【文章內容簡介】 微觀上】 F=qvBSinθ 地磁場 （ geomagic field）是從地心至磁層頂?shù)目臻g范圍內的磁場。地磁學的主要研究對象。人類對于地磁場存在的早期認識，來源于天然磁石和磁針的指極性。地磁的北磁極在地理的南極附近；地磁的南磁極在地理的北極附近。磁針的指極性是由于地球的北磁極（磁性為 S 極）吸引著磁針的 N 極，地球的南磁極（磁性為 S 極）吸引著磁針的 N 極。這個解釋最初是英國 1600年提出的。吉伯所作出的地磁場來源于地球本體的假定是正確的。這已為 1839 年德國數(shù)學家 析法所證實。 地磁的磁感線和地理的經線是不平行的，它們之間的夾角叫做 磁偏角 。中國古代的著名科學家 沈括 是第一個注意到磁偏角現(xiàn)象的科學家。 地磁場是一個向量場。描述空間某一點地磁場的強度和方向，需要 3個獨立的地磁要素。常 用的地磁要素有 7個，即地磁場總強度 F，水平強度H，垂直強度 Z， X 和 Y分別為 H 的北向和東向分量， D 和 I分別為磁偏角和磁傾角 。其中以磁偏角的觀測歷史為最早。在現(xiàn)代的地磁場觀測中，地磁臺一般只記錄 H， D， Z 或 X， Y， Z。 近地空間的地磁場，像一個均勻磁化球體的磁場，其強度在地面兩極附近還不到 1 高斯，所以地磁場是非常弱的磁場。地磁場強度的單位過去通常采用伽馬（ γ ）， 即 1 納特斯拉 。 1960 年決定采用特斯拉作為國際測磁單位， 1 高斯＝ 10^(4)特斯拉（ T）， 1 伽馬＝ 10^(9)特斯拉＝ 1 納特斯拉（ nT），簡稱納特。地磁場雖然很弱，但卻延伸到很遠的空間，保護著地球上的生物和人類，使之免受宇宙輻射的侵害。 地磁場包括基本磁場和變化磁場兩個部分，它們在成因上完全不同?；敬艌鍪堑卮艌龅闹饕糠郑鹪从诘厍騼炔?，比較穩(wěn)定，變化非常緩慢。變化磁場包括地磁場的各種短期變化，主要起源于地球外部，并且很微弱。 地球的基本磁場可分為偶極子磁場、非偶極子磁場和地磁異常幾個組成部分。偶極子 磁場是地磁場的基本成分，其強度約占地磁場總強度的 90％，產生于地球液態(tài)外核內的電磁流體力學過程，即自激發(fā)電機效應。非偶極子磁場主要分布在亞洲東部、非洲西部、南大西洋和南印度洋等幾個地域，平均強度約占地磁場的 10％。地磁異常又分為區(qū)域異常和局部異常，與巖石和礦體的分布有關。 地球變化磁場可分為平靜變化和干擾變化兩大類型。平靜變化主要是以一個太陽日為周期的太陽靜日變化，其場源分布在電離層中。干擾變化包括磁暴、地磁亞暴、太陽擾日變化和地磁脈動等，場源是太陽粒子輻射同地磁場相互作用在磁層和電離層中產生的各種短 暫的電流體系。磁暴是全球同時發(fā)生的強烈磁擾，持續(xù)時間約為 1～ 3 天，幅度可達 10 納特。其他幾種干擾變化主要分布在地球的極光區(qū)內。除外源場外，變化磁場還有內源場。內源場是由外源場在地球內部感應出來的電流所產生的。將高斯球諧分析用于變化磁場，可將這種內、外場區(qū)分開。根據(jù)變化磁場的內、外場相互關系，可以得出地球內部電導率的分布。這已成為地磁學的一個重要領域，叫做地球電磁感應。 地球變化磁場既和磁層、電離層的電磁過程相聯(lián)系，又和地殼上地幔的電性結構有關，所以在空間物理學和固體地球物理學的研究中都具有重要意義。 地磁場 三 電子指南針系統(tǒng)設計 工作原理與總體方案 下圖 是ＫＭＺ５２的內部結構框 圖和引腳排列。圖中 ,Ｚ１和Ｚ４為翻轉線圈 ,Ｚ２和Ｚ３為補償線圈。由于環(huán)境溫度可能會影響系統(tǒng)精度 ,因此 ,在高精度系統(tǒng)中 ,可以通過補償線圈對其進行補償。ＫＭＺ５２內部有兩個正交的磁場傳感器 分別對應二維平面的Ｘ軸和Ｙ軸。磁場傳感器的原理是利用磁阻（ＭＲ）組成磁式結構 ,這樣可改變電磁物質在外部磁場中的電阻系數(shù)。以便在磁場傳感器的翻轉線圈Ｚ１和Ｚ２上加載翻轉電信號后使之能夠產生變化的磁場。由于該變化磁場會造成磁阻變化（ Δ Ｒ）０并將其轉化成變化的差動電壓輸出 ,這樣 ,就能根據(jù)磁場大小正比于輸出差動電壓的原理 ,分別讀取 對應的兩軸信號 ,然后再進行處理計算即可得到偏轉角度。 整個電子指南針系統(tǒng)主要由傳感器單元、信號調整單元（ＳＣＵ）、方向確定單元（ＤＤＵ）和顯示單元四部分組成。電子指南針的總體設計框圖如圖２所示。圖中 ,磁場傳感器ＫＭＺ５２用于將地磁場信號轉化成電信號輸出 ,信號調整單元用于將磁場傳感器單元中的輸出信號成比例放大 ,并將其轉換 成合適的信號ｈｅｘ和ｈｅｙ ,同時消除信號的偏移。對于保證系統(tǒng)的精度來說 ,ＳＣＵ是最重要的部件。通過ＤＤＵ可將信號調整單元輸出的兩路信號ｈｅｘ和 ｈｅｙ進行放大 ,然后再按下式計算出偏轉角度 α ： α ＝ａｒｃｔａｎ ｈｅｙ／ｈｅｘ 這樣根據(jù)抗干擾技術算法對 α 進行處理就可得出該磁場的偏轉角度 ,最后通過顯示單元進行輸出。 （ 1） KMZ52 型號處理系統(tǒng) 該電子指南針系統(tǒng)的電路設計如圖３所示。由于ＫＭＺ５２內部橋式結構的磁阻輸出是差動電壓 ,通過運算放大器可以成比例放大 ,因此 ,在測量地磁場信號時 ,為了將兩個磁場傳感器信號放大同樣的倍數(shù) ,可以將二者的翻轉線圈串聯(lián) ,并對差動電壓選用同樣的運放結構。翻轉信號從 ① 口輸入 ,Ｘ、Ｙ軸差動電壓信號則分別從 ② 、 ③ 口輸出。然后通過處理系統(tǒng)對傳來的信號進行Ａ／Ｄ采樣、數(shù)值處理和校正后 ,即可得到所求的角度。 （ 2）單片機控制系統(tǒng) at89c2051 是美國 ATMEL 公司生產的低電壓、高性能 CMOS 8 位單片機，片內含 2k bytes 的可反復擦寫的只讀程序存儲器（ PEROM）和 128bytes 的隨機數(shù)據(jù)存儲器（ RAM），器件采用 ATMEL 公司的高密度、非易失性存儲技術生產，兼容標準 MCS51 指令系統(tǒng)，片內置通用 8 位中央處理器和 Flash存儲單元，功能強大 at89c2051 單片機可為您提供許多高性價比的應用場合。 （ 1） 由于 89C2051 內部程序存貯器為 Flash，所以修改它內部的程序十分方便快捷，只要配備一個可以編程 89C2051 的 編程器即可。調試人員可以采用程序編輯 編譯 固化 插到電路板中試驗這樣反復循環(huán)的方法，對于熟練的 MCS51程序員來說，這種調試方法并不十分困難。當做這種調試不能夠了解片內 RAM 的內容和程序的走向等有關信息。 （ 2） 將普通 8031/80C31仿真器的仿真插頭中 ～ ～ 2051,這種方法可以運用單步、斷點的調試方法，但是仿真不夠真實，比如， 2051 的內部模擬比較器功能， P1 口、 P3 口的增強下拉能力等等。 M O S I1NC2S S N O T3A V dd4A V s s5+ Z D R V6+ Z I N7ZIN8ZDRV9+YDRV10+YIN11DVdd12YIN13YDRV14+ X D R V15+ X I N16 X IN17 X D R V18D V s s19NC20C O M P21RESET22DRDY23DHST24REXT25VSTBY26SCLK27MISO28M O D U L _P A C KR 25100 kR 21100 RR 22100 RR 23100 RR 24100 RL1L2+5C 21104R _P O W E R510 R+5D _ P O W E RP1.51P1.62P1.73RST4P3.0/RXD5P4.3/INT26P3.1/TXD7P3.2/