CN102620724B - 地磁传感器装置以及数字罗盘 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种地磁传感器装置，其包括第一地磁传感器及第二地磁传感器，所述第一地磁传感器包括第一惠斯通电桥电路及第二惠斯通电桥电路，所述第一惠斯通电桥电路及所述第二惠斯通电桥电路位于同一水平坐标系。所述第二地磁传感器包括第三惠斯通电桥电路及第四惠斯通电桥电路，所述第三惠斯通电桥电路及所述第四惠斯通电桥电路位于同一垂直坐标系。所述第一、第二、第三及第四惠斯通电桥电路均包括至少四个连接的磁阻元件，一对电源输入端及一对信号输出端。本发明的地磁传感器装置能获得稳定且较高的输出信号，并能高精度地测量地磁方位角。本发明还公开了一种数字罗盘。

Description

地磁传感器装置以及数字罗盘

技术领域

本发明涉及信息数字罗盘，尤其涉及一种具有地磁传感器装置的数字罗盘，其具有高信号输出以及能高精度地测量出地磁方位角。

背景技术

目前，由磁阻材料制成的数字罗盘(也成电子罗盘)在导航、定位和定航领域中十分普遍，其旨在测量地磁方向。与传统的罗盘相比，该数字罗盘具有尺寸小、功耗低、成本低、灵敏度高以及相应频率高等优点。

由于磁阻材料的电阻会随着外部磁场的变化而变化，因此，数字罗盘能够利用该种效应来测量磁场。一般地，该种由磁阻材料制成的数字罗盘使用一个双轴或三轴地磁传感器测量在X轴，Y轴和Z轴上的地磁场分量，以及一个双轴或三轴加速度传感来测量俯仰角和横滚角。通过以上信息则可测量出地磁方位角。

图1展示了一种传统的数字罗盘500，其包括：用以检测地磁方位角的双轴地磁传感器501；用于在水平线基础上，检测倾斜地磁角的加速度传感器502；用于放大及过滤地磁传感器501和加速度传感器502所检测的信号的模拟处理器503；用于将输出信号转换成数字信号的模拟/数字(A/D)转换器504；以及用于在从A/D转换器504接收的数字信号的基础上，计算地磁方位角的数字处理器505，并进行校正操作。具体地，该地磁传感器501用于测量地球的磁场强度，其包括相互垂直放置的X轴传感器和Y轴传感器。加速度传感器502测量俯仰角和横滚角从而补偿倾斜坐标。

然而，输出信号和测量精度一直是人们关注的主要问题。如上所及，上述的数字罗盘必须接收数字信号以进行校正操作。此外，地磁传感器501接收的输出信号可能随外部环境而突然变化，使得数字罗盘的输出信号的偏移值也随外部环境而突然改变。从此，降低地磁方位角的测量精度。另外，上述的数字罗盘结构复杂，成本较高。

因此，亟待一种具有改进的地磁传感器装置的数字罗盘，其以克服上述缺陷。

发明内容

本发明的一个目的在于提供一种具有简单结构的地磁传感器装置，其能获得稳定且较高的输出信号，并能高精度地测量地磁方位角。

本发明的另一目的在于提供一种具有地磁传感器装置的数字罗盘，其能获得稳定且较高的输出信号，并能高精度地测量地磁方位角。

为实现上述目的，本发明提供一种地磁传感器装置，包括第一地磁传感器及第二地磁传感器，所述第一地磁传感器包括第一惠斯通电桥电路及第二惠斯通电桥电路，所述第一惠斯通电桥电路及所述第二惠斯通电桥电路位于同一水平坐标系。所述第二地磁传感器包括第三惠斯通电桥电路及第四惠斯通电桥电路，所述第三惠斯通电桥电路及所述第四惠斯通电桥电路位于同一垂直坐标系。所述第一、第二、第三及第四惠斯通电桥电路均包括至少四个连接的磁阻元件，一对电源输入端及一对信号输出端。

作为一个实施例，所述水平坐标系为X-Y水平坐标系，所述垂直坐标系为Y-Z垂直坐标系。

较佳地，所述第一惠斯通电桥电路的磁阻元件的磁化方向位于X轴上，所述第二惠斯通电桥电路及所述第三惠斯通电桥电路的磁阻元件的磁化方向位于Y轴上，所述第四惠斯通电桥电路的磁阻元件的磁化方向位于Z轴上。

作为另一实施例，所述水平坐标系为X-Y水平坐标系，所述垂直坐标系为X-Z垂直坐标系。

较佳地，所述第二惠斯通电桥电路的磁阻元件的磁化方向位于Y轴上，所述第一惠斯通电桥电路及所述第三惠斯通电桥电路的磁阻元件的磁化方向位于X轴上，所述第四惠斯通电桥电路的磁阻元件的磁化方向位于Z轴上。

较佳地，所述磁阻元件为巨磁阻元件、隧道磁阻元件、各向异性磁阻元件或霍尔元件。

本发明提供一种数字罗盘，包括一地磁传感器装置，所述地磁传感器装置包括第一地磁传感器及第二地磁传感器，所述第一地磁传感器包括第一惠斯通电桥电路及第二惠斯通电桥电路，所述第一惠斯通电桥电路及所述第二惠斯通电桥电路位于同一水平坐标系。所述第二地磁传感器包括第三惠斯通电桥电路及第四惠斯通电桥电路，所述第三惠斯通电桥电路及所述第四惠斯通电桥电路位于同一垂直坐标系。所述第一、第二、第三及第四惠斯通电桥电路均包括至少四个连接的磁阻元件，一对电源输入端及一对信号输出端。

作为一个实施例，所述水平坐标系为X-Y水平坐标系，所述垂直坐标系为Y-Z垂直坐标系。

较佳地，所述第一惠斯通电桥电路的磁阻元件的磁化方向位于X轴上，所述第二惠斯通电桥电路及所述第三惠斯通电桥电路的磁阻元件的磁化方向位于Y轴上，所述第四惠斯通电桥电路的磁阻元件的磁化方向位于Z轴上。

作为另一实施例，所述水平坐标系为X-Y水平坐标系，所述垂直坐标系为X-Z垂直坐标系。

较佳地，所述第二惠斯通电桥电路的磁阻元件的磁化方向位于Y轴上，所述第一惠斯通电桥电路及所述第三惠斯通电桥电路的磁阻元件的磁化方向位于X轴上，所述第四惠斯通电桥电路的磁阻元件的磁化方向位于Z轴上。

较佳地，所述磁阻元件为巨磁阻元件、隧道磁阻元件、各向异性磁阻元件或霍尔元件。

与现有技术相比，第一地磁传感器的两个惠斯通电桥电路放置在同一水平坐标系中测量俯仰角，第二地磁传感器的两个惠斯通电桥电路放置在同一垂直坐标系中测量横滚角，从而测量出地磁场的地磁方位角，进而实现定位。本发明能获得稳定且较高的输出信号，并能高精度地测量地磁方位角。再且，本发明的地磁传感器装置的结构简单，能够缩减制造成本。

通过以下的描述并结合附图，本发明将变得更加清晰，这些附图用于解释本发明的实施例。

附图说明

图1为传统的数字罗盘的结构框图。

图2为本发明地磁传感器装置的第一个实施例的结构框图。

图3为图2所示的地磁传感器装置的结构示意图。

图4为GMR元件的结构图。

图5为第一地磁传感器的第一惠斯通电桥电路的详细结构图。

图6为第一惠斯通电桥电路的输出信号的曲线图。

图7为本发明地磁传感器装置的第二实施例的结构示意图。

图8为本发明数字罗盘的一个实施例的结构框图。

具体实施方式

下面将参考附图阐述本发明几个不同的最佳实施例，其中不同图中相同的标号代表相同的部件。如上所述，本发明的实质在于一种具有地磁传感器装置的数字罗盘，该地磁传感器装置包括第一地磁传感器，包括第一惠斯通电桥电路及第二惠斯通电桥电路，所述第一惠斯通电桥电路及所述第二惠斯通电桥电路位于同一水平坐标系；以及第二地磁传感器，包括第三惠斯通电桥电路及第四惠斯通电桥电路，所述第三惠斯通电桥电路及所述第四惠斯通电桥电路位于同一垂直坐标系。所述第一、第二、第三及第四惠斯通电桥电路均包括至少四个连接的磁阻元件，一对电源输入端及一对信号输出端。本发明能获得稳定而较高的输出信号以及能够高精度测量地磁方位角。

图2、3展示了本发明地磁传感器装置的第一实施例。如图所示，该地磁传感器装置1包括第一地磁传感器110以及第二地磁传感器120。该第一地磁传感器110包括布置于X-Y水平坐标系的第一惠斯通电桥电路110a及第二惠斯通电桥电路110b。第二地磁传感器120包括布置于Y-Z垂直坐标系的第三惠斯通电桥电路120c及第四惠斯通电桥电路120d。具体地，该第一惠斯通电桥电路110a垂直于第二惠斯通电桥电路110b，两者位于同一水平面上。类似地，该第三惠斯通电桥电路120c垂直于第四惠斯通电桥电路120d，两者位于同一垂直面上。每一个惠斯通电桥电路均由四个磁阻元件，如巨磁阻(giantmagnetoresistive，GMR)元件组成。在本发明构思下，该磁阻元件也可以是隧道磁阻(tunnelmagnetoresistiv，TMR)元件、各向异性磁阻(anisotropicmagnetoresistive，AMR)元件或者霍尔(Hall)元件，从而构成惠斯通电桥电路。

图4展示了一个GMR元件的结构，其包括依次层压的衬底层101、缓冲层102、固定层107以及盖帽层106。具体地，该固定层107包括用于将磁化方向钉扎在一个固定方向的钉扎层105，具有一个随外部磁场变化的磁化方向的自由层103，以及层压于钉扎层105和自由层103之间的间隔层104。该间隔层104用作一个非磁电导体。为众所知，GMR元件的电阻随着钉扎层105的磁化方向和自由层103的磁化方向之间的夹角变化而变化。而当GMR元件位于一外部磁场时，自由层103的磁化方向会因外部磁场的影响而改变，即，钉扎层105的磁化方向和自由层103的磁化方向之间的夹角发生变化。因此，GMR元件的电阻也发生变化，进而产生用于测量地磁方向的电压信号输出。

现对第一惠斯通电桥电路110a的详细结构进行说明。如图5所示，该第一惠斯通电桥电路110a包括四个GMR元件，简称为G1a，G2a，G3a及G4a，每一GMR元件具有磁化方向P1a，P2a，P3a，P4a。具体地，该四个GMR元件相互连接，磁化方向P1a，P2a，P3a，P4a位于X轴的方向上。具体地，磁化方向P1a和P4a沿X轴的负方向，磁化方向P2a和P3a沿X轴的正方向。亦即，G1a、G2a的磁化方向P1a、P2a相互相反，而G3a及G4a的磁化方向P3a、P4a则相互相对。另外，该第一惠斯通电桥电路110a提供一对电源输入端以及一对信号输出端。例如，G1a和G3a之间的端点A1以及G2a和G4a之间的端点A2作为电源输入端，而G1a和G2a之间的端点A3以及G3a和G4a之间的端点A4作为信号输出端。可选地，A1，A2可作为信号输出端，而A3，A4作为电源输入端。信号的输入取决于G1a，G2a，G3a及G4a的电阻在外部磁场作用下磁化方向的变化。

类似地，第二惠斯通电桥电路110b与第一惠斯通电桥电路110a相似。该第二惠斯通电桥电路110b同样包括G1b，G2b，G3b及G4b，每一GMR元件具有磁化方向P1b，P2b，P3b，P4b。区别在于，磁化方向P1b，P2b，P3b，P4b位于Y轴的方向上，而磁化方向P1b和P4b沿Y轴的正方向，磁化方向P2b和P3b沿Y轴的负方向。亦即，G1b、G2b的磁化方向P1b、P2b相互相反，而G3b及G4b的磁化方向P3b、P4b则相互相对。一对电源输入端B1、B2分别设置于G1b和G3b之间以及G2b和G4b之间，一对信号输出端B3、B4分别设置于G1b和G2b之间以及G3b和G4b之间。

作为一个实施例，电源输入端A1、B1共同接入一个电压，而电源输入端A2、B2接地。可选地，电源输入端A2、B2也可设置输入一个和A1、B1不同的电压。如上所述，第一惠斯通电桥电路110a的磁化方向位于X轴上，第二惠斯通电桥电路110b的磁化方向位于Y轴上，即，两者互相垂直。因此，当外部磁场的方向在0-180°之间改变，第一、第二惠斯通电桥电路110a，110b的磁化方向随着改变，从而使第一惠斯通电桥电路110a的信号输出端A1，A2输出一个正弦信号，第二惠斯通电桥电路110b的信号输出端B1，B2输出一个余弦信号。从而，通过对正弦信号和余弦信号进行反正切计算，则可计算出地磁场相对第一地磁传感器110的俯仰角。图6展示了信号输出端A3、A4和B3、B4的输出曲线，其中两个信号输出的相位差为90°。

再次参考图3所示，第二地磁传感器120包括放置于Y-Z垂直坐标系上的第三惠斯通电桥电路120c和第四惠斯通电桥电路120d。具体地，该第三惠斯通电桥电路120c沿着Y-Z垂直坐标系的Y轴布置，第四惠斯通电桥电路120d沿着Y-Z垂直坐标系的Z轴布置。具体地，第二惠斯通电桥电路110b和第三惠斯通电桥电路120c具有相同的结构和布置。每一个GMR元件G1c，G2c，G3c及G4c分别具有一个磁化方向P1c，P2c，P3c，P4c。磁化方向P1c，P2c，P3c，P4c和磁化方向P1b，P2b，P3b，P4b一致，皆位于Y轴的方向上，而且，每一GMR元件的对应方向也一样。电源输入端C1，C2分别设置于G1c和G3c之间以及G2c和G4c之间，信号输出端C3、C4分别设置于G1c和G2c之间以及G3c和G4c之间。

如上所及，沿Y-Z垂直坐标系的Z轴排布的第四惠斯通电桥电路120d包括四个GMR元件G1d，G2d，G3d及G4d，每一GMR元件分别具有一个磁化方向P1d，P2d，P3d，P4d。具体地，该磁化方向P1d和P4d沿着Z轴的负方向，磁化方向P2d和P3d沿着Z轴的正方向。即，G1d和G2d的磁化方向P1d、P2d相互相反，而G3d及G4d的磁化方向P3d、P4d则相互相对。电源输入端D1，D2分别设置于G1d和G3d之间以及G2d和G4d之间，信号输出端D3、D4分别设置于G1d和G2d之间以及G3d和G4d之间。

同样地，电源输入端C1、D1共同接入一个电压，而电源输入端C2、D2接地。可选地，电源输入端C2、D2也可设置输入一个和C1、D1不同的电压。如上所述，第三惠斯通电桥电路110a的磁化方向位于Y轴上，第四惠斯通电桥电路110b的磁化方向位于Z轴上，即，两者互相垂直。因此，当外部磁场的方向在0-180°之间改变，第三、第四惠斯通电桥电路120c，120d的磁化方向随着改变，从而使第三惠斯通电桥电路120c的信号输出端C1、C2输出一个正弦信号，第四惠斯通电桥电路120d的信号输出端D1、D2输出一个余弦信号。从而，通过对正弦信号和余弦信号进行反正切计算，则可计算出地磁场相对第二地磁传感器120的倾斜角或横滚角。同样地，信号输出端C3、C4和D3、D4的信号输出的相位差为90°。通过结合第一地磁传感器110测出的俯仰角和第二地磁传感器120测出的横滚角，可以计算出地磁场的地磁方位角，从而达到定位的目的。

再且，由于第二惠斯通电桥电路110b和第三惠斯通电桥电路120d的磁化方向都在Y轴上，而且两者的结构、GMR元件布置一样，因此，Y轴作为第一地磁传感器110和第二地磁传感器120的公共轴，而第二惠斯通电桥电路110b和第三惠斯通电桥电路120d的输出信号可作为计算基准，从而提高俯仰角和横滚角的测量精度。

基于上述地磁传感器装置1的结构和GMR元件布置，本发明的地磁传感器装置1能达到稳定且较高的输出信号，并能高精度地测量地磁方位角。

图7展示了本发明地磁传感器装置2的第二个实施例。本实施例的地磁传感器装置2与第一个实施例相似，不同之处在于，第一地磁传感器110和第二地磁传感器120’之间的公共轴为X轴。具体地，该第一地磁传感器110和第一实施例一样，而第二地磁传感器120’的结构和布置则与第一实施例不同。更具体地，该第二地磁传感器120’包括布置在X-Z垂直坐标系上的第三惠斯通电桥电路120’c和第四惠斯通电桥电路120d。其中，第四惠斯通电桥电路120d的结构和布置和第一实施例相同，其沿着Z轴设置，其GMR元件的磁化方向P1d，P2d，P3d，P4d位于Z轴上。而第三惠斯通电桥电路120’c沿着X-Z垂直坐标系的X轴设置，其具有与第一惠斯通电桥电路110a相同的布置。磁化方向P1c，P2c，P3c，P4c和磁化方向P1a，P2a，P3a，P4a一致，皆位于X轴的方向上，而且，每一GMR元件的对应方向也一样。电源输入端C1，C2分别设置于G1c和G3c之间以及G2c和G4c之间，信号输出端C3、C4分别设置于G1c和G2c之间以及G3c和G4c之间。

类似地，通过对信号输出端A3、A4和B3、B4输出的正弦信号和余弦信号进行反正切计算，则可计算出地磁场相对第一地磁传感器110的俯仰角，而通过对信号输出端C3、C4和D3、D4输出的正弦信号和余弦信号进行反正切计算，则可计算出地磁场相对第二地磁传感器120’的横滚角，从而计算出地磁场的地磁方位角，进而达到定位的目的。

在本实施例中，X轴作为第一地磁传感器110和第二地磁传感器120’的公共轴，而第一惠斯通电桥电路110a和第三惠斯通电桥电路120’c的输出信号可作为计算基准，从而提高俯仰角和横滚角的测量精度。

图8展示了本发明数字罗盘3的一个实施例，其包括连接的地磁传感器装置1或2，模拟处理器31，A/D转换器32以及中央处理器(CPU)33。该地磁传感器装置1或2用于测量俯仰角和横滚角，并计算定位信息。该模拟处理器31用于放大和过滤地磁传感器装置1或2，该A/D转换器32用于将输出的模拟信号转换成数字信号，而CPU33则用于执行计算、校准和必要的补偿操作。

以上所揭露的仅为本发明的较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明申请专利范围所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。

Claims (4)

1.一种地磁传感器装置，其特征在于，包括：

第一地磁传感器，包括第一惠斯通电桥电路及第二惠斯通电桥电路，所述第一惠斯通电桥电路及所述第二惠斯通电桥电路位于同一水平坐标系；以及

第二地磁传感器，包括第三惠斯通电桥电路及第四惠斯通电桥电路，所述第三惠斯通电桥电路及所述第四惠斯通电桥电路位于同一垂直坐标系；

所述第一、第二、第三及第四惠斯通电桥电路均包括至少四个连接的磁阻元件，一对电源输入端及一对信号输出端；其中，

所述水平坐标系为X-Y水平坐标系，所述垂直坐标系为Y-Z垂直坐标系，所述第一惠斯通电桥电路的磁阻元件的磁化方向位于X轴上，所述第二惠斯通电桥电路及所述第三惠斯通电桥电路的磁阻元件的磁化方向位于Y轴上，所述第四惠斯通电桥电路的磁阻元件的磁化方向位于Z轴上；或

所述水平坐标系为X-Y水平坐标系，所述垂直坐标系为X-Z垂直坐标系，所述第二惠斯通电桥电路的磁阻元件的磁化方向位于Y轴上，所述第一惠斯通电桥电路及所述第三惠斯通电桥电路的磁阻元件的磁化方向位于X轴上，所述第四惠斯通电桥电路的磁阻元件的磁化方向位于Z轴上。

2.如权利要求1所述的地磁传感器装置，其特征在于：所述磁阻元件为巨磁阻元件、隧道磁阻元件、各向异性磁阻元件或霍尔元件。

3.一种数字罗盘，包括一地磁传感器装置，其特征在于，所述地磁传感器装置包括：

第一地磁传感器，包括第一惠斯通电桥电路及第二惠斯通电桥电路，所述第一惠斯通电桥电路及所述第二惠斯通电桥电路位于同一水平坐标系；以及

第二地磁传感器，包括第三惠斯通电桥电路及第四惠斯通电桥电路，所述第三惠斯通电桥电路及所述第四惠斯通电桥电路位于同一垂直坐标系；

所述第一、第二、第三及第四惠斯通电桥电路均包括至少四个连接的磁阻元件，一对电源输入端及一对信号输出端；其中，

所述水平坐标系为X-Y水平坐标系，所述垂直坐标系为Y-Z垂直坐标系，所述第一惠斯通电桥电路的磁阻元件的磁化方向位于X轴上，所述第二惠斯通电桥电路及所述第三惠斯通电桥电路的磁阻元件的磁化方向位于Y轴上，所述第四惠斯通电桥电路的磁阻元件的磁化方向位于Z轴上；或

所述水平坐标系为X-Y水平坐标系，所述垂直坐标系为X-Z垂直坐标系，所述第二惠斯通电桥电路的磁阻元件的磁化方向位于Y轴上，所述第一惠斯通电桥电路及所述第三惠斯通电桥电路的磁阻元件的磁化方向位于X轴上，所述第四惠斯通电桥电路的磁阻元件的磁化方向位于Z轴上。

4.如权利要求3所述的数字罗盘，其特征在于：所述磁阻元件为巨磁阻元件、隧道磁阻元件、各向异性磁阻元件或霍尔元件。