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(guó)人注意到，一塊能自由移動(dòng)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(lái)，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(lái)制作羅盤。*早使用羅盤航海的人大概是中國(guó)的旅行家們。明朝時(shí)期的三寶太監(jiān)鄭和曾經(jīng)率領(lǐng)船隊(duì)七次下西洋，遠(yuǎn)至紅海、東非等地，就是靠羅盤來(lái)引導(dǎo)船隊(duì)的。
隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，人類的活動(dòng)范圍不斷擴(kuò)大，從深達(dá)數(shù)千米的地層、海底到外大氣層都有人類活動(dòng)的痕跡。伴隨著人類活動(dòng)領(lǐng)域的不斷擴(kuò)展，衛(wèi)星、飛機(jī)、導(dǎo)彈、運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的穩(wěn)定、微波通信天線的自動(dòng)跟蹤、勘探和探測(cè)等研究活動(dòng)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(wú)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(hào)通過處理可以實(shí)現(xiàn)數(shù)碼顯示，不僅可以用來(lái)指向，其數(shù)字信號(hào)可直接送到自動(dòng)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(dòng)和抗振性、航向精度較高、對(duì)干擾場(chǎng)有電子補(bǔ)償、可以集成到控制回路中進(jìn)行數(shù)據(jù)鏈接等優(yōu)點(diǎn)，因而廣泛應(yīng)用于航空、航天、機(jī)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(yùn)用也達(dá)到了一個(gè)****的水平。目前電子羅盤按照有無(wú)傾角補(bǔ)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(duì)它進(jìn)行磁化時(shí)，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(chǎng)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(shí)，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(gè)磁場(chǎng)B(被測(cè)磁場(chǎng))，就會(huì)使原來(lái)的磁化方向轉(zhuǎn)動(dòng)。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(gè)這樣的電阻組成，并將它們接成電橋。在被測(cè)磁場(chǎng)B作用下，電橋中位于相對(duì)位置的兩個(gè)電阻阻值增大，另外兩個(gè)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(cè)磁場(chǎng)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(diǎn)溫度漂移還可采用對(duì)傳感器進(jìn)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(chǎng)合能夠與磁通門競(jìng)爭(zhēng)。
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(duì)磁性材料進(jìn)行了磁化，此后如果遇到了較強(qiáng)的相反方向的磁場(chǎng)(大于20高斯)就會(huì)對(duì)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(huì)使磁化方向翻轉(zhuǎn)180 o。這種危險(xiǎn)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(duì)材料進(jìn)行磁化的磁場(chǎng)必須很強(qiáng)，如果采用外加線圈來(lái)產(chǎn)生周期性磁化磁場(chǎng)，就失去了小型化的意義，Honeywell公司的一項(xiàng)**，解決了這個(gè)問題。他們?cè)诠杵现谱髁艘粋€(gè)電流帶來(lái)產(chǎn)生磁化磁場(chǎng)，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(qiáng)度卻高達(dá)1到1.5安培。但這種方案對(duì)驅(qū)動(dòng)電路要求高，而且如果集成入微系統(tǒng)，這樣強(qiáng)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(zhǎng)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(qiáng)磁場(chǎng)B，則在其橫向會(huì)產(chǎn)生電壓差U，其大小與電流I、磁場(chǎng)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(chǎng)測(cè)量。這是因?yàn)榘雽?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(diǎn)是體積小，重量輕，功耗小，價(jià)格便宜，接口電路簡(jiǎn)單，特別適用于強(qiáng)磁場(chǎng)的測(cè)量。但是，它又有靈敏度低，噪聲大，溫度性能差等缺點(diǎn)。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(cè)量地磁場(chǎng)，但一般都是用于要求不高的場(chǎng)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(cè)磁場(chǎng)中鐵磁材料磁芯在交變磁場(chǎng)的飽和勵(lì)磁下其磁感應(yīng)強(qiáng)度與磁場(chǎng)強(qiáng)度的非線性關(guān)系來(lái)測(cè)量弱磁場(chǎng)的一種方法。應(yīng)用磁飽和法測(cè)量磁場(chǎng)的磁強(qiáng)計(jì)稱為磁飽和磁強(qiáng)計(jì)，也稱磁通門磁強(qiáng)計(jì)或鐵磁探針磁強(qiáng)計(jì)。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(dòng)勢(shì)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(cè)量探頭感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的全部頻譜，利用差分對(duì)磁飽和探頭能夠構(gòu)成磁飽和梯度計(jì)，可以測(cè)量非均勻磁場(chǎng)，同時(shí)利用梯度計(jì)能夠克服地磁場(chǎng)的影響和抑制外界的干擾。這種磁強(qiáng)計(jì)早在本世紀(jì)30年代開始用于地磁測(cè)量以來(lái)，不斷獲得發(fā)展與改進(jìn)，目前仍然是測(cè)量弱磁場(chǎng)的基本儀器之一。磁飽和磁強(qiáng)計(jì)分辨力較高測(cè)量弱磁場(chǎng)的范圍較寬，并且可靠、簡(jiǎn)易、價(jià)廉、耐用，能夠直接測(cè)量磁場(chǎng)的分量和適于在高速運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)中使用。因此，它廣泛應(yīng)用在各個(gè)領(lǐng)域中，如地磁研究、地質(zhì)勘探、武器偵察、材料無(wú)損探傷、空間磁場(chǎng)測(cè)量等。近年來(lái)，磁飽和磁強(qiáng)計(jì)在宇航工程中得到了重要的應(yīng)用，例如用來(lái)控制人造衛(wèi)星和火箭的姿態(tài)，還可以測(cè)繪來(lái)自太陽(yáng)的“太陽(yáng)風(fēng)”以及帶電粒子相互作用的空間磁場(chǎng)、月球磁場(chǎng)、行星磁場(chǎng)和行星際磁場(chǎng)的圖形。
雖然磁通門還存在處理電路相對(duì)較復(fù)雜、體積較大和功耗相對(duì)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(lái)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(diǎn),優(yōu)勢(shì)明顯,是電子羅盤的發(fā)展方向。