2. Анализ эффективности внедрения в производство цифрового магнитного компаса.

2.1 Характеристика технического решения

Современная концепция построения цифровых магнитных компасов основываются на использовании 3-х магниточувствительных датчиков, реагирующих на магнитное поле Земли (МПЗ), и 2-х датчиков наклона. Магнитные датчики расположены в корпусе прибора таким образом, чтобы их оси чувствительности образовывали ортогональный трехгранник OX_TY_TZ_T для измерения соответствующих проекций T_x, T_y, T_z вектора напряженности МПЗ. Оси же чувствительности датчиков наклона должны образовывать двумерную ортогональную систему координат OXY, параллельную плоскости OX_TY_T магниточувствительных датчиков.[11]

Области применения цифрового магнитного компаса:

• Системы навигации GPS и Глонасс.

• Многоканальные тепловизионные системы для сверхдальнего наблюдения.

• Для измерения углов ориентации: азимутального угла и углов крена.

• Датчики движения.

Особенности конструкции:

• Микроконтроллер

• Магниточувствительный датчик

• Двухосевой акселерометрический датчик

• Источник опорного напряжения

• Аналого-цифровой преобразователь

• Информативные линии

• Линии управления

Техническое задание на разрабатываемое устройство:

• диапазон измерения азимута 0 … 360⁰ ;

• рабочий диапазон температур – 20⁰ … + 40 ⁰ С;

• основная абсолютная погрешность измерения азимута не более + 0,5⁰;

• дополнительная абсолютная температурная погрешность измерения не более + 0,1⁰;

• напряжение источника питания 5 В;[11]

Для определения азимута возможно использование соответствующей математической модели (19), связывающей лишь 2 проекции T_x, T_y вектора напряженности МПЗ, при ориентации плоскости OX_TY_T параллельно плоскости горизонта:

, (41)

где - азимут.

Но при выполнении измерений плоскость OX_TY_T (плоскость основания ЦМК) зачастую сориентирована таким образом, что она образует с плоскостью горизонта углы наклона и крена.[11]

Для определения этих углов используются датчики наклона, например, двухосевые акселерометры. После определения углов наклона и крена плоскость OX_TY_T алгоритмически приводится к плоскости горизонта, в соответствии с базовой математической моделью (20), для компенсации влияния этих углов на результаты вычисления азимута /2/:

, (42)

где - угол наклона;

- угол крена.

При выполнении соответствующих преобразований можно с достаточной точностью (без учета инструментальных погрешностей) определить азимут. [11]

Основное же отличие разрабатываемых и выпускаемых ЦМК как отечественными, так и зарубежными производителями в настоящее время заключаются в соответствующем выборе магниточувствительных датчиков. В значительной степени от выбора соответствующего типа магниточувствительного датчика зависят технические характеристики, масса, габариты и стоимость электронного навигационного оборудования, в частности ЦМК.[11]

При обзоре отечественных и зарубежных источников были выявлены основные типы магниточувствительных датчиков применяемых в ЦМК:

- высокочувствительные датчики Холла;

- анизотропные магниторезистивные датчики;

- магнитоиндуктивные датчики;

- феррозондовые датчики.

Следует также отметить разработанный для прецизионного приборостроения отечественными учёными квантовый магниточувствительный датчик на основе высокотемпературного сверхпроводящего иттриевого купрата. Однако высокая сложность изготовления и эксплуатации этих датчиков ограничивает их широкое практическое применение.[11]

Ниже приводится краткий обзор перечисленных выше датчиков с описанием их особенностей. Некоторые технические характеристики датчиков сведены в таблицу 2 для наглядности проведения сравнительного анализа.[11]

Таблица 2 - Технические характеристики магниточувствительных датчиков

№	Датчики	Сравниваемые характеристики
		минимальное разрешение, нТл	Рабочий диапазон температур, °С	динамический диапазон, мкТл	потребляемая мощность, мВт	Уровень шума, нТл	Нелинейность, % FS
1	Холла	330	-30…+100	± 10	20-25	-	±0,01
2	магниторезистивные	12	-40…+125	±600	30-90	-	±0,1…2
3	магнитоиндуктивные	50	-40… +85	± 80	80-100	-	-
4	феррозондовые	0,1	- 25…+70	± 65	333 - 816	<0,3	± 0,05

Одним из ведущих производителей высокочувствительных датчиков Холла является нидерландская фирма Xensor Integration bv . Выпускаемый этой компанией датчик XEN – 1200, разработанный для ЦМК, обладает

следующими особенностями:

- встроенный интерфейс SPI последовательной передачи данных;

- абсолютная погрешность измерения не более 1⁰;

- отсутствие гистерезиса;

- высокая линейность статических характеристик;

- возможность непосредственного подключения к микроконтроллеру;

- низкое энергопотребление;

- малые габариты 4 2 2,4 мм.[11]

Ведущим производителем анизотропных магниторезистивных датчиков являются фирмы Philips, Honeywell, HL – Planartechnic . В основе принципа действия датчиков лежит анизотропный магниторезистивный эффект (АМР), который заключается в способности пермаллоевой (NiFe) пленки изменять своё сопротивление в зависимости от взаимной ориентации протекающего через неё тока и направления вектора намагниченности пленки.[11]

Магниторезистивные датчики характеризуются следующими особенностями:

- высокая чувствительность;

- широкий рабочий диапазон температур - 55 … + 150 ⁰ С;

- большое разнообразие конструктивных исполнений.

Стоит так же выделить некоторые недостатки этих датчиков, а именно:

- высокое энергопотребление, обусловленное наличием цепей для подачи установочного импульса тока 2…5 А длительностью 1 – 2 мкс через катушку SET/RESET датчика для ориентирования магнитных доменов всех магниторезистивных пленок в одном направлении. Эта процедура выполняется перед каждым измерением, переводя датчик в режим максимальной чувствительности;

- наличие схем сопряжения датчиков с микроконтроллером.[11]

Из перечисленных выше производителей фирма Honeywell выпускает широкий спектр цифровых магнитных компасов: HMR 3000, HMR 3001, HMR 3100, HMR 3200, HMR 3300, HMR 3500 TruePoint^TM, HMR 3600 μPOINT^©. Все эти компаса структурно состоят из трехосевых магниторезистивных датчиков и двухосевых акселерометров для компенсации наклона и крена. [11]