地磁传感器-磁感应计-电子罗盘(compass)原理

MID中的传感器1加速计2陀螺仪3地磁传感器4内容MID中的传感器——已商用的传感器触摸屏摄像头麦克风（ST：MEMSmicrophones……）光线传感器温度传感器近距离传感器压力传感器（ALPS：MEMS气压传感器……）陀螺仪（MEMS）加速度传感器（MEMS）地磁传感器（MEMS）MID中的传感器——MEMS传感器集成电路（IntegratedCircuit，IC）把电子元件/电路/电路系统集成到硅片（或其它半导体材料）上。微机械（Micro-Mechanics）把机械元件/机械结构集成到硅片（或其它半导体材料）上。微机电系统（MicroElectroMechanicalSystems，MEMS）MEMS=集成电路+微机械MID中的传感器——MEMS传感器陀螺仪（Gyroscope）•测量角速度•可用于相机防抖、视频游戏动作感应、汽车电子稳定控制系统（防滑）加速度传感器（Accelerometer）•测量线加速度•可用于运动检测、振动检测、撞击检测、倾斜和倾角检测地磁传感器（Geomagneticsensor）•测量磁场强度•可用于电子罗盘、GPS导航MID中的传感器——MEMS传感器陀螺仪+加速计+地磁传感器•电子稳像(EIS:ElectronicImageStabilization)•光学稳像(OIS:OpticalImageStabilization)•“零触控”手势用户接口•行人导航器•运动感测游戏•现实增强MID中的传感器——MEMS传感器厂商1、陀螺仪（角速度传感器）厂商：欧美：ADI、ST、VTI、Invensense、sensordynamics、sensonor日本：EPSON、Panasonic、MuRata、konix、Fujitsu、konix、SSS国产：深迪2、加速度传感器（G-sensor）厂商：欧美：ADI、Freescale、ST、VTI、Invensense、Sensordynamics、SiliconDesigns日本：konix、Bosch、MSI、Panasonic、北陆电气国产：MEMSIC（总部在美国）3、地磁传感器（电子罗盘）厂商：欧美：ADI、Honeywell日本：aichi、alps、AsahiKASEI、Yamaha国产：MEMSIC（总部在美国）MID中的传感器——MEMS传感器厂商MID中的传感器——IPhone4陀螺仪：ST，L3G4200D加速计：ST，LIS331DLH地磁传感器：AsahiKASEI，AK8975MID中的传感器1陀螺仪2加速计3地磁传感器4内容地磁传感器——背景知识地球的磁场象一个条形磁体一样由磁南极指向磁北极。在磁极点处磁场和当地的水平面垂直，在赤道磁场和当地的水平面平行，所以在北半球磁场方向倾斜指向地面。用来衡量磁感应强度大小的单位是Tesla或者Gauss（1Tesla=10000Gauss）。随着地理位置的不同，通常地磁场的强度是0.4-0.6Gauss。需要注意的是，磁北极和地理上的北极并不重合，通常他们之间有11度左右的夹角。地磁传感器——背景知识地磁场是一个矢量，对于一个固定的地点来说，这个矢量可以被分解为两个与当地水平面平行的分量和一个与当地水平面垂直的分量。如果保持电子罗盘和当地的水平面平行，那么罗盘中磁力计的三个轴就和这三个分量对应起来。对水平方向的两个分量来说，他们的矢量和总是指向磁北的。罗盘中的航向角（Azimuth）就是当前方向和磁北的夹角。由于罗盘保持水平，只需要用磁力计水平方向两轴（通常为X轴和Y轴）的检测数据就可以用式1计算出航向角。当罗盘水平旋转的时候，航向角在0º-360º之间变化。地磁传感器——原理磁场的测量可利用电磁感应、霍耳效应以及磁阻效应等各种效应，其中磁阻效应法发展最快，测量灵敏度最高。磁阻元件的发展经历了半导体磁阻（MR），各向异性磁阻（AMR），巨磁阻（GMR），庞磁阻（CMR）等阶段。各向异性磁阻传感器AMR（AnisotropicMagneto-Resistivesensors）由沉积在硅片上的坡莫合金（Ni80Fe20）薄膜形成电阻。在制造过程中，将一个强磁场加在AMR上使其在某一方向上磁化，建立起一个主磁域，与主磁域垂直的轴被称为该AMR的敏感轴。铁磁材料的电阻同电流与磁化方向的夹角有关，电流与磁化方向平行时电阻Rmax最大，电流与磁化方向垂直时电阻Rmin最小。地磁传感器——原理在磁阻传感器中，为了消除温度等外界因素对输出的影响，由4个相同的磁阻元件构成惠斯通电桥。易磁化轴方向与电流方向的夹角为45度。理论分析与实践表明，采用45度偏置磁场，当沿与易磁化轴垂直的方向施加外磁场，且外磁场强度不太大时，电桥输出与外加磁场强度成线性关系。地磁传感器——原理由于受到外界环境的影响，AMR上的主磁域方向不会永久保持不变。置位/复位电路，通过内部的金属线圈周期性的产生电流脉冲，恢复初始的主磁域。置位脉冲和复位脉冲产生的效果一样，方向不同而。•即使遇到外界强磁场的干扰，在干扰消失后也能恢复正常工作而不需要用户再次进行校正。•即使长时间工作也能保持初始磁化方向实现精确测量，不会因为芯片温度变化或内部噪音增大而影响测量精度。•消除由于温漂引起的电桥偏差。地磁传感器——主要参数不同厂商产品手册提供的性能指标项目不尽相同，有的是为了突出优势，有的是为了掩饰缺点。以Honeywell的HMC5883L为例，其关键传感器相关指标如下：地磁传感器——校准一个传统的电子罗盘系统至少需要一个三轴的磁力计以测量磁场数据，一个三轴加速计以测量罗盘倾角，通过信号处理将三维空间的重力分布和磁场数据传送给处理器。处理器通过磁场数据计算出方位角，通过重力数据进行倾斜补偿。这样处理后输出的方位角不受电子罗盘空间姿态的影响。电子罗盘通过感知地球磁场的存在来计算磁北极的方向。然而由于地球磁场在一般情况下只有微弱的0.5高斯，而一个普通的手机喇叭当相距2厘米时仍会有大约4高斯的磁场，一个手机马达在相距2厘米时会有大约6高斯的磁场，这一特点使得针对电子设备表面地球磁场的测量很容易受到电子设备本身的干扰。一般可以认为，干扰磁场可以视为一个恒定的矢量。有很多因素可以造成磁场的干扰，如摆放在电路板上的马达和喇叭，还有含有铁镍钴等金属的材料如屏蔽罩，螺丝，电阻，LCD背板以及外壳等等。同样根据安培定律有电流通过的导线也会产生磁场。地磁传感器——校准1、平面校准方法针对XY轴的校准，将配备有磁传感器的设备在XY平面内自转，等价于将地球磁场矢量绕着过点O(γx,γy)垂直于XY平面的法线旋转，而红色的圆为磁场矢量在旋转过程中在XY平面内投影的轨迹。这可以找到圆心的位置为((Xmax+Xmin)/2,(Ymax+Ymin)/2)。同样将设备在XZ平面内旋转可以得到地球磁场在XZ平面上的轨迹圆，这可以求出三维空间中的磁场干扰矢量γ(γx,γy,γz)。地磁传感器——校准2、立体8字校准方法一般情况下，当带有传感器的设备在空中各个方向旋转时，测量值组成的空间几何结构实际上是一个圆球，所有的采样点都落在这个球的表面上，同两维平面内投影得到的圆类似。这种情况下，可以通过足够的样本点求出圆心O(γx,γy,γz),即固定磁场干扰矢量的大小及方向。8字校准法要求用户使用需要校准的设备在空中做8字晃动，原则上尽量多的让设备法线方向指向空间的所有8个象限。地磁传感器——校准3、十面校准方法通过10面校准方法，也可以达到校准的目的。经过10面校准方法之后，同样可以采样到球体表面的部分轨迹，从而推导出球心的位置，即固定磁场干扰矢量的大小及方向。地磁传感器——倾角补偿经过校准后电子罗盘在水平面上已经可以正常使用了。但更多的时候设备并不是保持水平的，通常它和水平面都有一个夹角。这个夹角会影响航向角的精度，需要通过加速度传感器进行倾斜补偿。可以看出，在x轴方向10度的倾斜角就可以引起航向角最大7-8度的误差。地磁传感器——倾角补偿设备在空中的倾斜姿态可以通过3轴加速度传感器检测出，测出三个轴上重力加速度的分量，再通过计算可以得出Pitch和Roll。将磁力计测得的三轴数据（XM，YM，ZM）通过Pitch和Roll转化为计算航向角需要的Hy和Hx，即可计算出航向角。