B_y – это выходные сигналы датчиков, dB_x и dB_y – это смещения геомагнитного поля, вызванные влиянием “твердого железа”, а s_x и s_y – это масштабные коэффициенты для учета ошибок масштабирования датчиков и влияния “мягкого железа”. Считается, что ошибка выравнивания датчиков не существует (датчики ортогональны и расположены в горизонтальной плоскости). Если такая ошибка имеет место, то эллипс будет вращаться таким образом, чтобы его оси не будут параллельны привязанным к корпусу осям x и y. В уравнении 3 содержатся четыре неизвестных величины. Эти величины могут быть вычислены с помощью нелинейного математического метода, используя измерения, полученные при вращении модуля с датчиками в горизонтальной плоскости. Нет необходимости вращать модуль на все 360 градусов, но чем больше сегмент испытания эллипса, тем меньше влияние измерительных помех. На практике, в зависимости от чувствительности модуля может потребоваться один или два полных поворота для правильной калибровки компаса. После одного вычисления значения параметров могут быть сохранены в памяти и использованы для поправки последующих измерений компаса.

Обычно данный или какой-либо другой метод калибровки включается в контроллер микропроцессора коммерческих компасных модулей, также как и в GPS приемниках со встроенным компасом. Для конкретного прибора рекомендуется проводить калибровку вдалеке от металлических объектов. В этом случае необходимо будет учитывать только масштабирование и магнитное влияние самого корпуса.

Калибровка может быть применена и для систем трех ортогональных друг другу датчиков. В таком случае вычисляются параметры эллипсоида, а модуль с датчиками должен вращаться и в горизонтальной, и в вертикальной плоскостях.

Некоторые электронные компасы имеют функцию самокалибровки. Внутри прибора создается маленькое магнитное поле и оно изменяется под управлением процессора. Реакция на изменение поля используется для калибровки компаса.