[發明專利]一種基于三軸TMR傳感器的慣性/地磁組合導航系統低噪聲測量電路

有效

• 申請號: 202010791983.0
• 申請日: 2020-08-08
• 公開（公告）號: CN111964672B
• 公開（公告）日: 2022-06-17
• 發明（設計）人: 于強;王朝陽
• 申請（專利權）人: 武漢利科夫科技有限公司
• 主分類號: G01C21/16
• 分類號: G01C21/16;G01C21/08
• 代理公司: 北京中仟知識產權代理事務所(普通合伙) 11825
• 代理人: 田江飛

本發明涉及導航設備電路技術領域，尤其是一種基于三軸TMR傳感器的慣性/地磁組合導航系統低噪聲測量電路，包括電源模塊、信號處理模塊、信息采集模塊,電源模塊包括+2.5V輸出電源電路、+3.3V輸出電壓電源電路、+5V緩沖電壓電源電路；信息采集模塊包括三軸隧穿磁阻磁傳感器電路和慣性傳感器測量電路；信號處理模塊包括X軸信號處理電路、Y軸信號處理電路、Z軸信號處理電路、AD轉換電路；本發明能夠使一定體積的水下潛航器可以在水下持續工作更長時間，以及解決由于測量磁場頻率較低而導致的信號在高頻處噪聲濾除不徹底的問題。

技術領域

本發明涉及導航設備電路技術領域，尤其涉及一種基于三軸TMR傳感器的慣性/地磁組合導航系統低噪聲測量電路。

背景技術

導航定位技術在現代科學技術發展中處于基礎地位,滲透于各種軍用和民用領域,并顯示出越來越重要的作用；隨著導航需求的不斷提升，單個導航系統以已經無法滿足現如今的導航需求，所以組合導航系統越來越凸顯其技術上的優勢，常見的組合導航系統包括慣性/GPS/地磁等導航方式。

由于GPS信號在水中傳播衰減很快，所以無人潛航器在水下運行時，慣性/GPS組合導航系統會經常性的對載體目標的失鎖；地磁導航相比于GPS導航，信號受到的干擾小，也不會外輻能量，具有無源性；所以水下無人潛航器的導航系統應用慣性/地磁組合導航是目前熱門的一個課題。

TMR(Tunnel MagnetoResistance)元件是近年來開始工業應用的新型磁電阻效應傳感器，其利用的是磁性多層膜材料的隧道磁電阻效應對磁場進行感應；通常也用磁隧道結(Magnetic Tunnel Junction，MTJ)來代指TMR元件；MTJ包括自由層、隧穿層、被釘扎層，類似于三明治的結構；自由層的極化方向受外加磁場的大小和方向影響；隧穿層為一層薄的非鐵磁性絕緣層；被釘扎層極化方向由被釘扎層和反鐵磁層之間的耦合作用固定；通過改變外加磁場的大小方向，可以改變自由層與被釘扎層極化方向之間的夾角，隧穿電阻的阻值發生變化，對應的電阻稱之為隧道磁電阻；電阻值發生變化，即 TMR效應；三軸TMR傳感器設計為惠斯通電橋結構可以減小TMR傳感器的零點漂移、抑制共模信號、降低電路噪。

MEMS加速度計的工作原理是當加速度計連同外界物體一起作變速運動時，質量塊就受到慣性力的作用向相反的方向運動；質量塊發生的位移受到彈簧和阻尼器的限制，通過輸出電壓可以測得外界的加速度大小。

當一個旋轉物體的旋轉軸所指的方向不受外力時，旋轉軸不會改變；根據此原理，MEMS單軸陀螺儀內部固定施加電壓，并且交替改變，使得一個質量塊震蕩運動，當質量塊旋轉式，會產生科里奧利加速度，此時進行測量，可以得到單軸兩個方向的角度，三軸MEMS陀螺儀可以測得三軸六個方位的位置。

TMR2309是新一代高性能隧道磁電阻傳感器，其采用三個獨特的推挽式惠斯通全橋結構設計；每一軸惠斯通全橋提供差分電壓輸出，并且該輸出具有良好的溫度穩定性、高靈敏度、寬動態范圍、較寬的工作電壓范圍、低功耗等優點。

MPU60X0是首個九軸運動處理傳感器，該系統集成了三軸MEMS加速度計、 MEMS陀螺儀以及一個可擴展的數字運動處理器，可以用于I2C接口連接其他數字傳感器。

水下慣性/地磁組合導航通過三軸加速度計獲取載體加速度信息、通過三軸陀螺儀獲得載體姿態信息、通過隧穿磁阻傳感器獲得磁場強度信息，再通過數據融合處理算法，可以解算出載體所在位置、速度等導航參數。

目前基于TMR傳感器的慣性/地磁組合導航探測電路設計較少，研究的方向較廣，可以在簡化電路、降低功耗、壓縮空間尺寸以及減少設計成本等方面做研究；為了使一定體積的水下潛航器可以在水下持續工作更長時間，以及解決由于測量磁場頻率較低而導致的信號在高頻處噪聲濾除不徹底的問題；所以本發提出一種低功耗低噪聲三軸TMR傳感器的慣性/地磁組合導航系統的檢測電路。

發明內容