Clasificación de las brújulas digitales

Con el desarrollo continuo de la tecnología de integración microelectrónica, tecnología de procesamiento y tecnología de materiales. La investigación, fabricación y aplicación de brújulas digitales ha alcanzado niveles sin precedentes. En la actualidad, las brújulas digitales se pueden dividir en brújulas digitales planas y brújulas digitales tridimensionales según tengan compensación de inclinación. Según los diferentes sensores, también se pueden dividir en sensores de efecto magnetorresistivo, sensores de efecto Hall y sensores fluxgate. Los sensores de efecto magnetorresistivo se fabrican basándose en el efecto magnetorresistivo de materiales magnéticos. Los materiales magnéticos (como la aleación permanente) son anisotrópicos. Cuando se magnetiza, la dirección de la magnetización dependerá del eje fácil del material, la forma del material y la dirección del campo magnetizante. Como se muestra en la Figura 2-1 a continuación, cuando la corriente I actúa sobre un material de aleación permalloy en forma de tira, la resistencia del material depende del ángulo entre la dirección de la corriente y la dirección de magnetización. Si se aplica un campo magnético B (campo de medición) al material, girará la dirección de magnetización original. Si la dirección de magnetización se gira perpendicular a la corriente, la resistencia del material disminuye; si la dirección de magnetización se gira paralela a la dirección de la corriente, la resistencia del material aumenta. Un sensor de efecto magnetorresistivo normalmente consta de cuatro resistencias conectadas en un puente. Bajo la acción del campo magnético B medido, la resistencia de las dos resistencias en posiciones opuestas en el puente aumenta, mientras que la resistencia de las otras dos resistencias disminuye. Dentro de su rango lineal, el voltaje de salida del puente es proporcional al campo magnético medido.

Figura 2-1 Efecto magnetorresistivo

Los sensores magnetorresistivos se han fabricado en obleas de silicio y se han convertido en productos. Su sensibilidad y linealidad pueden cumplir con los requisitos de una brújula magnética, y su rendimiento en todos los aspectos se atribuye obviamente al elemento Hall. Los errores de histéresis y la deriva de temperatura cero también se pueden eliminar alternando la magnetización directa e inversa del sensor. Debido a estas propiedades superiores, los sensores magnetorresistivos pueden competir con las compuertas de flujo en determinadas aplicaciones.

El principal problema de los sensores magnetorresistivos es su efecto de inversión, que es inherente a su principio. Como se mencionó anteriormente, los materiales magnéticos se magnetizan antes de su uso y luego, si encuentran un campo magnético fuerte en la dirección opuesta (más de 20 Gauss), la magnetización del material se verá afectada, lo que afectará el rendimiento del sensor. En casos extremos, la dirección de magnetización se invertirá 180 grados. Si bien este peligro puede eliminarse con una magnetización regular, todavía existen problemas. El campo magnético de los materiales magnetizados debe ser muy fuerte. Si se utiliza una bobina externa para generar un campo magnético magnetizante periódico, se pierde el significado de miniaturización. Una patente de Honeywell resuelve este problema. Hicieron una tira de corriente en el chip de silicio para generar un campo magnético magnetizante. La resistencia de la tira de corriente era de sólo unos 5 ohmios. Aunque la corriente magnetizante es de sólo 1 a 2 milisegundos, la intensidad de la corriente puede llegar a ser de 1 a 1,5 amperios. Sin embargo, esta solución tiene altos requisitos en el circuito de accionamiento. Si se integra en un microsistema, una corriente de pulso tan fuerte amenazará la confiabilidad de otros circuitos, como el microprocesador del sistema. El principio de funcionamiento del sensor magnético de efecto Hall se muestra en la Figura 2-2. Si se aplica una corriente I a lo largo de una pieza metálica rectangular y se aplica un campo magnético mejorado B en la dirección perpendicular al plano de la pieza debido a la fuerza de Lorentz sobre los portadores, se generará una diferencia de voltaje U en su dirección transversal, cuya magnitud será directamente proporcional a la corriente I, al campo magnético B y al coeficiente de Hall r del material, e inversamente proporcional al espesor d de la chapa metálica. El efecto Hall, descubierto hace más de 100 años, es difícil de aplicar porque el coeficiente Hall de los materiales generales es muy pequeño. En realidad, no se utilizó para medir el campo magnético hasta la aparición de los semiconductores. Esto se debe a que el número de portadores en un semiconductor es muy pequeño. Si la corriente que se le aplica es la misma que la de un material metálico, la velocidad de los portadores en el semiconductor será más rápida, la fuerza de Lorentz será mayor y el coeficiente del efecto Hall será mayor.

El sensor magnético de efecto Hall tiene las ventajas de tamaño pequeño, peso ligero, bajo consumo de energía, bajo precio y circuito de interfaz simple, y es especialmente adecuado para la medición de campos magnéticos fuertes. Sin embargo, tiene las desventajas de baja sensibilidad, alto ruido y bajo rendimiento de temperatura. Aunque para medir el campo geomagnético también se pueden utilizar algunos elementos Hall altamente sensibles o medidas de concentración magnética, generalmente se utilizan en lugares con requisitos bajos.

El método de saturación magnética se basa en el principio de modulación magnética, es decir, bajo la excitación de saturación de un campo magnético alterno, la relación no lineal entre la intensidad de inducción magnética del núcleo de material ferromagnético en el campo magnético medido El campo y la intensidad del campo magnético se utilizan para medir el método del campo magnético débil. Un magnetómetro que utiliza el método de saturación magnética para medir campos magnéticos se llama magnetómetro de saturación magnética, también conocido como magnetómetro fluxgate o magnetómetro de sonda ferromagnética. El método de saturación magnética se puede dividir aproximadamente en dos categorías: método de selección armónica y método de no selección armónica. El método de selección de armónicos solo considera los armónicos pares (principalmente el segundo armónico) de la fuerza electromotriz inducida por la sonda y filtra otros armónicos. El método armónico no selectivo mide directamente el espectro completo de la fuerza electromotriz inducida por la sonda sin filtrar; . Se pueden utilizar sondas de saturación magnética diferencial para formar medidores de gradiente de saturación magnética, que pueden medir campos magnéticos no uniformes. Al mismo tiempo, el gradiómetro puede superar la influencia del campo geomagnético y suprimir las interferencias externas. Este magnetómetro se ha desarrollado y mejorado continuamente desde que se utilizó para mediciones geomagnéticas en la década de 1930, y sigue siendo uno de los instrumentos básicos para medir campos magnéticos débiles. El magnetómetro de saturación magnética tiene las ventajas de alta resolución, amplio rango de medición de campos magnéticos débiles, confiabilidad, simplicidad, bajo costo y durabilidad. Puede medir directamente los componentes del campo magnético y es adecuado para sistemas de movimiento de alta velocidad. Por lo tanto, se utiliza ampliamente en diversos campos, como la investigación geomagnética, la exploración geológica, el reconocimiento de armas, las pruebas no destructivas de materiales, la medición del campo magnético espacial, etc. En los últimos años, los magnetómetros de saturación magnética se han utilizado ampliamente en la ingeniería aeroespacial, como el control de la actitud de satélites y cohetes, el mapeo del "viento solar" del sol y la interacción de los campos magnéticos espaciales, los campos magnéticos lunares y los campos magnéticos planetarios. y campos magnéticos interplanetarios con modo de partículas cargadas.

Aunque los fluxgates todavía tienen problemas como circuitos de procesamiento relativamente complejos, grandes volúmenes y un consumo de energía relativamente grande, con la investigación sobre microsistemas, microfluxgates y fluxgates de baja potencia, estos problemas se pueden resolver.

A partir de una comparación de las tres, las brújulas electrónicas basadas en sensores magnetorresistivos son de tamaño pequeño, de respuesta rápida y tienen ventajas obvias. Son la dirección de desarrollo de las brújulas electrónicas.