【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 除外源場(chǎng)外，變化磁場(chǎng)還有內(nèi)源場(chǎng)。內(nèi)源場(chǎng)是由外源場(chǎng)在地球內(nèi)部感應(yīng)出來(lái)的電流所產(chǎn)生的。將高斯球諧分析用于變化磁場(chǎng)，可將這種內(nèi)、外場(chǎng)區(qū)分開(kāi)。根據(jù)變化磁場(chǎng)的內(nèi)、外場(chǎng)相互關(guān)系，可以得出地球內(nèi)部電導(dǎo)率的分布。這已成為地磁學(xué)的一個(gè)重要領(lǐng)域，叫做地球電磁感應(yīng)。 地球變化磁場(chǎng)既和磁層、電離層的電磁過(guò)程相聯(lián)系，又和地殼上地幔的電性結(jié)構(gòu)有關(guān)，所以在空間物理學(xué)和固體地球物 理學(xué)的研究中都具有重要意義。 電子指南針的主要偏差 及校正 磁偏角和磁傾角 現(xiàn)在人們已經(jīng)知道，地球的兩個(gè)磁極和地理的南北極只是接近，并不重合。磁針指向的是地球磁極而不是地理的南北極，這樣磁針指的就不是正南、正北方向而略有偏差，這個(gè)角度就叫磁偏角。 地球近似球形，所以磁針指向磁極時(shí)必向下傾斜，和水平方向有一個(gè)夾角，這個(gè)夾角稱為磁傾角。不同地點(diǎn)的磁偏角和磁傾角都是不相同的。磁偏角和磁傾角的發(fā)現(xiàn)使指南針的指向更加準(zhǔn)確。 電子指南針的偏差 電子指南針 運(yùn)用磁阻技術(shù)，而且具有體積小 、精度高、穩(wěn)定性好、價(jià)格低等特點(diǎn)，是理想的導(dǎo)航元件。 但是地球磁場(chǎng)和電子指南針本身的特點(diǎn)，在測(cè)量磁場(chǎng)時(shí)會(huì)有些偏差，所以要進(jìn)行傳感器偏差補(bǔ)償、干涉磁場(chǎng)校正、正北校正、傾斜校正等，才能得到正確的結(jié)果。 傳感器偏移補(bǔ)償 在磁場(chǎng)強(qiáng)度為 15A/m（地球磁場(chǎng)最小值），傳感器靈敏度為典型值 80mV/(KA/m)（ Vcc=5V）的條件下， 指南針模塊 的輸出幅度約為 ；而 Vcc=5V 時(shí)，由于指南針模塊 本身偏差及溫度漂移的影響，最大偏差電壓可達(dá)到 177。，最大溫度漂移電壓為 ，都比傳感器輸出 電壓 高很多，所以指南針系統(tǒng)的內(nèi)部偏移補(bǔ)償是很重要的 。 應(yīng)用 “跳轉(zhuǎn)技術(shù) ”可以消除偏移，即在 指南針模塊 的置位 /復(fù)位線圈中通上正負(fù)脈沖電流，傳感器的特性和輸出信號(hào)就會(huì)周期地反轉(zhuǎn)，反轉(zhuǎn)傳感器信號(hào)的幅值包含了需要的磁場(chǎng)信號(hào)，而傳感器偏移是一個(gè)純直流信號(hào)，通過(guò)放大級(jí)中的高通濾波器，可以除去這一直流信號(hào)，同時(shí)消除偏差和溫漂造成的偏移。 青島理工大學(xué)琴島學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（論文） 10 圖 21 跳轉(zhuǎn)技術(shù)波形圖 圖 21 是跳轉(zhuǎn)技術(shù)的波形圖， a 是得到的輸出信號(hào)， b 是濾波去除偏移后的信號(hào)， c 是翻轉(zhuǎn)后得到的原來(lái)信號(hào)。在圖 21 設(shè)計(jì)的電路圖中，運(yùn)用 MAX392 模擬開(kāi)關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn)正負(fù)脈沖電路，它的四路開(kāi)關(guān)可以同時(shí)控制 兩路通道，使兩路通道具有更好的一致性；運(yùn)用達(dá)林頓管，可以使正負(fù)電流脈沖時(shí)間非常短，幅度達(dá)到 1A，滿足了對(duì)電流脈沖的要求。 干涉磁場(chǎng)校正 實(shí)際應(yīng)用中，指南針附近的地球磁場(chǎng)可能會(huì)受到其他磁場(chǎng)或附近的含鐵金屬干擾，為了獲得可靠的方位角，有效的補(bǔ)償上述影響是很必要的。干涉磁場(chǎng)對(duì)指南針的影響可以由圖 22（指南針旋轉(zhuǎn) 360 度 時(shí)， SCU 輸出信號(hào) VyVx 圖）進(jìn)行估計(jì)。 沒(méi)有干涉磁場(chǎng)時(shí)，圖形是一個(gè)中心在參考原點(diǎn)，半徑為地球磁場(chǎng)強(qiáng)度 He 的圓?；镜膬煞N干涉磁場(chǎng)是 “硬鐵效應(yīng) ”和 “軟鐵效應(yīng) ”， “硬鐵效應(yīng) ”是由與指南針固定位置的磁體產(chǎn)生的，在測(cè)試圖中表現(xiàn)為圓心移動(dòng)到（ Hix,Hiy） ,Hix 和 Hiy 是干涉磁場(chǎng)的分量；含鐵金屬對(duì)地球磁場(chǎng)的影響表現(xiàn)為 “軟鐵效應(yīng) ”，在測(cè)試圖中表現(xiàn)為圓的變形。實(shí)際中， “硬鐵效應(yīng) ”一般比 “軟鐵效應(yīng) ”強(qiáng)的多 。 青島理工大學(xué)琴島學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（論文） 11 圖 22 補(bǔ)償前輸出信號(hào)圖 如果忽略軟鐵效應(yīng)（倘若指南針附近沒(méi)有 鐵性材料，軟鐵效應(yīng)是非常微弱的），可以用 “雙向校正 ”法校正。指南針在同一地點(diǎn)測(cè)得方向相差 180 度 的兩個(gè)磁場(chǎng)值（ H1 和 H2），儲(chǔ)存兩個(gè)測(cè)量值的磁場(chǎng)分量 Hx 和 Hy，由于指南針的磁 場(chǎng)等于地球磁場(chǎng)向量 He 與干涉磁場(chǎng)向量 Hi 的矢量和（旋轉(zhuǎn)后， He 大小相等方向相反； Hi的場(chǎng)源與指南針關(guān)系固定，不發(fā)生變化），可以得到干涉磁場(chǎng)分量：測(cè)得干涉磁場(chǎng)分量后，可以在補(bǔ)償線圈中通以相應(yīng)大小的電流，產(chǎn)生反向磁場(chǎng)分量 Hix 和 Hiy，以補(bǔ)償干涉磁場(chǎng)。 圖 23 補(bǔ)償后輸出信號(hào)圖 青島理工大學(xué)琴島學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（論文） 12 圖 2圖 23 是 “硬鐵效應(yīng) ”補(bǔ)償前后兩組數(shù)據(jù)的仿真圖，補(bǔ)償前圖形大致以（ ,）為圓心（ 圖 22），補(bǔ)償后圖形基本上是以（ ， ）為中心（圖 23），“硬鐵效應(yīng) ”得到補(bǔ)償。 青島理工大學(xué)琴島學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（論文） 13 3 原理及 系統(tǒng)框圖 測(cè)量 原理 簡(jiǎn)介 如圖 31 是地球某一點(diǎn)的地球磁場(chǎng)向量 He 的三維圖（其中， x 和 y 軸與地球表面平行， z 軸垂直指向下）。指南針的基本任務(wù)就是測(cè)量磁場(chǎng)北極（圖中的 Heh，即地球磁場(chǎng)的水平分量）與前進(jìn)方向的夾角（方位角 α）， 上圖 可知： α是從磁場(chǎng)的北極順時(shí)針計(jì)算的；磁傾角 δ 是地球磁場(chǎng)向量與水平面的夾角；磁偏角 λ 是地理北極與磁場(chǎng)北極間的夾角 ， 它與地球的實(shí)際位置有關(guān)。 圖 31 測(cè)量原理圖 在具體測(cè)量時(shí)，測(cè)量得到的初始角度是磁場(chǎng)北極與前進(jìn)方向的夾角，而我們知道地理北極與地磁北極是 不重合的，他們之間存在被稱為磁偏角的角度差，所以真正地地理北極應(yīng)該是在我們所測(cè)得的初始角度的基礎(chǔ)是進(jìn)行磁偏角的補(bǔ)償所得到的角度。 此外，由于地球是球體， 指南針受磁場(chǎng)的影響會(huì)指向地面而不是指向水平方向，此時(shí)水平方向與磁針的真實(shí)指向也會(huì)存在一個(gè)被稱為磁傾角的誤差角度，因此，對(duì)所測(cè)量的結(jié)果再進(jìn)行磁傾角的補(bǔ)償，所得到的結(jié)果才會(huì)更加的準(zhǔn)確。 青島理工大學(xué)琴島學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（論文） 14 系統(tǒng)總圖框圖 電子指南針 的系統(tǒng)主要由 前端磁阻傳感器 、 磁場(chǎng)測(cè)量專用轉(zhuǎn)換芯片、單片 機(jī) 控制器 、輔助擴(kuò)展電路、人機(jī)界面以及系統(tǒng)電源幾個(gè)部分 組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 圖 32 所示。 圖 32 系統(tǒng)總框圖 整個(gè)系統(tǒng)中前端的磁阻傳感器負(fù)責(zé)測(cè)量地磁場(chǎng)的大小并將磁場(chǎng)的變化轉(zhuǎn)化為微弱的電流的變化，專用的磁場(chǎng)測(cè)量芯片負(fù)責(zé)把磁阻傳感器變化的電流（模擬量）轉(zhuǎn)換成微控制器可以識(shí)別的數(shù)字量，然后通過(guò)芯片內(nèi)部的總線上傳給微控制器。 微控制器將表征當(dāng)前磁場(chǎng)大小的數(shù)字量按照 角度 方位進(jìn)行歸一化等處理后通過(guò)直觀的 LCD 進(jìn)行 角度 方位顯示， 整個(gè)系統(tǒng)中還包含了實(shí)時(shí)時(shí)鐘等一些輔助電路，使整個(gè)系統(tǒng)功能得到進(jìn)一步的擴(kuò)展。 同時(shí)可以通過(guò)鍵盤(pán)控制微控制器進(jìn)行相應(yīng)的操作，如進(jìn)行磁場(chǎng)校準(zhǔn)， 磁偏角 補(bǔ)償 ，實(shí)時(shí)時(shí)鐘的調(diào)整 等 。 此外，電子指南針系統(tǒng) 容易受到外界磁場(chǎng)的影響，所以在整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意 設(shè)置 磁屏蔽 殼體 ，此設(shè)置可以極大的減少外界磁場(chǎng)、各種硬鐵和軟鐵對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的干擾。同時(shí)在系統(tǒng)的放置和校正中，應(yīng)該注意要盡量遠(yuǎn)離強(qiáng)磁源和 各種鐵性材質(zhì)的物質(zhì)。 青島理工大學(xué)琴島學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（論文） 15 系統(tǒng)其他模塊 簡(jiǎn)介 整個(gè)系統(tǒng)除包含單片機(jī)做 位中央控制器外，還包括了指南針模塊、液晶顯示模塊、實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊、鍵盤(pán)輸入模塊等擴(kuò)展電路，下面對(duì)各個(gè)模塊做分別的介紹。 常用 指南針芯片簡(jiǎn)介 一維磁阻微電路芯片 HMC1052 感應(yīng)磁場(chǎng) HMCI052 是一個(gè)雙軸線性磁傳感器，象其它 HMC10XX 系列傳感器，每個(gè)傳感器都有一個(gè)由磁阻薄膜合金組成的惠斯通橋。 當(dāng)橋路加上供電電壓，傳感器將磁場(chǎng)強(qiáng)度轉(zhuǎn)化為電壓輸出，包括環(huán)境磁場(chǎng)和測(cè)量磁場(chǎng)。 HMC1052 包含兩個(gè)敏感元件 ,它們的敏感軸互相垂直。敏感元件 A 和 B,共存于單硅芯片中，完全正交，且參數(shù)匹配。 HMC1052 的尺寸小，低工作電壓，而且消除了兩個(gè)敏感元件引起的非正交誤差。 除了惠斯通電橋， HMCI052 有兩個(gè)位于芯片上的磁耦合帶；偏置帶和置位 / 復(fù)位帶。敏感元件 A 和 B,都有這兩個(gè)帶。置位 / 復(fù)位帶，用于確保精度。偏置帶，用于校正傳感器，或偏 置任何不想要的磁場(chǎng)。在標(biāo)準(zhǔn)的 10 針外形 (MSOP)中，兩個(gè)敏感元件可以獨(dú)立上電，用于減少功耗。然而，卻不能使用偏置帶。若需要偏置帶，可以用另一種封裝的 HMCI052。 圖 33 HMC1052 外部接線圖 青島理工大學(xué)琴島學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（論文） 16 霍尼韋爾 HMC1022 各向異性磁阻傳感電路 可實(shí)現(xiàn)小型和低成本羅盤(pán)電路設(shè)計(jì)。該參考設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)是針對(duì)那些希望采用現(xiàn)成的模擬和數(shù)字元件就能取得主要的羅盤(pán)功能的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)者設(shè)計(jì)的。 一個(gè)羅盤(pán)線路在與一個(gè)包括有雙模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器（ ADC）輸入裝置的微控制器結(jié)合后，可以與 HMC1052雙軸傳感器、低 壓雙運(yùn)算放大器以及少量常用的離散元件組裝在一起。雖然這不是一個(gè)完全的三軸傾斜補(bǔ)償?shù)牧_盤(pán)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，該參考設(shè)計(jì)可以用于各種電平平臺(tái)或用戶的校平系統(tǒng)，如手表等。 圖 34 HMC1022接線圖 Philips 公司生產(chǎn)的 KMZ52 感應(yīng)磁場(chǎng) KMZ52 是 Philips 公司生產(chǎn)的一種磁阻傳感器，是利用坡莫合金薄片的磁阻效應(yīng)測(cè)量磁場(chǎng)的高靈敏度磁阻傳感器。該磁阻傳感器內(nèi)置兩個(gè)正交磁敏電阻橋、完整的補(bǔ)償線圈和設(shè)置／復(fù)位線圈。補(bǔ)償線圈的輸出與當(dāng)前測(cè)量結(jié)果形成閉環(huán)反饋，使傳感器的靈敏度不受地域限制。這種磁阻傳感 器主要應(yīng)用于導(dǎo)航、通用地磁測(cè)量和交通檢測(cè)。 該磁阻傳感器在金屬鋁的表面沉積了一定厚度的高磁導(dǎo)率的坡莫合金，在翻轉(zhuǎn)線圈和外界磁場(chǎng)兩個(gè)力的作用下，電子改變運(yùn)動(dòng)方向，使得磁敏電阻的阻值發(fā)生變化。同時(shí) KMZ52的斑馬條電阻成 45176。放置，這使得電子在正反向磁場(chǎng)力作用下有較好的對(duì)稱性。由于加青島理工大學(xué)琴島學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（論文） 17 入了翻轉(zhuǎn)磁場(chǎng)， KMZ52 的變化曲線與普通的磁敏電阻不同，更加線性化。 KMZ52 磁阻傳感器的核心部分是惠斯通電橋，是由 4 個(gè)磁敏感元件組成的磁阻橋臂。磁敏感元件由長(zhǎng)而薄的坡莫合金薄膜制成。在外加磁場(chǎng)的作用下，磁阻的變化引起輸出電壓的變 化。 圖 35 KMZ52 原理圖 液晶顯示簡(jiǎn)介 液晶是一種高分子材料，因?yàn)槠涮厥獾奈锢怼⒒瘜W(xué)、光學(xué)特性， 20 世紀(jì)中葉開(kāi)始被廣泛應(yīng)用在輕薄型的顯示技術(shù)上。人們熟悉的物質(zhì)狀態(tài)為氣、液、固，較為生疏的是電漿和液晶。液晶相要具有特殊形狀分子組合始會(huì)產(chǎn)生，它們可以流動(dòng)，又擁有結(jié)晶的光學(xué)性質(zhì)。 液晶的定義，現(xiàn)在已放寬而囊括了在某一溫度范圍可以是現(xiàn)液晶相，在較低溫度為正常結(jié)晶之物質(zhì)。而液晶的組成物質(zhì)是一種有機(jī)化合物，也就是以碳為中心所構(gòu)成的化合物。 同時(shí)具有兩種物質(zhì)的液晶，是以分子間力量組合的，它們的特殊光 學(xué)性質(zhì)，又對(duì)電磁場(chǎng)敏感，極有實(shí)用價(jià)值。 物理特性 當(dāng)通電時(shí)導(dǎo)通，排列變得有秩序，使光線容易通過(guò)；不通電時(shí)排列混亂，阻止光線通過(guò)。讓液晶如閘門(mén)般地阻隔或讓光線穿透。從技術(shù)上簡(jiǎn)單地說(shuō)，液晶面板包含了兩片相當(dāng)精致的無(wú)鈉玻璃素材，稱為 Substrates，中間夾著一層液晶。當(dāng)光束通過(guò)這層液晶時(shí)，液晶本身會(huì)排排站立或扭轉(zhuǎn)呈不規(guī)則狀，因而阻隔或使光束順利通過(guò)。 大多數(shù)液晶都屬于有機(jī)復(fù)合物，由長(zhǎng)棒狀的分子構(gòu)成。在自然狀態(tài)下，這些棒狀分子的長(zhǎng)軸大致平行。將液晶倒入一個(gè)經(jīng)精良加工的開(kāi)槽平面，液晶分子會(huì)順著槽 排列，所以假如那些槽非常平行，則各分子也是完全平行的。液晶是一種介于晶體狀態(tài)和液態(tài)青島理工大學(xué)琴島學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（論文） 18 狀態(tài)之間的中間物質(zhì)。它兼有液體和晶體的某些特點(diǎn)，表現(xiàn)出一些獨(dú)特的性質(zhì)。 液晶顯示器 液晶顯示器， 又 稱 LCD(Liquid Crystal Display)，為平面超薄的顯示設(shè)備，它由一定數(shù)量的彩色或黑白畫(huà)素組成，放置于光源或者反射面前方。液晶顯示器功耗很低，因此倍受工程師青睞，適用于使用電池的電子設(shè)備。 每個(gè)畫(huà)素由以下幾個(gè)部分構(gòu)成：懸浮于兩個(gè)透明電極 (氧化銦錫 )間的一列液晶分子，兩個(gè)偏振方向互相垂直的偏振過(guò)濾 片，如果沒(méi)有電極間的液晶，光通過(guò)其中一個(gè)過(guò)濾片勢(shì)必被另一個(gè)阻擋，通過(guò)一個(gè)過(guò)濾片的光線偏振方向被液晶旋轉(zhuǎn)，從而能夠通過(guò)另一個(gè)。 液晶分子本身帶有電荷，將少量的電荷加到每個(gè)畫(huà)素或者子畫(huà)素的透明電極，則液晶的分子將被靜電力旋轉(zhuǎn)，通過(guò)的光線同時(shí)也被旋轉(zhuǎn)，改變一定的角度，從而能夠通過(guò)偏振過(guò)濾片。 在將電荷加到透明電極之前，液晶分子處于無(wú)約束狀態(tài)，分子上的電荷使得這些分子組成了螺旋形或者環(huán)形（晶體狀）， 在有些 LCD 中，電極的化學(xué)物質(zhì)表面可作為晶體的晶種，因此分子按照需要的角度結(jié)晶，通過(guò)一個(gè)過(guò)濾片的光線在通過(guò)液芯片后偏 振防線發(fā)生旋轉(zhuǎn)，從而使光線能夠通過(guò)另一個(gè)偏振片，一小部分光線被偏振片吸收，但其余的設(shè)備都是透明的。 將電荷加到透明電極上后，液晶分子將順著電場(chǎng)方向排列，因此限制了透過(guò)光線偏振方向的旋轉(zhuǎn)，假如液晶分子被完全打散，通過(guò)的光線其偏振方向?qū)⒑偷诙€(gè)偏振片完全垂直，因此被光線完全阻擋了，此時(shí)畫(huà)素不發(fā)光，通過(guò)控制每個(gè)畫(huà)素中液晶的旋轉(zhuǎn)方向，我們可以控制照亮畫(huà)素的光線，可多可少。 許多 LCD 在交流電作用下變黑，交流電破壞了液晶的螺旋效應(yīng)，而關(guān)閉電流后，LCD 會(huì)變亮或者透明。 為了省電， LCD 顯示采用復(fù)用的 方法，在復(fù)用模式下，一端的電極分組連接在一起，每一組電極連接到一個(gè)電源，另一端的電極也分組連接，每一組連接到電源另一端，分組設(shè)計(jì)保證每個(gè)畫(huà)素由一個(gè)獨(dú)立的電源控制，電子設(shè)備或