磁力傳感器原理：一文讀懂磁傳感器（必須收藏）

原標(biāo)題：一文讀懂磁傳感器（必須收藏）

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文 | 傳感器技術(shù)（WW_CGQJS）

我們偉大中華祖先的四大發(fā)明之一——指南針，可謂是無人不知啊，對于現(xiàn)代傳感器技術(shù)來講，它可算得上是磁傳感器的鼻祖了。

而在當(dāng)今的電子時代，磁傳感器在電機(jī)、電力電子技術(shù)、汽車工業(yè)、工業(yè)自動控制、機(jī)器人、辦公自動化、家用電器及各種安全系統(tǒng)等方面都有著廣泛的應(yīng)用。

磁傳感器

磁傳感器是一種把磁場、電流、應(yīng)力應(yīng)變、溫度、光等外界因素引起的敏感元件磁性能變化轉(zhuǎn)換成電信號，以這種方式來檢測相應(yīng)物理量的器件。用于感測速度、運(yùn)動和方向，應(yīng)用領(lǐng)域包括汽車、無線和消費(fèi)電子、軍事、能源、醫(yī)療和數(shù)據(jù)處理等。

磁傳感器市場按照技術(shù)進(jìn)步的發(fā)展，主要分為四大類：

霍爾效應(yīng)（Hall Effect）傳感器、

各向異性磁阻（AMR）傳感器、

巨磁阻（GMR）傳感器

隧道磁阻（TMR）傳感器

其中，霍爾效應(yīng)傳感器的歷史最悠久，獲得廣泛應(yīng)用。隨著持續(xù)的技術(shù)研發(fā)，各種磁傳感器誕生，并擁有更優(yōu)異的性能、更高的可靠性。

霍爾效應(yīng)（Hall Effect）傳感器

1879年，美國物理學(xué)家霍爾在研究金屬導(dǎo)電機(jī)制時發(fā)現(xiàn)了霍爾效應(yīng)。但因金屬的霍爾效應(yīng)很弱而一直沒有實(shí)際應(yīng)用案例，直到發(fā)現(xiàn)半導(dǎo)體的霍爾效應(yīng)比金屬強(qiáng)很多，利用這種現(xiàn)象才制作了霍爾元件。

在半導(dǎo)體薄膜兩端通以控制電流 I，并在薄膜的垂直方向施加磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場，半導(dǎo)體中的電子與空穴受到不同方向的洛倫茲力而在不同方向上聚集，在聚集起來的電子與空穴之間會產(chǎn)生電場，電場強(qiáng)度與洛倫茲力產(chǎn)生平衡之后，不再聚集，這個現(xiàn)象叫做霍爾效應(yīng)。在垂直于電流和磁場的方向上，將產(chǎn)生的內(nèi)建電勢差，稱為霍爾電壓U。

霍爾電壓U與半導(dǎo)體薄膜厚度d，電場B和電流I的關(guān)系為U=k(IB/d)。這里k為霍爾系數(shù)，與半導(dǎo)體磁性材料有關(guān)。

霍爾效應(yīng)示意圖

霍爾傳感器利用霍爾效應(yīng)的原理制作，主要有霍爾線性傳感器、霍爾開關(guān)和磁力計(jì)三種。

1. 線性型霍爾傳感器

由霍爾元件、線性放大器和射極跟隨器組成，它輸出模擬量。輸出電壓與外加磁場強(qiáng)度呈線性關(guān)系，如下圖所示，在B1～B2的磁感應(yīng)強(qiáng)度范圍內(nèi)有較好的線性度，磁感應(yīng)強(qiáng)度超出此范圍時則呈現(xiàn)飽和狀態(tài)。

線性型霍爾傳感器工作原理

霍爾線性器件擁有很寬的磁場量測范圍，并能識別磁極。其應(yīng)用領(lǐng)域有電力機(jī)車、地下鐵道、無軌電車、鐵路等，還可用于變頻器中用于監(jiān)控電量、光伏直流柜監(jiān)測光伏匯流箱實(shí)時輸出電流的作用、電動機(jī)保護(hù)等。 線性霍爾傳感器還可以用于測量位置和位移，霍爾傳感器可用于液位探測、水流探測等。

2. 開關(guān)型霍爾傳感器

由穩(wěn)壓器、霍爾元件、差分放大器，斯密特觸發(fā)器和輸出級組成，它輸出數(shù)字量。

開關(guān)型霍爾傳感器工作原理

霍爾開關(guān)器件無觸點(diǎn)、無磨損、輸出波形清晰、無抖動、無回跳、位置重復(fù)精度高，工作溫度范圍寬，可達(dá)-55℃～150℃。開關(guān)型霍爾傳感經(jīng)過一次磁場強(qiáng)度的變化，則完成了一次開關(guān)動作，輸出數(shù)字信號，可以計(jì)算汽車或機(jī)器轉(zhuǎn)速、ABS系統(tǒng)中的速度傳感器、汽車速度表和里程表、機(jī)車的自動門開關(guān)、無刷直流電動機(jī)、汽車點(diǎn)火系統(tǒng)、門禁和防盜報(bào)警器、自動販賣機(jī)、打印機(jī)等。

3. 磁力計(jì)

是利用霍爾效應(yīng)產(chǎn)生的電勢差來測算外界磁場的大小和極性。磁力計(jì)是采用CMOS工藝的平面器件。工藝相對一般IC更為簡單，一般采用P型襯底上N阱上形成傳感器件，通過金屬電極將傳感器與其他電路（如放大器、調(diào)節(jié)處理器等）相連。

但這樣設(shè)計(jì)的的霍爾傳感器只能感知垂直于管芯表面的的磁場變化，因此增加了磁通集中器（magnetic flux concentrator），工藝上來講就是做原來的管芯上增加一層坡莫合金，可探測平行于管芯方向的磁場。由此，霍爾傳感器實(shí)現(xiàn)了從單軸到三軸磁力計(jì)的跨越式發(fā)展。

圖（a）增加磁通集中器的霍爾傳感器的頂視圖

圖（b）增加磁通集中器的霍爾傳感器的剖面圖

磁力計(jì)廣泛應(yīng)用于智能手機(jī)、平板電腦和導(dǎo)航設(shè)備等移動終端，擁有巨大的市場前景。同時，磁力計(jì)可以與加速度計(jì)組成6軸電子羅盤，三種慣性傳感器（加上陀螺儀）組合在一起還能實(shí)現(xiàn)9軸組合傳感器，構(gòu)成更強(qiáng)大的慣性導(dǎo)航產(chǎn)品。

各向異性磁阻（AMR）傳感器

某些金屬或半導(dǎo)體在遇到外加磁場時，其電阻值會隨著外加磁場的大小發(fā)生變化，這種現(xiàn)象叫做磁阻效應(yīng)，磁阻傳感器利用磁阻效應(yīng)制成。

1857年，Thomson發(fā)現(xiàn)坡莫合金的的各向異性磁阻效應(yīng)。對于有各向異性特性的強(qiáng)磁性金屬, 磁阻的變化是與磁場和電流間夾角有關(guān)的。我們常見的這類金屬有鐵、鈷、鎳及其合金等。

當(dāng)外部磁場與磁體內(nèi)建磁場方向成零度角時, 電阻是不會隨著外加磁場變化而發(fā)生改變的；但當(dāng)外部磁場與磁體的內(nèi)建磁場有一定角度的時候, 磁體內(nèi)部磁化矢量會偏移，薄膜電阻降低, 我們對這種特性稱為各向異性磁電阻效應(yīng)（Anisotropic Magnetoresistive Sensor,簡稱AMR）。磁場作用效果下圖。

坡莫合金的AMR效應(yīng)

磁阻變化值與角度變化的關(guān)系

薄膜合金的電阻R就會因角度變化而變化，電阻與磁場特性是非線性的，且每一個電阻并不與唯一的外加磁場值成對應(yīng)關(guān)系。從上圖中，我們可以看到，當(dāng)電流方向與磁化方向平行時，傳感器最敏感，在電流方向和磁化方向成45度角度時，一般磁阻工作于圖中線性區(qū)附近，這樣可以實(shí)現(xiàn)輸出的線性特性。

AMR磁傳感器的基本結(jié)構(gòu)由四個磁阻組成了惠斯通電橋。其中供電電源為Vb，電流流經(jīng)電阻。當(dāng)施加一個偏置磁場H在電橋上時，兩個相對放置的電阻的磁化方向就會朝著電流方向轉(zhuǎn)動，這兩個電阻的阻值會增加；而另外兩個相對放置的電阻的磁化方向會朝與電流相反的方向轉(zhuǎn)動，該兩個電阻的阻值則減少。通過測試電橋的兩輸出端輸出差電壓信號，可以得到外界磁場值。

AMR磁阻傳感器等效電路

各向異性磁阻（AMR）技術(shù)的優(yōu)勢有以下幾點(diǎn)：

1. 各向異性磁阻（AMR）技術(shù)最優(yōu)良性能的磁場范圍是以地球磁場為中心，對于以地球磁場作為基本操作空間的傳感器應(yīng)用來說，具有廣大的運(yùn)作空間，無需像霍耳元件那樣增加聚磁等輔助手段。

2.各向異性磁阻（AMR）技術(shù)是唯一被驗(yàn)證，可以達(dá)到在地球磁場中測量方向精確度為一度的半導(dǎo)體工藝技術(shù)。其他可達(dá)到同樣精度技術(shù)都是無法與半導(dǎo)體集成的工藝。因此，AMR可與CMOS或MEMS集成在同一硅片上并提供足夠的精確度。

3.AMR技術(shù)只需一層磁性薄膜，工藝簡單，成本低，不需要昂貴的制造設(shè)備，具有成本優(yōu)勢。

4.AMR技術(shù)具有高頻、低噪和高信噪比特性，在各種應(yīng)用中尚無局限性。

AMR磁阻傳感器可以很好地感測地磁場范圍內(nèi)的弱磁場測量，制成各種位移、角度、轉(zhuǎn)速傳感器，各種接近開關(guān)，隔離開關(guān)，用來檢測一些鐵磁性物體如飛機(jī)、火車、汽車。其它應(yīng)用包括各種導(dǎo)航系統(tǒng)中的羅盤，計(jì)算機(jī)中的磁盤驅(qū)動器，各種磁卡機(jī)、旋轉(zhuǎn)位置傳感、電流傳感、鉆井定向、線位置測量、偏航速率傳感器和虛擬實(shí)景中的頭部軌跡跟蹤。

巨磁阻（GMR）傳感器

與霍爾（Hall）傳感器和各向異性磁阻（AMR）傳感器相比，巨磁阻（GMR, Giant Magneto Resistance）傳感器要年輕的多！這是因?yàn)镚MR效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)比霍爾效應(yīng)和AMR效應(yīng)晚了100多年。

1988年，德國科學(xué)家格林貝格爾發(fā)現(xiàn)了一特殊現(xiàn)象：非常弱小的磁性變化就能導(dǎo)致磁性材料發(fā)生非常顯著的電阻變化。同時，法國科學(xué)家費(fèi)爾在鐵、鉻相間的多層膜電阻中發(fā)現(xiàn)，微弱的磁場變化可以導(dǎo)致電阻大小的急劇變化，其變化的幅度比通常高十幾倍。費(fèi)爾和格林貝格爾也因發(fā)現(xiàn)巨磁阻效應(yīng)而共同獲得2007年諾貝爾物理學(xué)獎。

一般的磁鐵金屬，在加磁場和不加磁場下電阻率的變化為1%~3%，但鐵磁金屬/非磁性金屬/鐵磁金屬構(gòu)成的多層膜，在室溫下可以達(dá)到25%，低溫下更加明顯，這也是巨磁阻效應(yīng)的命名緣由。

GMR和AMR在外加磁場下電阻率變化示意圖

“巨”（giant）來描述此類磁電阻效應(yīng)，并非僅來自表觀特性，還由于其形成機(jī)理不同。常規(guī)磁電阻源于磁場對電子運(yùn)動的直接作用，呈各向異性磁阻，即電阻與磁化強(qiáng)度和電流的相對取向有關(guān)。相反，GMR磁阻呈各向同性，與磁化強(qiáng)度和電流的相對取向基本無關(guān)。

巨磁阻效應(yīng)僅依賴于相鄰磁層的磁矩的相對取向，外磁場的作業(yè)只是為了改變相鄰鐵磁層的磁矩的相對取向。除此以外，GMR效應(yīng)更重要的意義是為進(jìn)一步探索新物理——比如隧穿磁阻效應(yīng)（TMR: Tunneling Magnetoresistance）、自旋電子學(xué)（Spintronics）以及新的傳感器技術(shù)奠定了基礎(chǔ)。

GMR效應(yīng)的首次商業(yè)化應(yīng)用是1997年，由IBM公司投放市場的硬盤數(shù)據(jù)讀取探頭。到目前為止，巨磁阻技術(shù)已經(jīng)成為全世界幾乎所有電腦、數(shù)碼相機(jī)、MP3播放器的標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)。

GMR傳感器的材料結(jié)構(gòu)

具有GMR效應(yīng)的材料主要有多層膜、顆粒膜、納米顆粒合金薄膜、磁性隧道結(jié)合氧化物、超巨磁電阻薄膜等五種材料。其中自旋閥型多層膜的結(jié)構(gòu)在當(dāng)前的GMR磁阻傳感器中應(yīng)用比較廣泛。

自旋閥主要有自由層（磁性材料FM），隔離層（非磁性材料NM），釘扎層（磁性材料FM）和反鐵磁層（AF）四層結(jié)構(gòu)。

自旋閥GMR磁阻傳感器基本結(jié)構(gòu)

GMR磁阻傳感器由四個巨磁電阻構(gòu)成惠斯通電橋結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)可以減少外界環(huán)境對傳感器輸出穩(wěn)定性的影響，增加傳感器靈敏度。當(dāng)相鄰磁性層磁矩平行分布，兩個FM/NM界面呈現(xiàn)不同的阻態(tài)，一個界面為高阻態(tài)，一個界面為低阻態(tài)，自旋的傳導(dǎo)電子可以在晶體內(nèi)自由移動，整體上器件呈現(xiàn)低阻態(tài)；而當(dāng)相鄰磁性層磁矩反平行分布，兩種自旋狀態(tài)的傳導(dǎo)電子都在穿過磁矩取向與其自旋方向相同的一個磁層后，遇到另一個磁矩取向與其自旋方向相反的磁層，并在那里受到強(qiáng)烈的散射作用，沒有哪種自旋狀態(tài)的電子可以穿越FM/NM界面，器件呈現(xiàn)高阻態(tài)。

平行磁場和反平行磁場作用下的等效電路圖

GMR磁阻傳感器商業(yè)化時間晚于霍爾傳感器和AMR磁阻傳感器，制造工藝相對復(fù)雜，生產(chǎn)成本也較高。但其具有靈敏度高、能探測到弱磁場且信號好，溫度對器件性能影響小等優(yōu)點(diǎn)，因此市場占有率呈穩(wěn)定狀態(tài)。GMR磁阻傳感器在消費(fèi)電子、工業(yè)、國防軍事及醫(yī)療生物方面均有所涉及。

隧道磁阻（TMR）傳感器

早在1975年，Julliere就在Co/Ge/Fe磁性隧道結(jié)（MagneticTunnelJunctions，MTJs）中觀察到了TMR（Tunnel Magneto-Resistance）效應(yīng)。但是，這一發(fā)現(xiàn)當(dāng)時并沒有引起人們的重視。在此后的十幾年里，有關(guān)TMR效應(yīng)的研究進(jìn)展十分緩慢。在GMR效應(yīng)的深入研究下，同為磁電子學(xué)的TMR效應(yīng)才開始得到重視。2000年，MgO作為隧道絕緣層的發(fā)現(xiàn)為TMR磁阻傳感器的發(fā)展契機(jī)。

2001年，Butler和Mathon各自做出理論預(yù)測：以鐵為鐵磁體和MgO作為絕緣體，隧道磁電阻率變化可以達(dá)到百分之幾千。同年，Bowen等首次用實(shí)驗(yàn)證明了磁性隧道結(jié)（Fe/MgO/FeCo）的TMR效應(yīng)。2008年，日本東北大學(xué)的S. Ikeda, H. Ohno團(tuán)隊(duì)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)磁性隧道結(jié)CoFeB/MgO/CoFeB的電阻率變化在室溫下達(dá)到604%，在4.2K溫度下將超過1100%。TMR效應(yīng)具有如此大的電阻率變化，因此業(yè)界越來越重視TMR效應(yīng)的研究和商業(yè)產(chǎn)品開發(fā)。

TMR元件在近年才開始工業(yè)應(yīng)用的新型磁電阻效應(yīng)傳感器，其利用磁性多層膜材料的隧道磁電阻效應(yīng)對磁場進(jìn)行感應(yīng)，比之前所發(fā)現(xiàn)并實(shí)際應(yīng)用的AMR元件和GMR元件具有更大的電阻變化率。我們通常也用磁隧道結(jié)（Magnetic Tunnel Junction，MTJ）來代指TMR元件，MTJ元件具有更好的溫度穩(wěn)定性，更高的靈敏度，更低的功耗，更好的線性度，相對于霍爾元件不需要額外的聚磁環(huán)結(jié)構(gòu)，相對于AMR元件不需要額外的set/reset線圈結(jié)構(gòu)。

TMR磁阻傳感器的材料結(jié)構(gòu)及原理

從經(jīng)典物理學(xué)觀點(diǎn)看來，鐵磁層（F1）+絕緣層（I）+鐵磁層（F2）的三明治結(jié)構(gòu)根本無法實(shí)現(xiàn)電子在磁層中的穿通，而量子力學(xué)卻可以完美解釋這一現(xiàn)象。當(dāng)兩層鐵磁層的磁化方向互相平行，多數(shù)自旋子帶的電子將進(jìn)入另一磁性層中多數(shù)自旋子帶的空態(tài)，少數(shù)自旋子帶的電子也將進(jìn)入另一磁性層中少數(shù)自旋子帶的空態(tài)，總的隧穿電流較大，此時器件為低阻狀態(tài)；

當(dāng)兩層的磁鐵層的磁化方向反平行，情況則剛好相反，即多數(shù)自旋子帶的電子將進(jìn)入另一磁性層中少數(shù)自旋子帶的空態(tài)，而少數(shù)自旋子帶的電子也進(jìn)入另一磁性層中多數(shù)自旋子帶的空態(tài)，此時隧穿電流較小，器件為高阻狀態(tài)。

可以看出，隧道電流和隧道電阻依賴于兩個鐵磁層磁化強(qiáng)度的相對取向，當(dāng)磁化方向發(fā)生變化時，隧穿電阻發(fā)生變化，因此稱為隧道磁電阻效應(yīng)。

TMR磁化方向平行和反平行時的雙電流模型

TMR元件在近年才開始工業(yè)應(yīng)用的新型磁電阻效應(yīng)傳感器，其利用磁性多層膜材料的隧道磁電阻效應(yīng)對磁場進(jìn)行感應(yīng)，比之前所發(fā)現(xiàn)并實(shí)際應(yīng)用的AMR元件和GMR元件具有更大的電阻變化率。我們通常也用磁隧道結(jié)（Magnetic Tunnel Junction，MTJ）來代指TMR元件，MTJ元件具有更好的溫度穩(wěn)定性，更高的靈敏度，更低的功耗，更好的線性度，相對于霍爾元件不需要額外的聚磁環(huán)結(jié)構(gòu)，相對于AMR元件不需要額外的set/reset線圈結(jié)構(gòu)。

下表是霍爾元件、AMR元件、GMR元件以及TMR元件的技術(shù)參數(shù)對比，可以更清楚直觀的看到各種技術(shù)的優(yōu)劣。

霍爾元件、AMR元件、GMR元件以及TMR元件的技術(shù)參數(shù)對比

作為GMR元件的下一代技術(shù)，TMR（MTJ）元件已完全取代GMR元件，被廣泛應(yīng)用于硬盤磁頭領(lǐng)域。相信TMR磁傳感技術(shù)將在工業(yè)、生物傳感、磁性隨機(jī)存儲（Magnetic Random Access Memory，MRAM）等領(lǐng)域有極大的發(fā)展與貢獻(xiàn)。

磁傳感器的發(fā)展,在本世紀(jì)70～80 年代形成高潮。90 年代是已發(fā)展起來的這些磁傳感器的成熟和完善的時期。

磁傳感器的應(yīng)用十分廣泛，已在國民經(jīng)濟(jì)、國防建設(shè)、科學(xué)技術(shù)、醫(yī)療衛(wèi)生等領(lǐng)域都發(fā)揮著重要作用，成為現(xiàn)代傳感器產(chǎn)業(yè)的一個主要分支。在傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)應(yīng)用和改造、資源探查及綜合利用、環(huán)境保護(hù)、生物工程、交通智能化管制等各個方面，它們發(fā)揮著愈來愈重要的作用。

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磁力傳感器原理：淺析磁力傳感器工作原理

　　電子羅盤是一種重要的導(dǎo)航工具，能實(shí)時提供移動物體的航向和姿態(tài)。隨著半導(dǎo)體工藝的進(jìn)步和手機(jī)操作系統(tǒng)的發(fā)展，集成了越來越多傳感器的智能手機(jī)變得功能強(qiáng)大，很多手機(jī)上都實(shí)現(xiàn)了電子羅盤的功能。而基于電子羅盤的應(yīng)用（如Android的Skymap）在各個軟件平臺上也流行起來。

　　要實(shí)現(xiàn)電子羅盤功能，需要一個檢測磁場的三軸磁力傳感器和一個三軸加速度傳感器。隨著微機(jī)械工藝的成熟，意法半導(dǎo)體推出將三軸磁力計(jì)和三軸加速計(jì)集成在一個封裝里的二合一傳感器模塊LSM303DLH，方便用戶在短時間內(nèi)設(shè)計(jì)出成本低、性能高的電子羅盤。本文以LSM303DLH為例討論該器件的工作原理、技術(shù)參數(shù)和電子羅盤的實(shí)現(xiàn)方法。

　　1. 地磁場和航向角的背景知識

　　如圖1所示，地球的磁場象一個條形磁體一樣由磁南極指向磁北極。在磁極點(diǎn)處磁場和當(dāng)?shù)氐乃矫娲怪保诔嗟来艌龊彤?dāng)?shù)氐乃矫嫫叫校栽诒卑肭虼艌龇较騼A斜指向地面。用來衡量磁感應(yīng)強(qiáng)度大小的單位是Tesla或者Gauss（1Tesla=Gauss）。隨著地理位置的不同，通常地磁場的強(qiáng)度是0.4-0.6 Gauss。需要注意的是，磁北極和地理上的北極并不重合，通常他們之間有11度左右的夾角。

　　磁力計(jì)的基本工作原理

　　圖1 地磁場分布圖

　　地磁場是一個矢量，對于一個固定的地點(diǎn)來說，這個矢量可以被分解為兩個與當(dāng)?shù)厮矫嫫叫械姆至亢鸵粋€與當(dāng)?shù)厮矫娲怪钡姆至俊Ｈ绻３蛛娮恿_盤和當(dāng)?shù)氐乃矫嫫叫校敲戳_盤中磁力計(jì)的三個軸就和這三個分量對應(yīng)起來，如圖2所示。

　　磁力計(jì)的基本工作原理

　　圖2 地磁場矢量分解示意圖

　　實(shí)際上對水平方向的兩個分量來說，他們的矢量和總是指向磁北的。羅盤中的航向角（Azimuth）就是當(dāng)前方向和磁北的夾角。由于羅盤保持水平，只需要用磁力計(jì)水平方向兩軸（通常為X軸和Y軸）的檢測數(shù)據(jù)就可以用式1計(jì)算出航向角。當(dāng)羅盤水平旋轉(zhuǎn)的時候，航向角在0？- 360？之間變化。

　　2．ST集成磁力計(jì)和加速計(jì)的傳感器模塊LSM303DLH

　　2.1 磁力計(jì)工作原理

　　在LSM303DLH中磁力計(jì)采用各向異性磁致電阻（Anisotropic Magneto-Resistance）材料來檢測空間中磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小。這種具有晶體結(jié)構(gòu)的合金材料對外界的磁場很敏感，磁場的強(qiáng)弱變化會導(dǎo)致AMR自身電阻值發(fā)生變化。

　　在制造過程中，將一個強(qiáng)磁場加在AMR上使其在某一方向上磁化，建立起一個主磁域，與主磁域垂直的軸被稱為該AMR的敏感軸，如圖3所示。為了使測量結(jié)果以線性的方式變化，AMR材料上的金屬導(dǎo)線呈45o角傾斜排列，電流從這些導(dǎo)線上流過，如圖4所示。由初始的強(qiáng)磁場在AMR材料上建立起來的主磁域和電流的方向有45o的夾角。

　　磁力計(jì)的基本工作原理

　　圖3 AMR材料示意圖

　　磁力計(jì)的基本工作原理

　　圖4 45o角排列的導(dǎo)線

　　當(dāng)有外界磁場Ha時，AMR上主磁域方向就會發(fā)生變化而不再是初始的方向了，那么磁場方向和電流的夾角θ也會發(fā)生變化，如圖5所示。對于AMR材料來說，θ角的變化會引起AMR自身阻值的變化，并且呈線性關(guān)系，如圖6所示。

　　ST利用惠斯通電橋檢測AMR阻值的變化，如圖7所示。R1/R2/R3/R4是初始狀態(tài)相同的AMR電阻，但是R1/R2和R3/R4具有相反的磁化特性。當(dāng)檢測到外界磁場的時候，R1/R2阻值增加?R而R3/R4減少?R。這樣在沒有外界磁場的情況下，電橋的輸出為零；而在有外界磁場時電橋的輸出為一個微小的電壓?V。

　　磁力計(jì)的基本工作原理

　　圖7 惠斯通電橋

　　當(dāng)R1=R2=R3=R4=R，在外界磁場的作用下電阻變化為?R時，電橋輸出？V正比于？R。這就是磁力計(jì)的工作原理。

　　2.2 置位/復(fù)位（Set/Reset）電路

　　由于受到外界環(huán)境的影響，LSM303DLH中AMR上的主磁域方向不會永久保持不變。LSM303DLH內(nèi)置有置位/復(fù)位電路，通過內(nèi)部的金屬線圈周期性的產(chǎn)生電流脈沖，恢復(fù)初始的主磁域，如圖8所示。需要注意的是，置位脈沖和復(fù)位脈沖產(chǎn)生的效果是一樣的，只是方向不同而已。

　　磁力計(jì)的基本工作原理

　　圖8 LSM303DLH置位/復(fù)位電路

　　置位/復(fù)位電路給LSM303DLH帶來很多優(yōu)點(diǎn)：

　　1） 即使遇到外界強(qiáng)磁場的干擾，在干擾消失后LSM303DLH也能恢復(fù)正常工作而不需要用戶再次進(jìn)行校正。

　　2） 即使長時間工作也能保持初始磁化方向?qū)崿F(xiàn)精確測量，不會因?yàn)樾酒瑴囟茸兓騼?nèi)部噪音增大而影響測量精度。

　　3） 消除由于溫漂引起的電橋偏差。

　　2.3 LSM303DLH的性能參數(shù)

　　LSM303DLH集成三軸磁力計(jì)和三軸加速計(jì)，采用數(shù)字接口。磁力計(jì)的測量范圍從1.3 Gauss到8.1 Gauss共分7檔，用戶可以自由選擇。并且在20 Gauss以內(nèi)的磁場環(huán)境下都能夠保持一致的測量效果和相同的敏感度。它的分辨率可以達(dá)到8 mGauss并且內(nèi)部采用12位ADC，以保證對磁場強(qiáng)度的精確測量。和采用霍爾效應(yīng)原理的磁力計(jì)相比，LSM303DLH的功耗低，精度高，線性度好，并且不需要溫度補(bǔ)償。

　　LSM303DLH具有自動檢測功能。當(dāng)控制寄存器A被置位時，芯片內(nèi)部的自測電路會產(chǎn)生一個約為地磁場大小的激勵信號并輸出。用戶可以通過輸出數(shù)據(jù)來判斷芯片是否正常工作。

　　作為高集成度的傳感器模組，除了磁力計(jì)以外LSM303DLH還集成一顆高性能的加速計(jì)。加速計(jì)同樣采用12位ADC，可以達(dá)到1mg的測量精度。加速計(jì)可運(yùn)行于低功耗模式，并有睡眠/喚醒功能，可大大降低功耗。同時，加速計(jì)還集成了6軸方向檢測，兩路可編程中斷接口。

　　3. ST電子羅盤方案介紹

　　一個傳統(tǒng)的電子羅盤系統(tǒng)至少需要一個三軸的磁力計(jì)以測量磁場數(shù)據(jù)，一個三軸加速計(jì)以測量羅盤傾角，通過信號條理和數(shù)據(jù)采集部分將三維空間中的重力分布和磁場數(shù)據(jù)傳送給處理器。處理器通過磁場數(shù)據(jù)計(jì)算出方位角，通過重力數(shù)據(jù)進(jìn)行傾斜補(bǔ)償。這樣處理后輸出的方位角不受電子羅盤空間姿態(tài)的影響，如圖9所示。

　　磁力計(jì)的基本工作原理

　　圖9 電子羅盤結(jié)構(gòu)示意圖

　　LSM303DLH將上述的加速計(jì)、磁力計(jì)、A/D轉(zhuǎn)化器及信號條理電路集成在一起，仍然通過I2C總線和處理器通信。這樣只用一顆芯片就實(shí)現(xiàn)了6軸的數(shù)據(jù)檢測和輸出，降低了客戶的設(shè)計(jì)難度，減小了PCB板的占用面積，降低了器件成本。

　　磁力計(jì)的基本工作原理

　　圖10 LSM303DLH典型應(yīng)用電路圖

　　對于便攜式設(shè)備而言，器件的功耗非常重要，直接影響其待機(jī)的時間。LSM303DLH可以分別對磁力計(jì)和加速計(jì)的供電模式進(jìn)行控制，使其進(jìn)入睡眠或低功耗模式。并且用戶可自行調(diào)整磁力計(jì)和加速計(jì)的數(shù)據(jù)更新頻率，以調(diào)整功耗水平。在磁力計(jì)數(shù)據(jù)更新頻率為7.5Hz、加速計(jì)數(shù)據(jù)更新頻率為50Hz時，消耗電流典型值為0.83mA。在待機(jī)模式時，消耗電流小于3uA。

　　4. 鐵磁場干擾及校準(zhǔn)

　　電子指南針主要是通過感知地球磁場的存在來計(jì)算磁北極的方向。然而由于地球磁場在一般情況下只有微弱的0.5高斯，而一個普通的手機(jī)喇叭當(dāng)相距2厘米時仍會有大約4高斯的磁場，一個手機(jī)馬達(dá)在相距2厘米時會有大約6高斯的磁場，這一特點(diǎn)使得針對電子設(shè)備表面地球磁場的測量很容易受到電子設(shè)備本身的干擾。

　　磁場干擾是指由于具有磁性物質(zhì)或者可以影響局部磁場強(qiáng)度的物質(zhì)存在，使得磁傳感器所放置位置上的地球磁場發(fā)生了偏差。如圖11所示，在磁傳感器的XYZ 坐標(biāo)系中，綠色的圓表示地球磁場矢量繞z軸圓周轉(zhuǎn)動過程中在XY平面內(nèi)的投影軌跡，再沒有外界任何磁場干擾的情況下，此軌跡將會是一個標(biāo)準(zhǔn)的以O(shè)（0，0）為中心的圓。當(dāng)存在外界磁場干擾的情況時，測量得到的磁場強(qiáng)度矢量α將為該點(diǎn)地球磁場β與干擾磁場γ的矢量和。記作：

　　磁力計(jì)的基本工作原理

　　磁力計(jì)的基本工作原理

　　圖11 磁傳感器XY坐標(biāo)以及磁力線投影軌跡

　　一般可以認(rèn)為，干擾磁場γ在該點(diǎn)可以視為一個恒定的矢量。有很多因素可以造成磁場的干擾，如擺放在電路板上的馬達(dá)和喇叭，還有含有鐵鎳鈷等金屬的材料如屏蔽罩，螺絲，電阻， LCD背板以及外殼等等。同樣根據(jù)安培定律有電流通過的導(dǎo)線也會產(chǎn)生磁場，如圖12。

　　磁力計(jì)的基本工作原理

　　圖12 電流對磁場產(chǎn)生的影響

　　為了校準(zhǔn)這些來自電路板的磁場干擾，主要的工作就是通過計(jì)算將γ求出。

　　4.1 平面校準(zhǔn)方法

　　針對XY軸的校準(zhǔn)，將配備有磁傳感器的設(shè)備在XY平面內(nèi)自轉(zhuǎn)，如圖11，等價于將地球磁場矢量繞著過點(diǎn)O（γx，γy）垂直于XY平面的法線旋轉(zhuǎn)，而紅色的圓為磁場矢量在旋轉(zhuǎn)過程中在XY平面內(nèi)投影的軌跡。這可以找到圓心的位置為（（Xmax + Xmin）/2， （Ymax + Ymin）/2）。 同樣將設(shè)備在XZ平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)可以得到地球磁場在XZ平面上的軌跡圓，這可以求出三維空間中的磁場干擾矢量γ（γx， γy， γz）。

　　4.2 立體8字校準(zhǔn)方法

　　一般情況下，當(dāng)帶有傳感器的設(shè)備在空中各個方向旋轉(zhuǎn)時，測量值組成的空間幾何結(jié)構(gòu)實(shí)際上是一個圓球，所有的采樣點(diǎn)都落在這個球的表面上，如圖13所示，這一點(diǎn)同兩維平面內(nèi)投影得到的圓類似。

　　磁力計(jì)的基本工作原理

　　圖13 地球磁場空間旋轉(zhuǎn)后在傳感器空間坐標(biāo)內(nèi)得到球體

　　這種情況下，可以通過足夠的樣本點(diǎn)求出圓心O（γx， γy， γz）， 即固定磁場干擾矢量的大小及方向。公式如下：

　　磁力計(jì)的基本工作原理

　　8字校準(zhǔn)法要求用戶使用需要校準(zhǔn)的設(shè)備在空中做8字晃動，原則上盡量多的讓設(shè)備法線方向指向空間的所有8個象限，如圖14所示。

　　磁力計(jì)的基本工作原理

　　圖14 設(shè)備的空中8字校準(zhǔn)示意圖

　　4.2 十面校準(zhǔn)方法

　　同樣，通過以下10面校準(zhǔn)方法，也可以達(dá)到校準(zhǔn)的目的。

　　磁力計(jì)的基本工作原理

　　如圖16所示，經(jīng)過10面校準(zhǔn)方法之后，同樣可以采樣到以上所述球體表面的部分軌跡，從而推導(dǎo)出球心的位置，即固定磁場干擾矢量的大小及方向。

　　磁力計(jì)的基本工作原理

　　5．傾斜補(bǔ)償及航偏角計(jì)算

　　經(jīng)過校準(zhǔn)后電子指南針在水平面上已經(jīng)可以正常使用了。但是更多的時候手機(jī)并不是保持水平的，通常它和水平面都有一個夾角。這個夾角會影響航向角的精度，需要通過加速度傳感器進(jìn)行傾斜補(bǔ)償。

　　對于一個物體在空中的姿態(tài)，導(dǎo)航系統(tǒng)里早已有定義，如圖17所示，Android中也采用了這個定義。Pitch（Φ）定義為x軸和水平面的夾角，圖示方向?yàn)檎较颍籖oll（θ）定義為y軸和水平面的夾角，圖示方向?yàn)檎较颉Ｓ蒔itch角引起的航向角的誤差如圖18所示。可以看出，在x軸方向10度的傾斜角就可以引起航向角最大7-8度的誤差。

　　磁力計(jì)的基本工作原理磁力計(jì)的基本工作原理

　　圖17 Pitch角和Roll角定義 圖18 Pitch角引起的航向角誤差

　　手機(jī)在空中的傾斜姿態(tài)如圖19所示，通過3軸加速度傳感器檢測出三個軸上重力加速度的分量，再通過式2可以計(jì)算出Pitch和Roll。

　　磁力計(jì)的基本工作原理

　　圖19 手機(jī)在空中的傾斜姿態(tài)

　　磁力計(jì)的基本工作原理

　　式3可以將磁力計(jì)測得的三軸數(shù)據(jù)（XM，YM ，ZM）通過Pitch和Roll轉(zhuǎn)化為式1中計(jì)算航向角需要的Hy和Hx。之后再利用式1計(jì)算出航向角。

磁力傳感器原理：磁力計(jì)的基本工作原理(ST集成傳感器方案實(shí)現(xiàn)電子羅盤功能)

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文章目錄
1. 地磁場和航向角的背景知識2．ST集成磁力計(jì)和加速計(jì)的傳感器模塊LSM303DLH2.1 磁力計(jì)工作原理2.2 置位/復(fù)位(Set/Reset)電路
3. ST電子羅盤方案介紹4. 鐵磁場干擾及校準(zhǔn)4.1 平面校準(zhǔn)方法4.2 立體8字校準(zhǔn)方法
5．傾斜補(bǔ)償及航偏角計(jì)算6．Android平臺指南針的實(shí)現(xiàn)

電子羅盤是一種重要的導(dǎo)航工具，能實(shí)時提供移動物體的航向和姿態(tài)。隨著半導(dǎo)體工藝的進(jìn)步和手機(jī)操作系統(tǒng)的發(fā)展，集成了越來越多傳感器的智能手機(jī)變得功能強(qiáng)大，很多手機(jī)上都實(shí)現(xiàn)了電子羅盤的功能。而基于電子羅盤的應(yīng)用（如Android的Skymap）在各個軟件平臺上也流行起來。
要實(shí)現(xiàn)電子羅盤功能，需要一個檢測磁場的三軸磁力傳感器和一個三軸加速度傳感器。隨著微機(jī)械工藝的成熟，意法半導(dǎo)體推出將三軸磁力計(jì)和三軸加速計(jì)集成在一個封裝里的二合一傳感器模塊LSM303DLH，方便用戶在短時間內(nèi)設(shè)計(jì)出成本低、性能高的電子羅盤。本文以LSM303DLH為例討論該器件的工作原理、技術(shù)參數(shù)和電子羅盤的實(shí)現(xiàn)方法。

1. 地磁場和航向角的背景知識
如圖1所示，地球的磁場象一個條形磁體一樣由磁南極指向磁北極。在磁極點(diǎn)處磁場和當(dāng)?shù)氐乃矫娲怪保诔嗟来艌龊彤?dāng)?shù)氐乃矫嫫叫校栽诒卑肭虼艌龇较騼A斜指向地面。用來衡量磁感應(yīng)強(qiáng)度大小的單位是Tesla或者Gauss（1Tesla=Gauss）。隨著地理位置的不同，通常地磁場的強(qiáng)度是0.4-0.6 Gauss。需要注意的是，磁北極和地理上的北極并不重合，通常他們之間有11度左右的夾角。

圖1 地磁場分布圖

地磁場是一個矢量，對于一個固定的地點(diǎn)來說，這個矢量可以被分解為兩個與當(dāng)?shù)厮矫嫫叫械姆至亢鸵粋€與當(dāng)?shù)厮矫娲怪钡姆至俊Ｈ绻３蛛娮恿_盤和當(dāng)?shù)氐乃矫嫫叫校敲戳_盤中磁力計(jì)的三個軸就和這三個分量對應(yīng)起來，如圖2所示。

圖2 地磁場矢量分解示意圖

實(shí)際上對水平方向的兩個分量來說，他們的矢量和總是指向磁北的。羅盤中的航向角（Azimuth）就是當(dāng)前方向和磁北的夾角。由于羅盤保持水平，只需要用磁力計(jì)水平方向兩軸（通常為X軸和Y軸）的檢測數(shù)據(jù)就可以用式1計(jì)算出航向角。當(dāng)羅盤水平旋轉(zhuǎn)的時候，航向角在0?- 360?之間變化。

2．ST集成磁力計(jì)和加速計(jì)的傳感器模塊LSM303DLH
2.1 磁力計(jì)工作原理
在LSM303DLH中磁力計(jì)采用各向異性磁致電阻（Anisotropic Magneto-Resistance）材料來檢測空間中磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小。這種具有晶體結(jié)構(gòu)的合金材料對外界的磁場很敏感，磁場的強(qiáng)弱變化會導(dǎo)致AMR自身電阻值發(fā)生變化。

在制造過程中，將一個強(qiáng)磁場加在AMR上使其在某一方向上磁化，建立起一個主磁域，與主磁域垂直的軸被稱為該AMR的敏感軸，如圖3所示。為了使測量結(jié)果以線性的方式變化，AMR材料上的金屬導(dǎo)線呈45o角傾斜排列，電流從這些導(dǎo)線上流過，如圖4所示。由初始的強(qiáng)磁場在AMR材料上建立起來的主磁域和電流的方向有45o的夾角。

圖3 AMR材料示意圖

圖4 45o角排列的導(dǎo)線

當(dāng)有外界磁場Ha時，AMR上主磁域方向就會發(fā)生變化而不再是初始的方向了，那么磁場方向和電流的夾角θ也會發(fā)生變化，如圖5所示。對于AMR材料來說，θ角的變化會引起AMR自身阻值的變化，并且呈線性關(guān)系，如圖6所示。

圖5 磁場方向和電流方向的夾角

圖6 θ-R特性曲線

ST利用惠斯通電橋檢測AMR阻值的變化，如圖7所示。R1/R2/R3/R4是初始狀態(tài)相同的AMR電阻，但是R1/R2和R3/R4具有相反的磁化特性。當(dāng)檢測到外界磁場的時候，R1/R2阻值增加?R而R3/R4減少?R。這樣在沒有外界磁場的情況下，電橋的輸出為零；而在有外界磁場時電橋的輸出為一個微小的電壓?V。

圖7 惠斯通電橋

當(dāng)R1=R2=R3=R4=R，在外界磁場的作用下電阻變化為?R時，電橋輸出?V正比于?R。這就是磁力計(jì)的工作原理。

2.2 置位/復(fù)位(Set/Reset)電路
由于受到外界環(huán)境的影響，LSM303DLH中AMR上的主磁域方向不會永久保持不變。LSM303DLH內(nèi)置有置位/復(fù)位電路，通過內(nèi)部的金屬線圈周期性的產(chǎn)生電流脈沖，恢復(fù)初始的主磁域，如圖8所示。需要注意的是，置位脈沖和復(fù)位脈沖產(chǎn)生的效果是一樣的，只是方向不同而已。

圖8 LSM303DLH置位/復(fù)位電路

置位/復(fù)位電路給LSM303DLH帶來很多優(yōu)點(diǎn)：

1） 即使遇到外界強(qiáng)磁場的干擾，在干擾消失后LSM303DLH也能恢復(fù)正常工作而不需要用戶再次進(jìn)行校正。

2） 即使長時間工作也能保持初始磁化方向?qū)崿F(xiàn)精確測量，不會因?yàn)樾酒瑴囟茸兓騼?nèi)部噪音增大而影響測量精度。

3） 消除由于溫漂引起的電橋偏差。

2.3 LSM303DLH的性能參數(shù)

LSM303DLH集成三軸磁力計(jì)和三軸加速計(jì)，采用數(shù)字接口。磁力計(jì)的測量范圍從1.3 Gauss到8.1 Gauss共分7檔，用戶可以自由選擇。并且在20 Gauss以內(nèi)的磁場環(huán)境下都能夠保持一致的測量效果和相同的敏感度。它的分辨率可以達(dá)到8 mGauss并且內(nèi)部采用12位ADC，以保證對磁場強(qiáng)度的精確測量。和采用霍爾效應(yīng)原理的磁力計(jì)相比，LSM303DLH的功耗低，精度高，線性度好，并且不需要溫度補(bǔ)償。

LSM303DLH具有自動檢測功能。當(dāng)控制寄存器A被置位時，芯片內(nèi)部的自測電路會產(chǎn)生一個約為地磁場大小的激勵信號并輸出。用戶可以通過輸出數(shù)據(jù)來判斷芯片是否正常工作。

作為高集成度的傳感器模組，除了磁力計(jì)以外LSM303DLH還集成一顆高性能的加速計(jì)。加速計(jì)同樣采用12位ADC，可以達(dá)到1mg的測量精度。加速計(jì)可運(yùn)行于低功耗模式，并有睡眠/喚醒功能，可大大降低功耗。同時，加速計(jì)還集成了6軸方向檢測，兩路可編程中斷接口。

3. ST電子羅盤方案介紹
一個傳統(tǒng)的電子羅盤系統(tǒng)至少需要一個三軸的磁力計(jì)以測量磁場數(shù)據(jù)，一個三軸加速計(jì)以測量羅盤傾角，通過信號條理和數(shù)據(jù)采集部分將三維空間中的重力分布和磁場數(shù)據(jù)傳送給處理器。處理器通過磁場數(shù)據(jù)計(jì)算出方位角，通過重力數(shù)據(jù)進(jìn)行傾斜補(bǔ)償。這樣處理后輸出的方位角不受電子羅盤空間姿態(tài)的影響，如圖9所示。

圖9 電子羅盤結(jié)構(gòu)示意圖
　　LSM303DLH將上述的加速計(jì)、磁力計(jì)、A/D轉(zhuǎn)化器及信號條理電路集成在一起，仍然通過I2C總線和處理器通信。這樣只用一顆芯片就實(shí)現(xiàn)了6軸的數(shù)據(jù)檢測和輸出，降低了客戶的設(shè)計(jì)難度，減小了PCB板的占用面積，降低了器件成本。

LSM303DLH的典型應(yīng)用如圖10所示。它需要的周邊器件很少，連接也很簡單，磁力計(jì)和加速計(jì)各自有一條I2C總線和處理器通信。如果客戶的I/O接口電平為1.8V，Vdd_dig_M、Vdd_IO_A和Vdd_I2C_Bus均可接1.8V供電，Vdd使用2.5V以上供電即可；如果客戶接口電平為2.6V，除了Vdd_dig_M要求1.8V以外，其他皆可以用2.6V。在上文中提到，LSM303DLH需要置位/復(fù)位電路以維持AMR的主磁域。C1和C2為置位/復(fù)位電路的外部匹配電容，由于對置位脈沖和復(fù)位脈沖有一定的要求，建議用戶不要隨意修改C1和C2的大小。

圖10 LSM303DLH典型應(yīng)用電路圖
　　對于便攜式設(shè)備而言，器件的功耗非常重要，直接影響其待機(jī)的時間。LSM303DLH可以分別對磁力計(jì)和加速計(jì)的供電模式進(jìn)行控制，使其進(jìn)入睡眠或低功耗模式。并且用戶可自行調(diào)整磁力計(jì)和加速計(jì)的數(shù)據(jù)更新頻率，以調(diào)整功耗水平。在磁力計(jì)數(shù)據(jù)更新頻率為7.5Hz、加速計(jì)數(shù)據(jù)更新頻率為50Hz時，消耗電流典型值為0.83mA。在待機(jī)模式時，消耗電流小于3uA。

4. 鐵磁場干擾及校準(zhǔn)
電子指南針主要是通過感知地球磁場的存在來計(jì)算磁北極的方向。然而由于地球磁場在一般情況下只有微弱的0.5高斯，而一個普通的手機(jī)喇叭當(dāng)相距2厘米時仍會有大約4高斯的磁場，一個手機(jī)馬達(dá)在相距2厘米時會有大約6高斯的磁場，這一特點(diǎn)使得針對電子設(shè)備表面地球磁場的測量很容易受到電子設(shè)備本身的干擾。

磁場干擾是指由于具有磁性物質(zhì)或者可以影響局部磁場強(qiáng)度的物質(zhì)存在，使得磁傳感器所放置位置上的地球磁場發(fā)生了偏差。如圖11所示，在磁傳感器的XYZ 坐標(biāo)系中，綠色的圓表示地球磁場矢量繞z軸圓周轉(zhuǎn)動過程中在XY平面內(nèi)的投影軌跡，再沒有外界任何磁場干擾的情況下，此軌跡將會是一個標(biāo)準(zhǔn)的以O(shè)(0,0)為中心的圓。當(dāng)存在外界磁場干擾的情況時，測量得到的磁場強(qiáng)度矢量α將為該點(diǎn)地球磁場β與干擾磁場γ的矢量和。記作：

圖11 磁傳感器XY坐標(biāo)以及磁力線投影軌跡

一般可以認(rèn)為，干擾磁場γ在該點(diǎn)可以視為一個恒定的矢量。有很多因素可以造成磁場的干擾，如擺放在電路板上的馬達(dá)和喇叭，還有含有鐵鎳鈷等金屬的材料如屏蔽罩，螺絲，電阻， LCD背板以及外殼等等。同樣根據(jù)安培定律有電流通過的導(dǎo)線也會產(chǎn)生磁場，如圖12。

圖12 電流對磁場產(chǎn)生的影響

為了校準(zhǔn)這些來自電路板的磁場干擾，主要的工作就是通過計(jì)算將γ求出。

4.1 平面校準(zhǔn)方法
針對XY軸的校準(zhǔn)，將配備有磁傳感器的設(shè)備在XY平面內(nèi)自轉(zhuǎn)，如圖11，等價于將地球磁場矢量繞著過點(diǎn)O(γx,γy)垂直于XY平面的法線旋轉(zhuǎn)， 而紅色的圓為磁場矢量在旋轉(zhuǎn)過程中在XY平面內(nèi)投影的軌跡。這可以找到圓心的位置為((Xmax + Xmin)/2, (Ymax + Ymin)/2). 同樣將設(shè)備在XZ平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)可以得到地球磁場在XZ平面上的軌跡圓，這可以求出三維空間中的磁場干擾矢量γ(γx, γy, γz).

4.2 立體8字校準(zhǔn)方法
一般情況下，當(dāng)帶有傳感器的設(shè)備在空中各個方向旋轉(zhuǎn)時，測量值組成的空間幾何結(jié)構(gòu)實(shí)際上是一個圓球，所有的采樣點(diǎn)都落在這個球的表面上，如圖13所示，這一點(diǎn)同兩維平面內(nèi)投影得到的圓類似。

圖13 地球磁場空間旋轉(zhuǎn)后在傳感器空間坐標(biāo)內(nèi)得到球體

這種情況下，可以通過足夠的樣本點(diǎn)求出圓心O(γx, γy, γz), 即固定磁場干擾矢量的大小及方向。公式如下：

8字校準(zhǔn)法要求用戶使用需要校準(zhǔn)的設(shè)備在空中做8字晃動，原則上盡量多的讓設(shè)備法線方向指向空間的所有8個象限，如圖14所示。

圖14 設(shè)備的空中8字校準(zhǔn)示意圖
　　4.2 十面校準(zhǔn)方法

同樣，通過以下10面校準(zhǔn)方法，也可以達(dá)到校準(zhǔn)的目的。

圖15 10面交準(zhǔn)法步驟
　　如圖16所示，經(jīng)過10面校準(zhǔn)方法之后，同樣可以采樣到以上所述球體表面的部分軌跡，從而推導(dǎo)出球心的位置，即固定磁場干擾矢量的大小及方向。

圖16 10面校準(zhǔn)后的空間軌跡

5．傾斜補(bǔ)償及航偏角計(jì)算
經(jīng)過校準(zhǔn)后電子指南針在水平面上已經(jīng)可以正常使用了。但是更多的時候手機(jī)并不是保持水平的，通常它和水平面都有一個夾角。這個夾角會影響航向角的精度，需要通過加速度傳感器進(jìn)行傾斜補(bǔ)償。

對于一個物體在空中的姿態(tài)，導(dǎo)航系統(tǒng)里早已有定義，如圖17所示，Android中也采用了這個定義。Pitch(Φ)定義為x軸和水平面的夾角，圖示方向?yàn)檎较颍籖oll(θ)定義為y軸和水平面的夾角，圖示方向?yàn)檎较颉Ｓ蒔itch角引起的航向角的誤差如圖18所示。可以看出，在x軸方向10度的傾斜角就可以引起航向角最大7-8度的誤差。

圖17 Pitch角和Roll角定義 圖18 Pitch角引起的航向角誤差

手機(jī)在空中的傾斜姿態(tài)如圖19所示，通過3軸加速度傳感器檢測出三個軸上重力加速度的分量，再通過式2可以計(jì)算出Pitch和Roll。

圖19 手機(jī)在空中的傾斜姿態(tài)

式3可以將磁力計(jì)測得的三軸數(shù)據(jù)（XM，YM ，ZM）通過Pitch和Roll轉(zhuǎn)化為式1中計(jì)算航向角需要的Hy和Hx。之后再利用式1計(jì)算出航向角。

6．Android平臺指南針的實(shí)現(xiàn)
在當(dāng)前流行的android 手機(jī)中，很多都配備有指南針的功能。為了實(shí)現(xiàn)這一功能，只需要配備有ST提供的二合一傳感模塊LSM303DLH，ST 提供整套解決方案。Android中的軟件實(shí)現(xiàn)可以由以下框圖表示：

其中包括:

BSP Reference

Linux Kernel Driver (LSM303DLH_ACC + LSM303DLH_MAG)

HAL Library(Sensors_lsm303dlh + Liblsm303DLH) for sensors.default.so

經(jīng)過library 的計(jì)算，上層的應(yīng)用可以很輕松的運(yùn)用由Android定義由Library提供的航偏角信息進(jìn)行應(yīng)用程序的編寫。

磁力傳感器原理：自制磁力傳感器詳細(xì)步驟

　　今天我們來自制一個磁力傳感器。
　　實(shí)驗(yàn)用品： 塑料盒 導(dǎo)線 鐵絲 銅線 橡皮筋 燈泡
　　把銅漆包線中間的漆刮掉六厘米,沒有銅漆包線可用其它絕緣銅線代替,同樣要去掉中間的絕緣層.把刮掉絕緣層的銅線折成長一厘米的梳齒狀。在塑料盒的一邊兩角中間的位置鉆兩個孔。把折好的漆包線穿入鉆好的孔中使梳齒在中心位置，線的兩端在盒子上固定好。
　　把鐵絲折成8字形。用兩根橡皮筋分別穿進(jìn)8字的兩端，把8字兩端的口封好。把橡皮筋穿進(jìn)塑料盒兩端第一個縫隙中，使8字形鐵絲與梳齒狀銅線對應(yīng)，固定好橡皮筋，把軟的銅線接到8字形的鐵絲上，固定好軟銅線。
　　用磁鐵在盒外靠近8字鐵絲，鐵絲在磁鐵的吸引下與梳齒狀銅線接觸。磁鐵離開，鐵絲與銅線分開，磁鐵再靠近它們又接觸，磁鐵離開它們又分開。
　　鐵絲就是傳感器的動觸點(diǎn)，梳齒狀銅線就是傳感器的靜觸點(diǎn)。
　　把盒外銅漆包線線頭上的漆刮掉，接上一段軟銅線 。磁力接近傳感器就制作成功了。
　　把傳感器的動觸點(diǎn)端接在蓄電池的正極，靜觸點(diǎn)端與蓄電池負(fù)極間接上小燈泡。把磁鐵在盒外接近觸點(diǎn)，動觸點(diǎn)在磁鐵吸引下與靜觸點(diǎn)接觸。小燈炮發(fā)光。磁鐵離開，動靜觸點(diǎn)分離，小燈炮熄滅。
　　把磁鐵反復(fù)接近離開觸點(diǎn)，小燈炮反復(fù)發(fā)光熄滅。
　　這個傳感器就相當(dāng)于一個磁鐵啟動的開關(guān)，我們也可稱它為磁力開關(guān)。
　　把小燈泡換成個大一點(diǎn)的燈泡。當(dāng)磁鐵接近觸點(diǎn)，燈泡發(fā)關(guān)。磁鐵遠(yuǎn)離，燈炮熄滅。反復(fù)到第三次時動觸點(diǎn)不能分離，燈炮不熄滅。
　　這個磁力傳感器在小電流時能正常工作，電流大一點(diǎn)就不能正常工作。
　　所有的傳感器都是在小電流下工作的，要用傳感器控制大電流的電器就要用到繼電器。