磁阻传感器及其在飞行体姿态测试中的应用

鲍松堂

（五邑大学 研究生处，广东 江门 529020）

磁阻传感器及其在飞行体姿态测试中的应用

鲍松堂

（五邑大学 研究生处，广东 江门 529020）

介绍一种新型高灵敏度磁阻传感器的工作原理和使用方法，并用该传感器对飞行体的姿态进行了测量. 根据线圈切割地磁场磁力线产生感应电动势的原理，通过理论推导得出飞行体姿态测试的计算方法，设计了一种基于磁阻传感器的姿态测量系统，并对其实验数据进行了分析和处理.

磁阻传感器；姿态测量；地磁场

制导兵器一直是各国竞相发展的精确打击武器，其研制需要大量的数据，其中尤以姿态数据最为重要. 国内外对这项工作非常重视，投入了大量人力、物力进行深入研究. 国外主要采用陀螺仪和遥测测量飞行体的姿态. 陀螺仪是用来测量和控制飞行体运动姿态与轨迹的核心部件，由于传统的陀螺仪有转动部件、惯性大，有机械磨损，因此存在许多不足，如寿命短、尺寸大、价格昂贵等.本文提出一种新的姿态测量方法，即利用大地磁场特性，将三维磁阻传感器测量的地磁场矢量的3个分量通过遥测天线发送到地面遥测站，经接收处理后用于确定高速旋转飞行体的转速和姿态.

1 磁阻传感器与姿态测量原理

地球本身具有一定的磁性，地磁场存在于地球及近地面的空间里. 物质在磁场中电阻发生变化的现象称为磁电阻效应，磁电阻效应有普通与各向异性磁电阻效应之分. 各向异性磁电阻效应是指：当外加磁场偏离强磁性金属（铁、钴及其合金）内部的磁化方向时，金属的电阻值将减小，但是当外加磁场平行于磁体内部磁化方向时，电阻几乎不随外加磁场变化[1].

本系统采用HONEYWELL公司生产的二维磁阻传感器HMC1022和一维磁阻传感器HMC1021Z作为测量元件，由二者构成3轴测量磁场3个方向的矢量hx、hy、hz. 磁阻传感器具有精度高、分辨率高、体积小、功耗低、成本低和工作范围宽等特点，磁阻传感器磁场线性范围为(−6~ 6) ×10−4T ，可检测到低至 8.5× 10−9T 的磁场，适合于弱磁场的测量. 该磁阻传感器使用标准的半导体工艺将薄膜镀在特定的硅片上，薄膜的电阻率随磁化强度M和电流I方向的夹角而变化，即

其中ρ2、ρ1分别表示电流I平行于磁化强度M和垂直于磁化强度M时电阻率[2].

记地理坐标系Oxyz是系统参考坐标系，设地磁强度为h，在地理坐标系3个轴上的分量为hx、hy、hz，磁阻传感器磁测探头沿载体坐标系Obxbybzb的 3个轴方向安装，弹轴地磁强度在载体坐标系 3个轴上的分量为hbx、hby、hbz. 地磁强度在地理坐标系和载体坐标系各轴上的投影可由两坐标系之间的转换矩阵来表示：

式中：ψ为偏航角，θ为俯仰角，γ为滚转角.

由于假定弹丸飞行过程中地磁场保持恒定，式（2）只能提供2个独立的方程，因此需要预知ψ、θ、γ其中的1个角才能确定其他2个角.

1）若已知偏航角ψ，则由式（2）可得

2）若已知俯仰角θ，则由式（2）可得

3）若已知滚转角γ，则由式（2）可得

2 硬件设计

HMC1022和HMC1021Z的主要技术指标：灵敏度为 0.01 µV/mT；分辨率为8.5× 10−9T ；磁场测量范围(−6~ 6) × 10−4T .

图1 系统硬件框图

图2 滚转运动磁阻传感器的输出波形

3 试验测试数据分析

本文将采集电路固定在实验室的无磁性转台的导引头上，模拟弹的飞行，并对所测得数据进行分析. 按照滚转、俯仰、偏航 3种运动规律进行试验，对滚转运动的测试数据进行分析，并验证该系统的准确性、可靠性和数据的有效性.

3.1 滚转运动数据分析

将三维磁阻传感器姿态角测试系统固定在无磁性转台上，以2.6r/s的转速进行滚转运动，采集得到的波形见图2. 从图 2的波形可以看出，该测试信号的波形光滑、噪声小；y方向和z方向输出的是二维磁阻传感器HMC1022的信号. 滚转运动是其敏感方向，测试到的y、z方向的波形是规则的正弦波，准确反映了弹的滚转运动规律. 理论上讲，在只有滚转运动时，x轴（导引头方向）为非敏感方向，因此x方向的输出应为常数，波形应为一条直线. 但由于无磁性转台在滚转时电机的转动致使转台横轴有轻微的振动，进而导致x方向磁阻传感器在一定范围内有输出，x方向的小正弦波即反映了主轴的微小振动，与实际运动情况相符.

3.2 测试数据频谱分析

利用 MATLAB软件对图 2中的数据进行处理，选用一组典型的曲线进行频谱分析说明滚转运动在x和y轴上的信号特征.

图2的模拟试验是在低速旋转下测试的，因此在作频谱分析时，主要分析低频段的频谱信息. 该运动的频谱曲线如图3所示. 由图3看出，y方向和z方向的频谱主要集中在2.6 Hz附近，与实际转速为2.6 r/s的运动规律相同，y、z方向信号频谱的相似也反映了磁阻传感器的高灵敏度.

图3 滚转运动测试曲线频谱分析图

4 结论

本系统选用HONEYWELL公司生产的HMC1022和HMC1021Z磁阻传感器来测量地磁场的主要参量hx、hy、hz，所测数据与陀螺传感器、加速度传感器的数据进行信息融合，用于确定弹的飞行姿态. 结果表明：测试精度满足使用要求. 由于本系统具有抗高过载能力和性价比高等特点，因此，它对旋转飞行体的姿态测量具有一定的推广价值.

[1]王国余，张欣，景亮. 新型磁阻传感器在地磁场测量中的应用[J]. 传感器技术，2002, 21(10): 43-45.

[2]刘晓娜，马铁华，范锦彪，等. 基于磁阻传感器的微型姿态测试电路[J]. 传感器与仪器仪表，2008, 24(8): 169-170.

[3]马铁华. 地磁场传感器测自旋弹飞行姿态[J]. 测试技术学报，1988(2): 305-307.

[4]孙雪峰，熊沈蜀，周兆英，等. 磁阻式传感器的SET/RESET电路设计及应用[J]. 电测与仪表，2003,40(7): 1 22-25.

[5]马铁华. 存储测试技术的发展与应用及特种传感技术研究[D]. 北京：北京理工大学，1999.

[责任编辑：孙建平]

The Magneto-resistance Sensor and Its Application in Measuring Attitude of Flying Bodies

BAO Song-tang
(Graduate Department, Wuyi University, Jiangmen 529020, China)

The function and use of a new type of high sensitive magneto-resistance sensor for measuring the attitude of flying objects are introduced. According to the principle that a coil cutting the magnetic line of a geomagnetic field will induce electromotive force, a calculating method for testing the attitude of flying objects is derived; also an attitude measurement system based on the magneto-resistive sensor is designed and experimental data obtained from it is analyzed and processed.

magneto-resistance sensor; attitude measurement; geomagnetic filed

TN379

A

1006-7302（2010）02-0004-52

2010-03-05

鲍松堂（1977—），男，山东烟台人，助教，硕士，研究方向：计算机网络安全、计算机仿真、粗集理论等，E-mail: baosongtang@163.com.