HMC1002磁阻傳感器芯片的實(shí)時(shí)流向測(cè)量系統(tǒng)

唐原廣，李保成

（中國(guó)海洋大學(xué) 海洋工程學(xué)院，青島 266100）

引 言

海流作為海洋水文三大要素之一，在海洋調(diào)查中極其重要，它與海洋水文規(guī)律和人類(lèi)海上活動(dòng)都有著密切關(guān)系，而流向是海流必測(cè)要素。已經(jīng)實(shí)用化的方位傳感器有陀螺儀、GPS遙測(cè)、電子羅盤(pán)、磁阻傳感器等。本文介紹了一種基于HoneyWell公司的HMC1002雙軸磁阻傳感器的實(shí)時(shí)流向測(cè)量系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)構(gòu)成

整個(gè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

雙軸磁阻傳感器HMC1002經(jīng)過(guò)調(diào)理及放大電路輸出2路模擬信號(hào)，經(jīng)多路開(kāi)關(guān)、A／D轉(zhuǎn)換器進(jìn)入單片機(jī)，單片機(jī)數(shù)字處理后即輸出方位。HMC1002放大電路如圖2所示。

圖2 HMC1002放大電路

2 方位傳感器組成及工作原理

2.1 方位傳感器組成

方位傳感器由HMC1002雙足磁阻傳感器、放大電路、垂擺等組成。HMC1002放大電路印制板如圖3所示。

圖3 HMC1002放大電路印制板

HMC1002電路板放在一個(gè)萬(wàn)向節(jié)式的垂擺內(nèi)，當(dāng)垂擺隨其測(cè)量平臺(tái)發(fā)生傾斜時(shí)垂擺繞其擺心仍保持鉛直狀態(tài)，從而保證磁阻敏元件的兩個(gè)互相垂直的敏感方向軸所在平面水平，即保證HMC1002磁敏感元件始終測(cè)量的是水平地磁場(chǎng)。

2.2 HMC1002工作原理

磁阻傳感器是利用磁原理測(cè)量地磁場(chǎng)沿載體坐標(biāo)系分量，再將載體坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)到地理坐標(biāo)系下，通過(guò)數(shù)值計(jì)算、誤差校正可準(zhǔn)確地得出載體的航向角。HMC1002傳感器是簡(jiǎn)單的電阻電橋設(shè)備，只需要一個(gè)供電電壓便可測(cè)量磁場(chǎng)。HMC1002內(nèi)部電路如圖4所示。

圖4 HMC1002內(nèi)部電路

2.3 流向測(cè)量的具體實(shí)現(xiàn)

傳感器自身坐標(biāo)系與地平坐標(biāo)系方位關(guān)系如圖5所示。根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求及特征，系統(tǒng)中的具體應(yīng)用為：已知地磁場(chǎng)的水平分量H與地球表面平行，指向地磁北極，因此測(cè)出水流方向與地磁場(chǎng)水平分量之間的夾角即可知道流向。將磁阻傳感器放置在水平面上，則能感應(yīng)X軸和Y軸方向上的磁場(chǎng)Hx和Hy，其矢量和即為地磁場(chǎng)水平分量H，當(dāng)傳感器Y軸指向水流方向時(shí)，再將儀器自身坐標(biāo)轉(zhuǎn)化為地平坐標(biāo)，則有 Hx＝H·sinα，Hy＝H·cosα。

圖5 傳感器自身坐標(biāo)系與地平坐標(biāo)系方位關(guān)系

水流與地磁場(chǎng)水平分量H之間的夾角α，根據(jù)方位角定義，在不同情況下，有不同的計(jì)算公式。

HMC1002有2種方式可以消除或減少溫度漂移、非線(xiàn)性錯(cuò)誤、交叉軸影響，以及由于高磁場(chǎng)的存在而導(dǎo)致信號(hào)輸出的丟失：

① 利用偏置電流帶技術(shù)。特定大小的電流流過(guò)偏置電流帶可以消除任何環(huán)境磁場(chǎng)。例如為減少汽車(chē)羅盤(pán)應(yīng)用中車(chē)體對(duì)地球磁場(chǎng)的影響，如果磁阻傳感器中的位置固定，則汽車(chē)對(duì)地球磁場(chǎng)的影響可以近似地看作為此磁場(chǎng)內(nèi)的位移，或者偏置。如果此偏置可以確定，那么利用偏置電流帶施加一個(gè)場(chǎng)強(qiáng)大小相同，方向相反的磁場(chǎng)可以進(jìn)行補(bǔ)償。偏置電流帶的另一種用途是可以驅(qū)動(dòng)電流通過(guò)電流帶，將精確地抵消測(cè)量磁場(chǎng)。這被稱(chēng)作閉環(huán)結(jié)構(gòu)，電流反饋信號(hào)是所施加磁場(chǎng)的直接度量。

② 利用裝在芯片內(nèi)部的“置位／復(fù)位”電流帶，加以3.5A以上的脈沖電流（80Oe時(shí)）即可以重新校準(zhǔn)或反置傳感器內(nèi)的敏感元件，該脈沖寬度可短至2μs，連續(xù)脈沖時(shí)平均耗電少于1mA（DC）。可選定為每50ms有一個(gè)2 μs脈寬或者更長(zhǎng)的脈沖以節(jié)電。唯一的要求是每個(gè)脈沖只在一個(gè)方向上施加。通過(guò)2次置位、復(fù)位操作，置位和復(fù)位的電壓輸出之差正是磁場(chǎng)值的2倍減去失調(diào)輸出，這是因?yàn)樵谥梦缓蛷?fù)位的條件下，傳感器的傳輸特性曲線(xiàn)斜率一正一負(fù)，剛好抵消了橋路的失調(diào)輸出。本文利用第2種方式消除、減少信號(hào)輸出的丟失。

3 軟件設(shè)計(jì)

HMC1002傳感器的測(cè)量流程如圖6所示。

圖6 HMC1002測(cè)量流程

結(jié) 語(yǔ)

雖然HMC1002通過(guò)設(shè)置，自身可以矯正，但地理上的北極和磁北極并不完全一致，因此產(chǎn)生了一個(gè)磁偏角β（磁針靜止時(shí)所指的北極與真正北極的夾角）。要得到真實(shí)的流向值α＊，還需要用磁偏角進(jìn)行修正α＊＝α±β。通常情況也可以用方位傳感器矯正儀矯正，HMC1002除可以用于海流流向測(cè)量外，還可用于波浪浮標(biāo)方向的測(cè)量。

［1］王娟.SZF型方位傳感器方位定標(biāo)測(cè)試方法［J］.海洋技術(shù)，2009（2）：1－2.

［2］王鳳玲.基于傾角法的海流計(jì)設(shè)計(jì)［D］.青島：中國(guó)海洋大學(xué)，2008：23－29.

［3］Honeywell.1－and 2－Axis Magnetic Sensors HMC1001／1002／1021／1022［EB／OL］.［2011－05］.http：／／www.honeywell.com.

［4］胡漢才.單片機(jī)原理及其接口技術(shù)［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2004.