磁阻傳感器及其在飛行體姿態(tài)測試中的應(yīng)用

鮑松堂

（五邑大學(xué) 研究生處，廣東 江門 529020）

磁阻傳感器及其在飛行體姿態(tài)測試中的應(yīng)用

鮑松堂

（五邑大學(xué) 研究生處，廣東 江門 529020）

介紹一種新型高靈敏度磁阻傳感器的工作原理和使用方法，并用該傳感器對飛行體的姿態(tài)進(jìn)行了測量. 根據(jù)線圈切割地磁場磁力線產(chǎn)生感應(yīng)電動勢的原理，通過理論推導(dǎo)得出飛行體姿態(tài)測試的計算方法，設(shè)計了一種基于磁阻傳感器的姿態(tài)測量系統(tǒng)，并對其實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析和處理.

磁阻傳感器；姿態(tài)測量；地磁場

制導(dǎo)兵器一直是各國競相發(fā)展的精確打擊武器，其研制需要大量的數(shù)據(jù)，其中尤以姿態(tài)數(shù)據(jù)最為重要. 國內(nèi)外對這項工作非常重視，投入了大量人力、物力進(jìn)行深入研究. 國外主要采用陀螺儀和遙測測量飛行體的姿態(tài). 陀螺儀是用來測量和控制飛行體運(yùn)動姿態(tài)與軌跡的核心部件，由于傳統(tǒng)的陀螺儀有轉(zhuǎn)動部件、慣性大，有機(jī)械磨損，因此存在許多不足，如壽命短、尺寸大、價格昂貴等.本文提出一種新的姿態(tài)測量方法，即利用大地磁場特性，將三維磁阻傳感器測量的地磁場矢量的3個分量通過遙測天線發(fā)送到地面遙測站，經(jīng)接收處理后用于確定高速旋轉(zhuǎn)飛行體的轉(zhuǎn)速和姿態(tài).

1 磁阻傳感器與姿態(tài)測量原理

地球本身具有一定的磁性，地磁場存在于地球及近地面的空間里. 物質(zhì)在磁場中電阻發(fā)生變化的現(xiàn)象稱為磁電阻效應(yīng)，磁電阻效應(yīng)有普通與各向異性磁電阻效應(yīng)之分. 各向異性磁電阻效應(yīng)是指：當(dāng)外加磁場偏離強(qiáng)磁性金屬（鐵、鈷及其合金）內(nèi)部的磁化方向時，金屬的電阻值將減小，但是當(dāng)外加磁場平行于磁體內(nèi)部磁化方向時，電阻幾乎不隨外加磁場變化[1].

本系統(tǒng)采用HONEYWELL公司生產(chǎn)的二維磁阻傳感器HMC1022和一維磁阻傳感器HMC1021Z作為測量元件，由二者構(gòu)成3軸測量磁場3個方向的矢量hx、hy、hz. 磁阻傳感器具有精度高、分辨率高、體積小、功耗低、成本低和工作范圍寬等特點，磁阻傳感器磁場線性范圍為(?6~ 6) ×10?4T ，可檢測到低至 8.5× 10?9T 的磁場，適合于弱磁場的測量. 該磁阻傳感器使用標(biāo)準(zhǔn)的半導(dǎo)體工藝將薄膜鍍在特定的硅片上，薄膜的電阻率隨磁化強(qiáng)度M和電流I方向的夾角而變化，即

其中ρ2、ρ1分別表示電流I平行于磁化強(qiáng)度M和垂直于磁化強(qiáng)度M時電阻率[2].

記地理坐標(biāo)系Oxyz是系統(tǒng)參考坐標(biāo)系，設(shè)地磁強(qiáng)度為h，在地理坐標(biāo)系3個軸上的分量為hx、hy、hz，磁阻傳感器磁測探頭沿載體坐標(biāo)系Obxbybzb的 3個軸方向安裝，彈軸地磁強(qiáng)度在載體坐標(biāo)系 3個軸上的分量為hbx、hby、hbz. 地磁強(qiáng)度在地理坐標(biāo)系和載體坐標(biāo)系各軸上的投影可由兩坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換矩陣來表示：

式中：ψ為偏航角，θ為俯仰角，γ為滾轉(zhuǎn)角.

由于假定彈丸飛行過程中地磁場保持恒定，式（2）只能提供2個獨(dú)立的方程，因此需要預(yù)知ψ、θ、γ其中的1個角才能確定其他2個角.

1）若已知偏航角ψ，則由式（2）可得

2）若已知俯仰角θ，則由式（2）可得

3）若已知滾轉(zhuǎn)角γ，則由式（2）可得

2 硬件設(shè)計

HMC1022和HMC1021Z的主要技術(shù)指標(biāo)：靈敏度為 0.01 μV/mT；分辨率為8.5× 10?9T ；磁場測量范圍(?6~ 6) × 10?4T .

圖1 系統(tǒng)硬件框圖

圖2 滾轉(zhuǎn)運(yùn)動磁阻傳感器的輸出波形

3 試驗測試數(shù)據(jù)分析

本文將采集電路固定在實驗室的無磁性轉(zhuǎn)臺的導(dǎo)引頭上，模擬彈的飛行，并對所測得數(shù)據(jù)進(jìn)行分析. 按照滾轉(zhuǎn)、俯仰、偏航 3種運(yùn)動規(guī)律進(jìn)行試驗，對滾轉(zhuǎn)運(yùn)動的測試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并驗證該系統(tǒng)的準(zhǔn)確性、可靠性和數(shù)據(jù)的有效性.

3.1 滾轉(zhuǎn)運(yùn)動數(shù)據(jù)分析

將三維磁阻傳感器姿態(tài)角測試系統(tǒng)固定在無磁性轉(zhuǎn)臺上，以2.6r/s的轉(zhuǎn)速進(jìn)行滾轉(zhuǎn)運(yùn)動，采集得到的波形見圖2. 從圖 2的波形可以看出，該測試信號的波形光滑、噪聲??；y方向和z方向輸出的是二維磁阻傳感器HMC1022的信號. 滾轉(zhuǎn)運(yùn)動是其敏感方向，測試到的y、z方向的波形是規(guī)則的正弦波，準(zhǔn)確反映了彈的滾轉(zhuǎn)運(yùn)動規(guī)律. 理論上講，在只有滾轉(zhuǎn)運(yùn)動時，x軸（導(dǎo)引頭方向）為非敏感方向，因此x方向的輸出應(yīng)為常數(shù)，波形應(yīng)為一條直線. 但由于無磁性轉(zhuǎn)臺在滾轉(zhuǎn)時電機(jī)的轉(zhuǎn)動致使轉(zhuǎn)臺橫軸有輕微的振動，進(jìn)而導(dǎo)致x方向磁阻傳感器在一定范圍內(nèi)有輸出，x方向的小正弦波即反映了主軸的微小振動，與實際運(yùn)動情況相符.

3.2 測試數(shù)據(jù)頻譜分析

利用 MATLAB軟件對圖 2中的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，選用一組典型的曲線進(jìn)行頻譜分析說明滾轉(zhuǎn)運(yùn)動在x和y軸上的信號特征.

圖2的模擬試驗是在低速旋轉(zhuǎn)下測試的，因此在作頻譜分析時，主要分析低頻段的頻譜信息. 該運(yùn)動的頻譜曲線如圖3所示. 由圖3看出，y方向和z方向的頻譜主要集中在2.6 Hz附近，與實際轉(zhuǎn)速為2.6 r/s的運(yùn)動規(guī)律相同，y、z方向信號頻譜的相似也反映了磁阻傳感器的高靈敏度.

圖3 滾轉(zhuǎn)運(yùn)動測試曲線頻譜分析圖

4 結(jié)論

本系統(tǒng)選用HONEYWELL公司生產(chǎn)的HMC1022和HMC1021Z磁阻傳感器來測量地磁場的主要參量hx、hy、hz，所測數(shù)據(jù)與陀螺傳感器、加速度傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行信息融合，用于確定彈的飛行姿態(tài). 結(jié)果表明：測試精度滿足使用要求. 由于本系統(tǒng)具有抗高過載能力和性價比高等特點，因此，它對旋轉(zhuǎn)飛行體的姿態(tài)測量具有一定的推廣價值.

[1]王國余，張欣，景亮. 新型磁阻傳感器在地磁場測量中的應(yīng)用[J]. 傳感器技術(shù)，2002, 21(10): 43-45.

[2]劉曉娜，馬鐵華，范錦彪，等. 基于磁阻傳感器的微型姿態(tài)測試電路[J]. 傳感器與儀器儀表，2008, 24(8): 169-170.

[3]馬鐵華. 地磁場傳感器測自旋彈飛行姿態(tài)[J]. 測試技術(shù)學(xué)報，1988(2): 305-307.

[4]孫雪峰，熊沈蜀，周兆英，等. 磁阻式傳感器的SET/RESET電路設(shè)計及應(yīng)用[J]. 電測與儀表，2003,40(7): 1 22-25.

[5]馬鐵華. 存儲測試技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用及特種傳感技術(shù)研究[D]. 北京：北京理工大學(xué)，1999.

[責(zé)任編輯：孫建平]

The Magneto-resistance Sensor and Its Application in Measuring Attitude of Flying Bodies

BAO Song-tang
(Graduate Department, Wuyi University, Jiangmen 529020, China)

The function and use of a new type of high sensitive magneto-resistance sensor for measuring the attitude of flying objects are introduced. According to the principle that a coil cutting the magnetic line of a geomagnetic field will induce electromotive force, a calculating method for testing the attitude of flying objects is derived; also an attitude measurement system based on the magneto-resistive sensor is designed and experimental data obtained from it is analyzed and processed.

magneto-resistance sensor; attitude measurement; geomagnetic filed

TN379

A

1006-7302（2010）02-0004-52

2010-03-05

鮑松堂（1977—），男，山東煙臺人，助教，碩士，研究方向：計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)安全、計算機(jī)仿真、粗集理論等，E-mail: baosongtang@163.com.