【文章內(nèi)容簡介】 除外源場外，變化磁場還有內(nèi)源場。內(nèi)源場是由外源場在地球內(nèi)部感應(yīng)出來的電流所產(chǎn)生的。將高斯球諧分析用于變化磁場，可將這種內(nèi)、外場區(qū)分開。根據(jù)變化磁場的內(nèi)、外場相互關(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)的一個重要領(lǐng)域，叫做地球電磁感應(yīng)。 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(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，這個角度就叫磁偏角。 地球近似球形，所以磁針指向磁極時必向下傾斜，和水平方向有一個夾角，這個夾角稱為磁傾角。不同地點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 運用磁阻技術(shù)，而且具有體積小 、精度高、穩(wěn)定性好、價格低等特點，是理想的導(dǎo)航元件。 但是地球磁場和電子指南針本身的特點，在測量磁場時會有些偏差，所以要進(jìn)行傳感器偏差補償、干涉磁場校正、正北校正、傾斜校正等，才能得到正確的結(jié)果。 傳感器偏移補償 在磁場強度為 15A/m（地球磁場最小值），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，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就會周期地反轉(zhuǎn)，反轉(zhuǎn)傳感器信號的幅值包含了需要的磁場信號，而傳感器偏移是一個純直流信號，通過放大級中的高通濾波器，可以除去這一直流信號，同時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)計說明書（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， b 是濾波去除偏移后的信號， c 是翻轉(zhuǎn)后得到的原來信號。在圖 21 設(shè)計的電路圖中，運用 MAX392 模擬開關(guān)來實現(xiàn)正負(fù)脈沖電路，它的四路開關(guān)可以同時控制 兩路通道，使兩路通道具有更好的一致性；運用達(dá)林頓管，可以使正負(fù)電流脈沖時間非常短，幅度達(dá)到 1A，滿足了對電流脈沖的要求。 干涉磁場校正 實際應(yīng)用中，指南針附近的地球磁場可能會受到其他磁場或附近的含鐵金屬干擾，為了獲得可靠的方位角，有效的補償上述影響是很必要的。干涉磁場對指南針的影響可以由圖 22（指南針旋轉(zhuǎn) 360 度 時， SCU 輸出信號 VyVx 圖）進(jìn)行估計。 沒有干涉磁場時，圖形是一個中心在參考原點，半徑為地球磁場強度 He 的圓。基本的兩種干涉磁場是 “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，在測試圖中表現(xiàn)為圓心移動到（ Hix,Hiy） ,Hix 和 Hiy 是干涉磁場的分量；含鐵金屬對地球磁場的影響表現(xiàn)為 “軟鐵效應(yīng) ”，在測試圖中表現(xiàn)為圓的變形。實際中， “硬鐵效應(yīng) ”一般比 “軟鐵效應(yīng) ”強的多 。 青島理工大學(xué)琴島學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計說明書（論文） 11 圖 22 補償前輸出信號圖 如果忽略軟鐵效應(yīng)（倘若指南針附近沒有 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。指南針在同一地點測得方向相差 180 度 的兩個磁場值（ H1 和 H2），儲存兩個測量值的磁場分量 Hx 和 Hy，由于指南針的磁 場等于地球磁場向量 He 與干涉磁場向量 Hi 的矢量和（旋轉(zhuǎn)后， He 大小相等方向相反； Hi的場源與指南針關(guān)系固定，不發(fā)生變化），可以得到干涉磁場分量：測得干涉磁場分量后，可以在補償線圈中通以相應(yīng)大小的電流，產(chǎn)生反向磁場分量 Hix 和 Hiy，以補償干涉磁場。 圖 23 補償后輸出信號圖 青島理工大學(xué)琴島學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計說明書（論文） 12 圖 2圖 23 是 “硬鐵效應(yīng) ”補償前后兩組數(shù)據(jù)的仿真圖，補償前圖形大致以（ ,）為圓心（ 圖 22），補償后圖形基本上是以（ ， ）為中心（圖 23），“硬鐵效應(yīng) ”得到補償。 青島理工大學(xué)琴島學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計說明書（論文） 13 3 原理及 系統(tǒng)框圖 測量 原理 簡介 如圖 31 是地球某一點的地球磁場向量 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)就是測量磁場北極（圖中的 Heh，即地球磁場的水平分量）與前進(jìn)方向的夾角（方位角 α）， 上圖 可知： α是從磁場的北極順時針計算的；磁傾角 δ 是地球磁場向量與水平面的夾角；磁偏角 λ 是地理北極與磁場北極間的夾角 ， 它與地球的實際位置有關(guān)。 圖 31 測量原理圖 在具體測量時，測量得到的初始角度是磁場北極與前進(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)該是在我們所測得的初始角度的基礎(chǔ)是進(jìn)行磁偏角的補償所得到的角度。 此外，由于地球是球體， 指南針受磁場的影響會指向地面而不是指向水平方向，此時水平方向與磁針的真實指向也會存在一個被稱為磁傾角的誤差角度，因此，對所測量的結(jié)果再進(jìn)行磁傾角的補償，所得到的結(jié)果才會更加的準(zhǔn)確。 青島理工大學(xué)琴島學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計說明書（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 、 磁場測量專用轉(zhuǎn)換芯片、單片 機 控制器 、輔助擴展電路、人機界面以及系統(tǒng)電源幾個部分 組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 圖 32 所示。 圖 32 系統(tǒng)總框圖 整個系統(tǒng)中前端的磁阻傳感器負(fù)責(zé)測量地磁場的大小并將磁場的變化轉(zhuǎn)化為微弱的電流的變化，專用的磁場測量芯片負(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別的數(shù)字量，然后通過芯片內(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直觀的 LCD 進(jìn)行 角度 方位顯示， 整個系統(tǒng)中還包含了實時時鐘等一些輔助電路，使整個系統(tǒng)功能得到進(jìn)一步的擴展。 同時可以通過鍵盤控制微控制器進(jìn)行相應(yīng)的操作，如進(jìn)行磁場校準(zhǔn)， 磁偏角 補償 ，實時時鐘的調(diào)整 等 。 此外，電子指南針系統(tǒng) 容易受到外界磁場的影響，所以在整個系統(tǒng)設(shè)計時應(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、各種硬鐵和軟鐵對整個系統(tǒng)的干擾。同時在系統(tǒng)的放置和校正中，應(yīng)該注意要盡量遠(yuǎn)離強磁源和 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)計說明書（論文） 15 系統(tǒng)其他模塊 簡介 整個系統(tǒng)除包含單片機做 位中央控制器外，還包括了指南針模塊、液晶顯示模塊、實時時鐘模塊、鍵盤輸入模塊等擴展電路，下面對各個模塊做分別的介紹。 常用 指南針芯片簡介 一維磁阻微電路芯片 HMC1052 感應(yīng)磁場 HMCI052 是一個雙軸線性磁傳感器，象其它 HMC10XX 系列傳感器，每個傳感器都有一個由磁阻薄膜合金組成的惠斯通橋。 當(dāng)橋路加上供電電壓，傳感器將磁場強度轉(zhuǎn)化為電壓輸出，包括環(huán)境磁場和測量磁場。 HMC1052 包含兩個敏感元件 ,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，而且消除了兩個敏感元件引起的非正交誤差。 除了惠斯通電橋， HMCI052 有兩個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。在標(biāo)準(zhǔn)的 10 針外形 (MSOP)中，兩個敏感元件可以獨立上電，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)計說明書（論文） 16 霍尼韋爾 HMC1022 各向異性磁阻傳感電路 可實現(xiàn)小型和低成本羅盤電路設(shè)計。該參考設(shè)計結(jié)構(gòu)是針對那些希望采用現(xiàn)成的模擬和數(shù)字元件就能取得主要的羅盤功能的產(chǎn)品開發(fā)者設(shè)計的。 一個羅盤線路在與一個包括有雙模擬數(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。雖然這不是一個完全的三軸傾斜補償?shù)牧_盤設(shè)計結(jié)構(gòu)，該參考設(shè)計可以用于各種電平平臺或用戶的校平系統(tǒng)，如手表等。 圖 34 HMC1022接線圖 Philips 公司生產(chǎn)的 KMZ52 感應(yīng)磁場 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)測量磁場的高靈敏度磁阻傳感器。該磁阻傳感器內(nèi)置兩個正交磁敏電阻橋、完整的補償線圈和設(shè)置／復(fù)位線圈。補償線圈的輸出與當(dāng)前測量結(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、通用地磁測量和交通檢測。 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)線圈和外界磁場兩個力的作用下，電子改變運動方向，使得磁敏電阻的阻值發(fā)生變化。同時 KMZ52的斑馬條電阻成 45176。放置，這使得電子在正反向磁場力作用下有較好的對稱性。由于加青島理工大學(xué)琴島學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計說明書（論文） 17 入了翻轉(zhuǎn)磁場， 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 個磁敏感元件組成的磁阻橋臂。磁敏感元件由長而薄的坡莫合金薄膜制成。在外加磁場的作用下，磁阻的變化引起輸出電壓的變 化。 圖 35 KMZ52 原理圖 液晶顯示簡介 液晶是一種高分子材料，因為其特殊的物理、化學(xué)、光學(xué)特性， 20 世紀(jì)中葉開始被廣泛應(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產(chǎn)生，它們可以流動，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)是一種有機化合物，也就是以碳為中心所構(gòu)成的化合物。 同時具有兩種物質(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)，又對電磁場敏感，極有實用價值。 物理特性 當(dāng)通電時導(dǎo)通，排列變得有秩序，使光線容易通過；不通電時排列混亂，阻止光線通過。讓液晶如閘門般地阻隔或讓光線穿透。從技術(shù)上簡單地說，液晶面板包含了兩片相當(dāng)精致的無鈉玻璃素材，稱為 Substrates，中間夾著一層液晶。當(dāng)光束通過這層液晶時，液晶本身會排排站立或扭轉(zhuǎn)呈不規(guī)則狀，因而阻隔或使光束順利通過。 大多數(shù)液晶都屬于有機復(fù)合物，由長棒狀的分子構(gòu)成。在自然狀態(tài)下，這些棒狀分子的長軸大致平行。將液晶倒入一個經(jīng)精良加工的開槽平面，液晶分子會順著槽 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)計說明書（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，表現(xiàn)出一些獨特的性質(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。 每個畫素由以下幾個部分構(gòu)成：懸浮于兩個透明電極 (氧化銦錫 )間的一列液晶分子，兩個偏振方向互相垂直的偏振過濾 片，如果沒有電極間的液晶，光通過其中一個過濾片勢必被另一個阻擋，通過一個過濾片的光線偏振方向被液晶旋轉(zhuǎn)，從而能夠通過另一個。 液晶分子本身帶有電荷，將少量的電荷加到每個畫素或者子畫素的透明電極，則液晶的分子將被靜電力旋轉(zhuǎn)，通過的光線同時也被旋轉(zhuǎn)，改變一定的角度，從而能夠通過偏振過濾片。 在將電荷加到透明電極之前，液晶分子處于無約束狀態(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，通過一個過濾片的光線在通過液芯片后偏 振防線發(fā)生旋轉(zhuǎn)，從而使光線能夠通過另一個偏振片，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方向排列，因此限制了透過光線偏振方向的旋轉(zhuǎn)，假如液晶分子被完全打散，通過的光線其偏振方向?qū)⒑偷诙€偏振片完全垂直，因此被光線完全阻擋了，此時畫素不發(fā)光，通過控制每個畫素中液晶的旋轉(zhuǎn)方向，我們可以控制照亮畫素的光線，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)計保證每個畫素由一個獨立的電源控制，電子設(shè)備或