唐原广，李保成

（中国海洋大学 海洋工程学院，青岛 266100）

引 言

海流作为海洋水文三大要素之一，在海洋调查中极其重要，它与海洋水文规律和人类海上活动都有着密切关系，而流向是海流必测要素。已经实用化的方位传感器有陀螺仪、GPS遥测、电子罗盘、磁阻传感器等。本文介绍了一种基于HoneyWell公司的HMC1002双轴磁阻传感器的实时流向测量系统。

1 系统构成

整个系统的结构框图如图1所示。

图1 系统结构框图

双轴磁阻传感器HMC1002经过调理及放大电路输出2路模拟信号，经多路开关、A／D转换器进入单片机，单片机数字处理后即输出方位。HMC1002放大电路如图2所示。

图2 HMC1002放大电路

2 方位传感器组成及工作原理

2.1 方位传感器组成

方位传感器由HMC1002双足磁阻传感器、放大电路、垂摆等组成。HMC1002放大电路印制板如图3所示。

图3 HMC1002放大电路印制板

HMC1002电路板放在一个万向节式的垂摆内，当垂摆随其测量平台发生倾斜时垂摆绕其摆心仍保持铅直状态，从而保证磁阻敏元件的两个互相垂直的敏感方向轴所在平面水平，即保证HMC1002磁敏感元件始终测量的是水平地磁场。

2.2 HMC1002工作原理

磁阻传感器是利用磁原理测量地磁场沿载体坐标系分量，再将载体坐标系旋转到地理坐标系下，通过数值计算、误差校正可准确地得出载体的航向角。HMC1002传感器是简单的电阻电桥设备，只需要一个供电电压便可测量磁场。HMC1002内部电路如图4所示。

图4 HMC1002内部电路

2.3 流向测量的具体实现

传感器自身坐标系与地平坐标系方位关系如图5所示。根据系统的设计要求及特征，系统中的具体应用为：已知地磁场的水平分量H与地球表面平行，指向地磁北极，因此测出水流方向与地磁场水平分量之间的夹角即可知道流向。将磁阻传感器放置在水平面上，则能感应X轴和Y轴方向上的磁场Hx和Hy，其矢量和即为地磁场水平分量H，当传感器Y轴指向水流方向时，再将仪器自身坐标转化为地平坐标，则有 Hx＝H·sinα，Hy＝H·cosα。

图5 传感器自身坐标系与地平坐标系方位关系

水流与地磁场水平分量H之间的夹角α，根据方位角定义，在不同情况下，有不同的计算公式。

HMC1002有2种方式可以消除或减少温度漂移、非线性错误、交叉轴影响，以及由于高磁场的存在而导致信号输出的丢失：

① 利用偏置电流带技术。特定大小的电流流过偏置电流带可以消除任何环境磁场。例如为减少汽车罗盘应用中车体对地球磁场的影响，如果磁阻传感器中的位置固定，则汽车对地球磁场的影响可以近似地看作为此磁场内的位移，或者偏置。如果此偏置可以确定，那么利用偏置电流带施加一个场强大小相同，方向相反的磁场可以进行补偿。偏置电流带的另一种用途是可以驱动电流通过电流带，将精确地抵消测量磁场。这被称作闭环结构，电流反馈信号是所施加磁场的直接度量。

② 利用装在芯片内部的“置位／复位”电流带，加以3.5A以上的脉冲电流（80Oe时）即可以重新校准或反置传感器内的敏感元件，该脉冲宽度可短至2μs，连续脉冲时平均耗电少于1mA（DC）。可选定为每50ms有一个2 μs脉宽或者更长的脉冲以节电。唯一的要求是每个脉冲只在一个方向上施加。通过2次置位、复位操作，置位和复位的电压输出之差正是磁场值的2倍减去失调输出，这是因为在置位和复位的条件下，传感器的传输特性曲线斜率一正一负，刚好抵消了桥路的失调输出。本文利用第2种方式消除、减少信号输出的丢失。

3 软件设计

HMC1002传感器的测量流程如图6所示。

图6 HMC1002测量流程

结 语

虽然HMC1002通过设置，自身可以矫正，但地理上的北极和磁北极并不完全一致，因此产生了一个磁偏角β（磁针静止时所指的北极与真正北极的夹角）。要得到真实的流向值α＊，还需要用磁偏角进行修正α＊＝α±β。通常情况也可以用方位传感器矫正仪矫正，HMC1002除可以用于海流流向测量外，还可用于波浪浮标方向的测量。

［1］王娟.SZF型方位传感器方位定标测试方法［J］.海洋技术，2009（2）：1－2.

［2］王凤玲.基于倾角法的海流计设计［D］.青岛：中国海洋大学，2008：23－29.

［3］Honeywell.1－and 2－Axis Magnetic Sensors HMC1001／1002／1021／1022［EB／OL］.［2011－05］.http：／／www.honeywell.com.

［4］胡汉才.单片机原理及其接口技术［M］.北京：清华大学出版社，2004.