HMC1002磁阻傳感器芯片的實時流向測量系統(tǒng)

唐原廣，李保成

（中國海洋大學 海洋工程學院，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)律和人類海上活動都有著密切關(guān)系，而流向是海流必測要素。已經(jīng)實用化的方位傳感器有陀螺儀、GPS遙測、電子羅盤、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時流向測量系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)構(gòu)成

整個系統(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)過調(diào)理及放大電路輸出2路模擬信號，經(jīng)多路開關(guān)、A／D轉(zhuǎn)換器進入單片機，單片機數(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電路板放在一個萬向節(jié)式的垂擺內(nèi)，當垂擺隨其測量平臺發(fā)生傾斜時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磁敏感元件始終測量的是水平地磁場。

2.2 HMC1002工作原理

磁阻傳感器是利用磁原理測量地磁場沿載體坐標系分量，再將載體坐標系旋轉(zhuǎn)到地理坐標系下，通過數(shù)值計算、誤差校正可準確地得出載體的航向角。HMC1002傳感器是簡單的電阻電橋設備，只需要一個供電電壓便可測量磁場。HMC1002內(nèi)部電路如圖4所示。

圖4 HMC1002內(nèi)部電路

2.3 流向測量的具體實現(xiàn)

傳感器自身坐標系與地平坐標系方位關(guān)系如圖5所示。根據(jù)系統(tǒng)的設計要求及特征，系統(tǒng)中的具體應用為：已知地磁場的水平分量H與地球表面平行，指向地磁北極，因此測出水流方向與地磁場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X軸和Y軸方向上的磁場Hx和Hy，其矢量和即為地磁場水平分量H，當傳感器Y軸指向水流方向時，再將儀器自身坐標轉(zhuǎn)化為地平坐標，則有 Hx＝H·sinα，Hy＝H·cosα。

圖5 傳感器自身坐標系與地平坐標系方位關(guān)系

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

HMC1002有2種方式可以消除或減少溫度漂移、非線性錯誤、交叉軸影響，以及由于高磁場的存在而導致信號輸出的丟失：

① 利用偏置電流帶技術(shù)。特定大小的電流流過偏置電流帶可以消除任何環(huán)境磁場。例如為減少汽車羅盤應用中車體對地球磁場的影響，如果磁阻傳感器中的位置固定，則汽車對地球磁場的影響可以近似地看作為此磁場內(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場強大小相同，方向相反的磁場可以進行補償。偏置電流帶的另一種用途是可以驅(qū)動電流通過電流帶，將精確地抵消測量磁場。這被稱作閉環(huán)結(jié)構(gòu)，電流反饋信號是所施加磁場的直接度量。

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

3 軟件設計

HMC1002傳感器的測量流程如圖6所示。

圖6 HMC1002測量流程

結(jié) 語

雖然HMC1002通過設置，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)生了一個磁偏角β（磁針靜止時所指的北極與真正北極的夾角）。要得到真實的流向值α＊，還需要用磁偏角進行修正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量外，還可用于波浪浮標方向的測量。

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

［2］王鳳玲.基于傾角法的海流計設計［D］.青島：中國海洋大學，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.單片機原理及其接口技術(shù)［M］.北京：清華大學出版社，2004.