CN104834021A - 一种地磁传感器灵敏度的计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种地磁传感器灵敏度的计算方法。在地磁传感器上配置多组线圈，通过测量每个霍尔元件在环境磁场以及在由线圈通电产生外加的不同方向偏置的磁场作用下感应出的不同的磁场大小数据(霍尔输出电压)，采用最小二乘法获得所述地磁传感器的灵敏度。本发明的计算方法，可以及时检验出制造、安装传感器时由工艺和电路的偏差引起的灵敏度偏移，可以将灵敏度精准和有效地分解细化到任意一个空间轴，也可以在计算出实际传感器灵敏度之后，通过调整或重新配置线圈使传感器水平方向和垂直方向的磁灵敏度一致，能够对发生的灵敏度偏移的传感器进行灵敏度自校正，自诊断，提高测量结果的准确度。

Description

一种地磁传感器灵敏度的计算方法

技术领域

本发明属于地磁传感器设计领域，具体涉及一种地磁传感器灵敏度的计算方法。

背景技术

地磁传感器是可以将各种磁场及其变化的量转变成电信号输出的装置，在当今的信息社会中，地磁传感器已成为信息技术和信息产业中不可缺少的基础元件。而且随着整机产品的功能和性能要求越来越高，尤其是地磁导航的运用，对地磁传感器也提出了更高性能的要求，尤其是盲区导航，在隧道或地下商场这些卫星GPS信号无法接收到的场合。此外，地磁传感器还可以应用到手游中，对手机中手姿和姿态识别，以及车位状态监控和车辆识别。因此，向微型化、集成化、系统化、智能化方向迈进的新型地磁传感器将具有更加广阔的市场与前景。

图1显示了现有技术的三轴地磁传感器的结构剖面图，如下列非专利文献：1-3中介绍的地磁传感器器件结构。所述三轴地磁传感器均由制备在半导体衬底001上的数个霍尔元件002：通常是4个霍尔元件，以及通过在霍尔元件上方淀积保护层003进行隔离的，制备在霍尔元件上方的，具有聚磁功能的磁集中器004组成。通过磁集中器进行聚磁，再由霍尔元件来检测其磁场强度，就可以实现将磁场及其变化的量转变成电信号并输出，达到测量的目的。

众所周知，我们所在的地球是个大磁体，所有在地球上的物体都会受到地磁场的影响，在地磁场中处于不同的位置状态。地磁传感器就是依据地磁场在不同方向上的磁通分布不同，通过检测被测物体在空间三个轴上磁场强度的变化而显示其状态的。

对于通过测量水平方向和垂直方向的磁场来检测相互正交的两轴和三轴方向磁信号的磁传感器，其测量结果受多方影响：有由制造和安装工艺以及电路连线等原因引入的系统误差；还包括地磁本身在水平方向磁场和垂直方向磁场的磁灵敏度的不同。这些都会引起现有技术的磁传感器失调，使磁场检测误差。

非专利文献^*1：“Electronic Compass Sensor”(Robert Racz,ChristianSchott,and Samuel Huber,IEEE SENSORS Conference,2004:1446-1449.)

非专利文献^*2：“CMOS three axis Hall sensor and joystickapplication”(Christian Schott,Robert Racz,and Samuel Huber,IEEESENSORS Conference,2004:977-980.)

非专利文献^*3：“A CMOS Single-Chip Electronic Compass withMicrocontroller”(Christian Schott,Robert Racz,Samuel Huber,AngeloManco,Markus Gloor,and Nicolas Simonne,IEEE International Solid-StateCircuits Conference,2007:382-383.)

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提出一种地磁传感器的灵敏度计算方法。

为解决上述技术问题，提出的解决方案为通过一种地磁传感器灵敏度的计算方法，其步骤包括：

1)测量环境磁场，分离地磁传感器在X、Y、Z三个轴上的输出，得到环境磁场在水平方向和垂直方向的磁场成分数据，并作为第一测量数据；

2)外加偏置磁场并改变磁场方向，测量并记录不同条件下地磁传感器在三轴上的输出数据；

3)所得数据与第一测量数据进行比较，提取外加磁场的大小；

4)采用最小二乘法获得所述地磁传感器的灵敏度；

可选的，所述地磁传感器包含一个对称形状的磁集中器，其下方有四组霍尔元件与之部分叠加排列，中间以隔离层实现隔离，隔离层中对应于每个霍尔元件位置上方配置有产生垂直磁场的螺旋线圈，对应于磁集中器位置下方配置有产生水平磁场的片上电感线圈，霍尔元件和线圈均有连线与信号源相连；

优选的，所述对称形状的磁集中器，其形状为圆形；

优选的，所述四组霍尔元件在所述磁集中器边缘下方每隔90°放置一组，且每组霍尔元件的中心与磁集中器边缘上下对齐，霍尔元件与磁集中器部分叠加排列；

优选的，所述四组霍尔元件在所述磁集中器边缘下方每隔90°放置一组，且每组霍尔元件的中心与磁集中器边缘上下对齐，霍尔元件与磁集中器部分叠加排列；

优选的，所述隔离层中位于霍尔元件位置上方的线圈其在霍尔元件所在平面的投影环绕在霍尔元件外围，隔离层中位于磁集中器位置下方的线圈其投影位于由四组霍尔元件围成的平面内，且投影面积小于磁集中器；

可选的，步骤1通过对所述地磁传感器在X、Y、Z三个轴上的输出进行差分处理以得到环境磁场在水平方向和垂直方向的磁场成分数据；

可选的，步骤2所述对地磁传感器中部件加载电流以产生外加偏置磁场，以改变所加载电流的方向以改变外加偏置磁场方向；

可选的，步骤2中所述不同条件下测量地磁传感器，其具体条件为：

1)正向电流流入，产生垂直磁场，测量后得到第二测量数据；

2)反向电流流入，产生反向垂直磁场，测量后得到第三测量数据；

3)正向电流流入，产生水平磁场，测量后得到第四测量数据；

4)反向电流流入，产生反向水平磁场，测量后得到第五测量数据；

可选的，步骤3中所述比较数据提取外加磁场的大小的方法为：

1)由第一测量数据与外加垂直偏置磁场并改变磁场方向所得数据的全部或者两个的组合以计算出相互正交的水平两轴或立体三轴方向的磁场成分数据，并将磁场成分数据存储为第一磁场数据；

2)由第一测量数据与外加水平偏置磁场并改变磁场方向所得数据的全部或者两个的组合来算出相互正交的水平两轴或者立体三轴方向的磁场成分数据，将磁场成分数据存储为第二磁场数据；

3)根据第一磁场成分数据以及第二磁场成分数据算出水平两轴或者立体三轴外加磁场的数据，即外加磁场的大小；

可选的，步骤4中以外加磁场的大小为第一项，与之对应地磁传感器的测量数据为第二项，组成坐标，通过最小二乘法将不同条件下数据组成的坐标组进行直线拟合，所得直线的斜率为所述地磁传感器的灵敏度。

所谓霍尔效应，是运动的带电粒子在磁场中受到洛仑兹力作用而引起的偏转，从而形成附加的横向电场。霍尔片内定向运动的载流子所受洛仑兹力和静电作用力相等时，可以建立起稳定的电位差U_H。已知霍尔灵敏度K_H，当工作电流一定，可以得出垂直穿过元件宽面的磁场B。

地磁传感器是一类利用被测物体在地磁场中运动状态的不同，通过其感应到地磁场的分布变化而指示被测物体的姿态和运动角度等信息的测量装置。

由于我们身处在地球大磁体的三维空间中，可以用三轴立体来分解空间磁场，也就是通过X、Y、Z三轴上的磁通矢量来显示空间磁场的大小和方向。本发明提出的计算方法包含下列步骤：首先使用地磁传感器测量基本环境的磁场强度，然后人为的对传感器外加偏置磁场，并改变外加磁场方向，再进行测量，然后分解所有测量数据得到水平(X、Y轴)和垂直(Z轴)方向的外加磁场大小，最后采用最小二乘法获得所述地磁传感器的灵敏度，包括水平(X、Y轴)和垂直(Z轴)方向的地磁传感器的灵敏度。

为更好的解决技术问题，本发明提出的优化方案为，选用由霍尔元件来检测其磁场强度的地磁传感器来进行磁场测量，传感器具体由设置在半导体衬底上的霍尔元件和设置在该霍尔元件上的具有聚磁功能的磁集中器构成。所述地磁传感器由一个圆盘型的磁集中器并在其边缘上间隔每隔90°放置一组霍尔元件，同时通过配置多个检测垂直方向磁场和水平方向磁场的电感线圈来使水平方向和垂直方向的磁灵敏度一致，然后将四个霍尔元件的输出信号通过模拟电路进行信号处理，不同霍尔元件的输出电压可以相加或相减，从而实现一个三轴地磁传感器的功能。

所述地磁传感器包含一个圆形对称的磁集中器，其下方有四组霍尔元件与之部分叠加排列，中间以隔离层实现隔离，隔离层中对应于霍尔元件位置上方每隔90°每个配置有产生垂直磁场的线圈，对应于磁集中器位置下方配置有产生水平磁场的线圈，霍尔元件和线圈均有连线与信号源相连，便于收集霍尔元件测量数据以及通过导入电流实现外加偏置磁场。

由现有技术可知：当多个霍尔元件的感磁面的中心位置位于距磁收敛板的中心位置为上述收敛板的半径距离的0.55～0.95以及0.95～1.0倍的区域内时，相对于磁收敛板的直径变动、水平面内的错位，X轴、Y轴的灵敏度的偏差变小，可以实现使X轴、Y轴的灵敏度与Z轴的灵敏度的良好的平衡；而且磁集中器边缘的磁感线密度最大，磁场放大效果最好，因此所选用的地磁传感器霍尔元件的中心位置与磁集中器的边缘上下对齐。

对于霍尔元件上方线圈导入电流可以产生垂直磁场，对应于磁集中器下方线圈导入电流可以产生水平磁场。改变电流导入的方向，也就改变了磁场的方向。

地磁传感器，首先测量没有外加偏置磁场时的环境磁场，然后在施加了上述不同条件的外加偏置磁场下，进行测量。通过获取没有外加偏置磁场时，即线圈没有导入电流，霍尔元件输出和对线圈通电时的霍尔元件输出的差，能够排除来自外部环境磁场，含干扰磁场的影响，仅提取线圈通电所产生偏置磁场所引起的信号；通过获取没有外加偏置磁场时，即线圈没有导入电流，霍尔元件输出与反方向对线圈通电时霍尔元件输出的差，也能够提取来自线圈的产生磁场所引起的信号；由所提取的来自线圈的产生磁场所引起的信号相对于环境磁场所得到的信号值可计算得出灵敏度。

本发明提出的地磁传感器灵敏度的计算方法，通过对地磁传感器三轴中X轴和Y轴上的输出进行差处理来得到水平方向的磁场成分，通过对三轴中Z轴上的输出进行差处理来得到垂直方向的磁场成分；分别测量每个霍尔元件，然后计算出每个霍尔元件上地磁场在每个轴的分量UH(形成第一测量数据组)；分别测量由线圈通电所产生的水平或垂直的外加偏置磁场并且正反向切换电流方向的条件下，每个霍尔元件在每个轴的分量，得到其他组数据(共16组数据)；与第一组测量数据组比较，可以提取线圈产生磁场在三轴上的大小；由于地磁传感器中配置的线圈，其面积和导入的电流大小已知，可以计算出一个线圈产生磁场的理想值。以得到的16组数据按三轴分别建立二维坐标(A,B)：以线圈产生磁场的大小为第一项，A，对应霍尔元件的电压值为坐标的第二项，B。按X、Y、Z三轴，每个霍尔元件对应四组坐标值，这四组坐标值是一个线性的关系，采用最小二乘法对这四个坐标值进行一个直线的拟合，直线反映的是霍尔元件的电压与对应轴的磁场强度的线性关系，拟合的直线的斜率就是需要求出的对应轴的霍尔元件的灵敏度KH。

得出灵敏度KH之后，代入公式B＝UH/(KH·I)，则可以根据测量得到的霍尔电压值以获得经过补偿之后的磁场数据。

由此可见，使用发明提出的地磁传感器灵敏度的计算方法，不但可以及时检验出由于地磁传感器在制造、安装期间由于工艺和电路的偏差引起的传感器输出灵敏度偏移，而且可以将灵敏度分解细化到具体的任意一个空间轴，其对传感器灵敏度的校正是非常精准和有效的。同时，由于本发明选用的地磁传感器本身已经集成了可以通过导入电流产生外加偏置磁场的线圈，也可以在计算出实际传感器灵敏度之后，通过调整或重新配置能够产生垂直方向磁场的片上电感线圈来使水平方向和垂直方向的磁灵敏度一致。这对于现有技术的地磁传感器是一个很大改进，能够对发生的灵敏度偏移进行灵敏度自校正，并且能够根据磁传感器的灵敏度是否良好的判断进行自诊断，使用经过磁灵敏度补偿调整后的传感器进行测量，可以大大提高测量结果的准确度。

附图说明

图1是现有技术地磁传感器的结构剖面图。

图2是本发明方法的地磁传感器的俯视图。

图3是本发明方法的地磁传感器的结构剖面图。

图4是发明方法的地磁传感器的水平磁场分量示意图。

图5是发明方法的数据坐标示意图。

图6是发明方法的地磁传感器垂直磁场产生线圈通正向电示意图。

图7是发明方法的地磁传感器水平磁场产生通正向电流示意图。

具体实施方式

为使本发明的内容更加清楚易懂，以下结合说明书附图，对本发明的内容作进一步说明。当然本发明并不局限于该具体实施例，本领域内的技术人员所熟知的一般替换也涵盖在本发明的保护范围内。

其次，本发明利用示意图进行详细的表述，在详述本发明实例时，为了便于说明，示意图不依照一般比例局部放大，不应以此作为对本发明的限定。

本发明提出一种地磁传感器灵敏度的计算方法，其步骤包括：

测量环境磁场，分离地磁传感器在X、Y、Z三个轴上的输出，得到环境磁场在水平方向和垂直方向的磁场成分数据，并作为第一测量数据；

外加偏置磁场并改变磁场方向，测量并记录不同条件下地磁传感器在三轴上的输出数据；

所得数据与第一测量数据进行比较，提取外加磁场的大小；

本发明所使用的地磁传感器包含一个对称形状的磁集中器，其下方有四组霍尔元件与之部分叠加排列，中间以隔离层实现隔离，隔离层中对应于每个霍尔元件位置上方配置有产生垂直磁场的螺旋线圈，对应于磁集中器位置下方配置有产生水平磁场的片上电感线圈，霍尔元件和线圈均有连线与信号源相连。

以下将结合图2～图3，具体陈述本发明地磁传感器的灵敏度计算方法所涉及的地磁传感器结构。

参见图2，所述的地磁传感器中有4个霍尔元件，X轴霍尔元件2个：HX01和HX02；Y轴霍尔元件2个：HY01和HY02，被设置在半导体衬底上(图中未标示)。在该半导体衬底上覆盖各霍尔元件地设置有具有聚磁功能的磁集中器MCD00。霍尔元件与具有聚磁功能的磁集中器组合，则可以具有一个有三个坐标的三轴坐标轴系或者两个坐标轴相互正交的两轴坐标系或者三轴坐标系：即相互正交的两轴或者三轴的检测轴。每个霍尔元件的中心与磁集中器MCD00的端部区域上下对齐。在每个霍尔元件外围包围着可以产生垂直磁场的螺旋线圈：HX01～02和HY01～02；在霍尔元件包围的区域内部上方，以及磁集中器MCD00下方设置有片上平面线圈CH00，用以在垂直于磁集中器的磁感应方向上产生水平磁场，用于灵敏度测量。由设置在磁集中器端部区域的霍尔元件来检测由线圈CH00产生的水平磁场成分。

参见图3，该图是地磁传感器沿图2的A-A’线，即X轴的结构剖面示意图。如图所示，霍尔元件HX01和HX02的中心与磁集中器MCD00的端部区域上下对齐。用于产生水平或垂直的偏置磁场的线圈位于磁集中器MCD00和霍尔元件中间的隔离层(图中未显示)中。

以下将结合图4，陈述本发明地磁传感器进行磁场检测的基本过程。

参见图4，为简化起见，现在只考虑水平方向的地磁场分量，而且只考虑水平方向地磁分量矢量在X轴的大小，Y轴的分析可以依次类推。

在X轴方向上这样一个地磁分量的矢量A进入了磁集中器，由于磁集中器MCD00的聚磁效应，在其靠近霍尔元件HX01的端口附近垂直方向上有着一个大小和水平方向的地磁分量A成一定比例关系的磁场矢量B存在；同样，在其靠近霍尔元件HX02的端口附近垂直方向上也有着一个大小和水平方向的地磁分量A成一定比例关系的垂直方向的磁场矢量B‘存在。由此，我们可以通过检测霍尔元件上由这个垂直磁场感应的电压值的大小去计算水平方向的地磁分量矢量A的大小。

由于Z轴是一直存在的，即Z轴方向的磁场的作用也是一直存在的。如图3中地磁场分解到Z轴的分量矢量C同时穿过X轴上对应的两个霍尔元件HX01和HX02，同样可以由检测感应到的电压来计算Z轴的分量矢量C的大小。通过相对应的两个霍尔元件的磁场关系的差计算就可以分别计算出三个轴的磁场强度。

以下将结合图5～图7，以实施例具体陈述并详细说明本发明地磁传感器的灵敏度计算方法。

灵敏度测量步骤具体如下：第一步，先设定不使电流流过水平磁场产生线圈和垂直磁场产生线圈，由第一至第四组霍尔器件(HX01～02和HY01～02)来测量磁场强度，并存储为第一测量数据。第二步，使电流流过垂直磁场产生线圈(CVX01～CVX02)来产生磁场，由第一至第四组霍尔器件(HX01～02和HY01～02)来测量磁场强度，并存储为第二测量数据。第三步，使反向电流流过垂直磁场产生线圈(CVX01～CVX02)以产生反向磁场，由第一至第四组霍尔器件(HX01～02和HY01～02)来测量磁场强度，并存储为第三测量数据。第四步，使电流流过水平磁场产生线圈CH00来产生磁场，由第一至第四组霍尔器件(HX01～02和HY01～02)来测量磁场强度，并存储为第四测量数据。第五步，使反向电流流过水平磁场产生线圈CH00来产生反向磁场，由第一至第四组霍尔器件(HX01～02和HY01～02)来测量磁场强度，并存储为第五测量数据。第六步，根据第一测量数据、第二测量数据、第三测量数据的全部或者分别两两的组合，计算出相互正交的两轴或者三轴方向的磁场成分数据，并将磁场成分数据存储为第一磁场灵敏度数据。第七步，根据第一测量数据、第四测量数据、第五测量数据的全部或者分别两两的组合来算出相互正交的两轴或者三轴方向的磁场成分数据，将磁场成分数据存储为第二磁场灵敏度数据。第八步，根据第一磁场成分数据以及第二磁场成分数据算出两轴或者三轴磁场灵敏度的校正系数，存储校正系数。由此，能够对灵敏度偏移进行灵敏度自校正，并且能够通过磁传感器的灵敏度是否良好的判断进行自诊断。

参见图5，在地磁芯片平面上建立坐标系,将相对的霍尔元件中X轴一侧：HX01设为X1,另一侧HX02:设为X2,将Y轴一侧HY01：设为Y1,另一侧HY02:设为Y2。同时，将垂直于地磁芯片平面的坐标轴定义为Z轴，其两端分别表示为Z1和Z2。X11表示霍尔元件X1的第一次测量的数据，X12表示霍尔元件X2的第一次测量数据，X21表示霍尔元件X1的第二次测量数据，以此类推。以上数据的均是电压值。对通过上述过程获取的X1、X2、Y1、Y2的各输出进行如下运算。通过对三轴地磁传感器X轴和Y轴上的输出进行差处理来得到水平方向的磁场成分。下列公式(1)、(2)中系数为校正系数。

H_X-(X₁₁-X₁₂)/系数               (1)

H_Y-(Y₁₁-Y₁₂)/系数               (2)

同理，可得到垂直方向成分：

H_Z＝(Z₁₁-Z₁₂)/系数              (3)

计算出地磁场在每个轴的分量之后，通过第2至第5组数据和第一测量数据的比较可以仅提取线圈产生磁场的大小。相对于设定的基准值，可以得到霍尔元件的灵敏度。

参见图6，磁场矢量V是垂直磁场产生线圈CVX01和CVX02产生的磁场情况。线圈CVX01和CVX02正向通电后产生垂直方向磁场，霍尔元件HX01和HX02可以直接感应并检测到。同理，线圈CVX01和CVX02反向通电后会产生反向的垂直磁场，霍尔元件HX01和HX02也可以直接感应并检测到。

由第一磁场灵敏度数据进行第一磁场灵敏度计算：

-垂直方向磁场产生线圈CVX01和CVX02通正向电，由第一测量数据和第二测量数据得：

霍尔元件X1上的由线圈产生的磁场：A_X1＝X₂₁-H_X+H_Z

霍尔元件X2上的由线圈产生的磁场：A_X2＝X₂₂+H_X+H_Z

霍尔元件Y1上的由线圈产生的磁场：A_Y1＝Y₂₁-H_Y+H_Z

霍尔元件Y2上的由线圈产生的磁场：A_Y2＝Y₂₂+H_Y+H_Z

-垂直方向磁场产生线圈CVX01和CVX02通反向电，由第一测量数据和第三测量数据得：

霍尔元件X1上的由线圈产生的磁场：B_X1＝-X₃₁-H_X+H_Z

霍尔元件X2上的由线圈产生的磁场：B_X2＝-X₃₂+H_X+H_Z

霍尔元件Y1上的由线圈产生的磁场：B_Y1＝-Y₃₁-H_Y+H_Z

霍尔元件Y2上的由线圈产生的磁场：B_Y2＝-Y₃₂+H_Y+H_Z

参见图7，水平磁场产生线圈CH00正向通电后产生水平方向磁场，磁场矢量为D。该磁场通过磁集中器MCD00的聚磁效应后，由靠近其端口附近的霍尔元件HX01和HX02感应到方向垂直向上的，大小水平方向磁场矢量为D成一定比例关系的磁场矢量H。同理，线圈CH00反向通电后会产生反向的水平磁场，也是通过磁集中器MCD00的聚磁效应后被霍尔元件HX01和HX02感应并检测到的。

由第二磁场灵敏度数据进行第二磁场灵敏度计算：

-水平方向磁场产生线圈CH00通正向电，由第一测量数据和第四测量数据得：

霍尔元件X1上的由线圈产生的磁场：C_X1＝X₄₁-H_X+H_Z

霍尔元件X2上的由线圈产生的磁场：C_X2＝X₄₂+H_X+H_Z

霍尔元件Y1上的由线圈产生的磁场：C_Y1＝Y₄₁-H_Y+H_Z

霍尔元件Y2上的由线圈产生的磁场：C_Y2＝Y₄₂+H_Y+H_Z

-水平方向磁场产生线圈CH00通反向电，由第一测量数据和第五测量数据得：

霍尔元件X1上的由线圈产生的磁场：D_X1＝-X₅₁-H_X+H_Z

霍尔元件X2上的由线圈产生的磁场：D_X2＝-X₅₂+H_X+H_Z

霍尔元件Y1上的由线圈产生的磁场：D_Y1＝-Y₅₁-H_Y+H_Z

霍尔元件Y2上的由线圈产生的磁场：D_Y2＝-Y₅₂+H_Y+H_Z

由于所选地磁传感器中的线圈面积和外加偏置磁场所需通入的电流均为已知，根据上述已知条件，可以计算出一个线圈产生磁场的理想值。将垂直磁场产生线圈的产生的磁场记为m，磁场朝Z轴正向为正；水平磁场产生线圈产生的磁场记为n，磁场朝Z轴正向为正。

由此，可以得到十六组坐标值，每组坐标以线圈产生磁场的大小为第一项，对应霍尔元件的电压值为坐标的第二项，每个霍尔元件对应四组坐标值，这四组坐标值应该是一个线性的关系，所以我们可以用最小二乘法对每个霍尔元件的四个坐标值进行一个直线的拟合，直线反映的是霍尔元件的电压与磁场强度的线性关系，拟合的直线的斜率就是我们需要求出的霍尔元件的灵敏度。最小二乘法的数学公式如下：

$k=\frac{{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^n(X_i-\stackrel{\‾}{X})(y_i-\stackrel{\‾}{y})}{{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^n{(X_i-\stackrel{\‾}{X})}^2}=\frac{{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^n{X}_i{y}_i-n\stackrel{\‾}{X}\stackrel{\‾}{y}}{{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^n{X_i}^2-{n\stackrel{\‾}{X}}^2}---\left(4\right)$

下面以求出霍尔元件X1上磁场强度为例：

$\stackrel{\‾}{X}=(m-m+n-n)/4---\left(5\right)$

$\stackrel{\‾}{Y}=(A_{X1}+A_{X2}+A_{Y1}+A_{Y2})/4---\left(6\right)$

${\mathrm{\Σ}}_{i=1}^n{X}_i{y}_{i-n{\stackrel{\‾}{X}}_{\stackrel{\‾}{y}}}=({\mathrm{mA}}_{X1}-{\mathrm{mA}}_{X2}+n{A}_{Y1}-{\mathrm{nA}}_{Y2})-\left(\frac{m-m+n-n}{4}\right)\×\frac{A_{X_1}+A_{X_2}+A_{Y_1}+A_{Y_2}}{4}---\left(7\right)$

${\mathrm{\Σ}}_{i=1}^n{X_i}^2-n{\stackrel{\‾}{X}}^2=2m^2+2n^2-n((m-m+n-n)/4{)}^{2}n{((m-m+n-n)/4)}^2---\left(8\right)$

由公式(7)和(8)，可得灵敏度K：

$K=\frac{({\mathrm{mA}}_{X_1}-{\mathrm{mA}}_{X_2}+{\mathrm{nA}}_{Y_1}-{\mathrm{nA}}_{Y_2})-((m-m+n-n)/4)\×(A_{X_1}+A_{X_2}+A_{Y_1}+A_{Y_2})/4}{{2m}^2+2n^2-n{((m-m+n-n)/4)}^2}---\left(9\right)$

同理，可以分别计算出其他三个霍尔元件的灵敏度。

在得到灵敏度系数之后代入公式B＝U_H/(K_H·I)，然后可以根据测量得到的霍尔电压值以获得经过补偿之后的磁场数据。

本发明的地磁传感器的灵敏度计算方法，是通过一个圆盘型的磁集中器并在其边缘上每隔90°放置一组霍尔元件，同时通过配置多个检测垂直方向磁场的元件来使水平方向和垂直方向的磁灵敏度一致，然后将四个霍尔元件的输出信号通过模拟电路进行信号处理，不同霍尔元件的输出电压可以相加或相减，从而实现一个三轴地磁传感器的功能。

上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。

Claims (10)

1.一种地磁传感器灵敏度的计算方法，其步骤包括：

1)测量环境磁场，分离地磁传感器在X、Y、Z三个轴上的输出，得到环境磁场在水平方向和垂直方向的磁场成分数据，并作为第一测量数据；

2)外加水平或垂直的偏置磁场并改变磁场方向，测量并记录不同条件下地磁传感器在三轴上的输出数据；

3)所得数据与第一测量数据进行比较，提取外加磁场的大小；

4)采用最小二乘法获得所述地磁传感器的灵敏度。

2.如权利要求1所述的一种地磁传感器灵敏度的计算方法，其特征在于，所述地磁传感器包含一个对称形状的磁集中器，其下方有四组霍尔元件与之部分叠加排列，中间以隔离层实现隔离，隔离层中对应于每个霍尔元件位置上方配置有产生垂直磁场的螺旋线圈，对应于磁集中器位置下方配置有产生水平磁场的片上电感线圈，霍尔元件和线圈均有连线与信号源相连。

3.如权利要求2所述的一种地磁传感器灵敏度的计算方法，其特征在于，所述对称形状的磁集中器，其形状为圆形。

4.如权利要求2所述的一种地磁传感器灵敏度的计算方法，其特征在于，所述四组霍尔元件在所述磁集中器边缘下方每隔90°放置一组，且每组霍尔元件的中心与磁集中器边缘上下对齐，霍尔元件与磁集中器部分叠加排列。

5.如权利要求2所述的一种地磁传感器灵敏度的计算方法，其特征在于，所述隔离层中位于霍尔元件位置上方的线圈其在霍尔元件所在平面的投影环绕在霍尔元件外围，隔离层中位于磁集中器位置下方的线圈其投影位于由四组霍尔元件围成的平面内，且投影面积小于磁集中器。

6.如权利要求1所述的一种地磁传感器灵敏度的计算方法，其特征在于，步骤1通过对所述地磁传感器在X、Y、Z三个轴上的输出进行差分处理以得到环境磁场在水平方向和垂直方向的磁场成分数据。

7.如权利要求1所述的一种地磁传感器灵敏度的计算方法，其特征在于，步骤2所述对地磁传感器中部件加载电流以产生外加偏置磁场，以改变所加载电流的方向以改变外加偏置磁场方向。

8.如权利要求1所述的一种地磁传感器灵敏度的计算方法，其特征在于，步骤2中所述不同条件下测量地磁传感器，其具体条件为：

1)正向电流流入，产生垂直磁场，测量后得到第二测量数据；

2)反向电流流入，产生反向垂直磁场，测量后得到第三测量数据；

3)正向电流流入，产生水平磁场，测量后得到第四测量数据；

4)反向电流流入，产生反向水平磁场，测量后得到第五测量数据。

9.如权利要求1所述的一种地磁传感器灵敏度的计算方法，其特征在于，步骤3中所述比较数据提取外加磁场的大小的方法为：

1)由第一测量数据与外加垂直偏置磁场并改变磁场方向所得数据的全部或者两个的组合以计算出相互正交的水平两轴或立体三轴方向的磁场成分数据，并将磁场成分数据存储为第一磁场数据；

2)由第一测量数据与外加水平偏置磁场并改变磁场方向所得数据的全部或者两个的组合来算出相互正交的水平两轴或者立体三轴方向的磁场成分数据，将磁场成分数据存储为第二磁场数据；

3)根据第一磁场成分数据以及第二磁场成分数据算出水平两轴或者立体三轴外加磁场的数据，即外加磁场的大小。

10.如权利要求1所述的一种地磁传感器灵敏度的计算方法，其特征在于，步骤4中以外加磁场的大小为第一项，与之对应地磁传感器的测量数据为第二项，组成坐标，通过最小二乘法将不同条件下数据组成的坐标组进行直线拟合，所得直线的斜率为所述地磁传感器的灵敏度。