МЕТОДИКА КАЛИБРОВКИ МИКРОЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ МАГНИТОМЕТРОВ Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

MEANS OF COMMUNICATION EQUIPMENT. Iss. 2 (142). 2018

И.В. Щербань

доктор технических наук, профессор

Р.В. Быкадоров

Южный Федеральный Университет (ЮФУ)

МЕТОДИКА КАЛИБРОВКИ МИКРОЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ МАГНИТОМЕТРОВ

АННОТАЦИЯ. Представлена методика калибровки микроэлектромеханических магнитометров. Алгоритм создан с помощью программных и аппаратных средств с использованием языка программирования Delphi 7.0, решены задачи нормирования исходного сигнала.

КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: микроэлектромеханическая система, магнитометр, калибровка, программное обеспечение, аппаратное обеспечение.

Введение

Микроэлектромеханические (МЭМС) датчики — это устройства, производимые по технологии, схожей с технологией производства обычных полупроводниковых элементов, что и обуславливает привлекательность их характеристик, например, низкие стоимость и энергопотребление, миниатюрность, простота использования и другие. В частности, к таким датчикам относятся микросхемы, содержащие гироскопы, акселерометры и магнетометры.

Основными недостатками МЭМС-датчиков являются сравнительно низкая точность, зашумленность выходного сигнала, а также принципиальная невозможность формирования точных моделей погрешностей. Последний факт обусловлен нестабильностью этих моделей, сильной зависимостью модельных параметров от внешних условий — от температуры, характеристик источника питания и т. п. факторов. Поэтому требуется периодическая коррекция моделей погрешностей МЭМС-датчиков в ходе их эксплуатации.

Соответственно, представляет интерес, разработанное программное обеспечение (ПО) для калибровки любого, от одноосного до трехосного, магнитометра микросхемы МЭМС. Двух-и трехосные магнитометры предназначены для измерения магнитного поля Земли по нескольким осям. Традиционно МЭМС микросхемы,

содержащие магнитометры, включают одновременно и акселерометры. Показания акселерометров в данном случае необходимы для нормировки выходных данных магнитометров.

Методика калибровки МЭМС магнитометров

При калибровках используется наклонно-поворотный стол (НПС), предназначенный для задания пространственной ориентации измерительных осей магнитометров с точностью до 3 угл. мин относительно земных осей.

Вначале проводится нормировка выходных сигналов магнитных датчиков [1]. При этом измерительная ось каждого магнитометра поворачивается на 360° вокруг нормали к поверхности Земли в плоскости горизонта для определения максимума и минимума в потоке выходных данных. Выставка в плоскость горизонта осуществляется на основе показаний акселерометров этой же МЭМС микросхемы.

По широте места испытаний L рассчитывается угол магнитного наклонения (УМН)

^ L).

Нормирование производится по следующим соотношениям:

Xmc ((Хтс Biasx )SFx '

X + X

B — max min

ТЕХНИКА СРЕДСТВ СВЯЗИ, № 2 (142), 2018

2cosA,

SFx =-

x X - X

mov tr

где X — координатная ось; Хтс — измеренная величина (выходной сигнал датчика); Хтс — нормированная величина; Хтах и Хт1п — измеренные максимальное и минимальное значение измеренной величины в горизонтальной плоскости, соответственно; Вк8х — напряжение смещения х-датчика; SFx — масштабирующий множитель.

Вследствие влияния магнитного поля Земли измеренное значение УМН отличается от реального. Расширенный угол магнитного наклонения (РУМН) определяется как

Х' = tg

-1

(

Xmc sinQ sin9 + cosQ tgy + YnccosQ sin8 cos9 tgy - sin9

где Ymc — нормированная величина выходного сигнала ортогонального магнитометра, а углы крена 9 и наклона ф рассчитываются по выходным показаниям ах акселерометра исследуемой микросхемы как

Q = sin-1

ф = sin

-1 ( -ax

gcosQ

g — точно рассчитываемое в месте испытаний земное ускорение;

¥ = tg

-1

(

sinA, sin9 + Xmc sinQ si^- Ymc cosQ sinA, sinQ cos9 + Xmc cos9

При проведении калибровок может возникнуть следующая проблема [1]. Знаменатель урав-

нения для РУМН X' равен нулю, если углы крена равны нулю. Кроме того, необходима величина азимута у. Проблема решается следующим образом. Двухосевой магнитометр может вычислять азимут точно на горизонтальной поверхности после нормирования при неизвестном УМН. Далее, магнитный компас поворачивается по направлению к оси x или y для определения значения азимута во избежание вырожденности.

По окончании расчетов полученные измерения MEMS-магнитометра сравниваются с заранее известными базовыми направлениями НПС и, таким образом, далее рассчитываются погрешности измерений датчика.

Программное обеспечение разработано в среде Delphi 7.0. При съеме измерений цифровые данные магнитометров переводятся в действительные угловые величины. Также обеспечивается запись данных в файлы данных и их последующая обработка в соответствии с вышеописанной методикой.

Заключение

Проведены экспериментальные испытания MEMS-микросхемы L3G4200D, содержащей в своем составе три акселерометра и трехосный магнитометр. Динамический диапазон измерений магнитометра составляет, по каналам, ±250/±500/±2000 градусов в секунду.

Результаты испытаний подтвердили работоспособность разработанной методики и возможность ее эффективного использования для калибровок МЭМС-магнитометров. Разработанное ПО может использоваться при калибровках МЭМС-магнитометров малогабаритных навигационных систем.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Seong Yun Cho. A Calibration Technique for a Two-Axis Magnetic Compass in Telematics Devices // ETRI Journal, Vol. 27, № 3. June 2005. P. 280-288.