基于磁阻傳感器的磁羅經實驗室訓練方法改進設計*

陳 偉 張 源

(海軍蚌埠士官學校航海教研室 蚌埠 233012)

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基于磁阻傳感器的磁羅經實驗室訓練方法改進設計*

陳 偉 張 源

(海軍蚌埠士官學校航海教研室 蚌埠 233012)

利用磁阻傳感器感知磁航向,對此航向加入誤差模擬電羅經航向,磁羅經與此航向比對,模擬實際工作環境中磁羅經與電羅經比對測定消除磁羅經自差,解決了實驗室無法進行此項目相關教學訓練的問題。

磁阻傳感器; 磁羅經; 實驗室

Class Number U666

1 引言

利用艦艇上電羅經航向作為基準航向,與磁羅經比對得出磁羅經自差大小并以“愛利法”為基礎進行自差消除的方法,相對于傳統方法,具有不受天氣、海域限制等優勢,是一種常用的磁羅經自差消除方式[1～2]。該方法在院校教學中,受場地、電羅經保障等因素制約,一直缺乏有效的措施進行該項目的教學與實作訓練。磁阻傳感器具有敏感當地磁場方向的作用,在磁羅經數字化改造方面已被廣泛使用[3～4],將其安裝在磁羅盤上,能夠敏感出磁羅經磁羅盤處磁航向數值,磁羅盤讀數與磁阻傳感器敏感數值相同。利用磁阻傳感器這一性能,本文提出將磁阻傳感器給出的數值進行相關誤差處理,以處理后的航向模擬電羅經航向,使磁羅經可以進行航向比對,實現了課堂教學與訓練應用。

2 實驗方法及功能

航向比對法是一種常用的磁羅經自差測定方法,是通過比對電羅經與磁羅經航向來測定自差的方法,為自差消除提供自差數據。在消除自差過程中,利用艦艇上電羅經航向來進行磁航向航行,其中電羅經航向由所要航行的磁航向、當地磁差和電羅經差推算得出,用公式表示:電羅經航向=磁航向+磁差-電羅經差。磁差是從海圖上取得的,電羅經差可以在過疊標線時測定。航向比對法實施過程中需要電羅經保障,在實驗教學中收到實驗室場地與電羅經保障的制約,難以有效開展此項目教學訓練。針對電羅經保障限制,本設計主要通過“電羅經航向模擬系統”進行電羅經航向的模擬;通過“船舶轉向模擬系統”解決了場地限制問題[5],實現了在實驗室此項目教學訓練。

3 系統的組成和功能實現

本設計硬件組成及功能如圖1,通過磁阻傳感器來敏感磁場,經過信號放大、A/D轉換及鍵盤裝入的數據后,經單片機處理后所得的航向,作為模擬的電羅經航向,進行磁羅經航向比對的依據[1,3]。其中磁阻傳感器是基于磁阻效應原理工作的,利用磁阻效應可高靈敏度地檢測外界磁場強度的大小和方向。采用兩軸磁阻傳感器來直接敏感磁場,磁阻傳感器輸出X軸和Y軸二路相對應的感應電壓,經磁阻傳感器電路處理后,輸出X軸和Y軸二路感應直流電壓信號。這兩路信號輸入到A/D轉換器的輸入端。A/D轉換器將二路輸入的直流電壓信號分別轉換為12位數字信號,結果送入單片機處理。按照編制的程序,計算Y軸和X軸信號Vy和Vx的正切值,可獲得船舶的真實磁航向,將真實磁航向經鍵盤加入誤差后,作為模擬電羅經航向數值并顯示,得到待比對的航向。

圖1 系統的硬件組成

3.1 模擬艦艇轉向的實現

利用“愛利法”消除磁羅經自差,需要先后在四個基點及兩個相互垂直的隅點磁航向上進行,在進行實際航行訓練時,只需要調整船艇的航向即可帶動磁羅經隨之轉向。在實驗室后實現磁羅經的航向變化,通常采用在磁羅經基座下安裝一個360°全方位回轉的平臺的方法解決,在自差消測過程中,當需要船艇轉向的時候,只需手動轉動羅經主體,即可模擬出磁羅經隨船艇轉向的效果。

3.2 模擬電羅經航向的實現

在實驗室,磁阻傳感器感應所得到的航向為不含自差的羅航向,即為真實的磁航向?？紤]到相應航向存在的自差,采用人為加入誤差后的航向,作為電羅經航向,電羅經航向數值由真實磁航向、當地磁差及電羅經誤差三個因素決定,即公式:電羅經航向=磁航向+磁差-電羅經誤差,此處的磁航向為需要航行的磁航向,如0°、90°,帶入公式便可得電羅經航向,所得的電羅經航向用于模擬艦艇的真實航向,為航向比對的基準。為了教學訓練更貼近實際情況,當地磁差及電羅經誤差可采用磁羅經自差消除時的一組真實數據,通過鍵盤選擇已裝訂在單片機內的多組數據中的一組。

3.3 克服磁鐵棒對磁阻傳感器的影響的實現

該設計磁阻傳感器的信號準確和穩定為模擬電羅經航向的關鍵,而在消除自差過程中,存在插入的磁鐵棒會改變磁阻傳感器周圍的磁場,導致電羅經的航向發生變化,無法實現實際工作中艦艇穩定的航向的問題?？朔盆F棒對磁阻傳感器的影響成為本設計的關鍵。如圖2所示,采用的方法是當電羅經確認進入相關航向后,鎖定該航向顯示,這樣插入的磁棒不會影響電羅經航向顯示,當該航向消除完畢后,比對此時磁阻傳感器真實值與特定值(含允許的消除誤差)之間的關系,并決定是否解鎖,以進行下一個航向的消除。以消除C自差為例,首先以磁航向0°航行,0°為解鎖航向,消除過程中,當磁阻傳感器感應值變為0°時表示該航向消除完畢;然后以180°航行,進入該磁航向后,讀取磁阻傳感器此時值,與180°取中間值為解鎖航向,消除過程中,當磁阻傳感器感應值與解鎖值相等時表示該航向消除完畢。為了保證正確進入相應磁航向,顯示屏上同時顯示相關磁差與電羅經差,以便操作人員能計算出相應電羅經航向;當磁阻傳感器與特定值相等時,進行一定延時,確認該值穩定后再進行顯示器航向顯示解鎖。

圖2 航向顯示流程圖

4 系統工作過程

磁傳感器敏感實驗室磁羅經附近磁場信號,經前置放大、A/D轉換后送單片機初步處理,得出磁場方向,加入相應航向上人為誤差后的得出模擬電羅經航向并顯示,同時顯示出電羅經誤差與磁差值。轉動磁羅經使電羅經進入消除自差時艦艇所航行的磁航向,模擬航行,并對該航向進行鎖定顯示。讀取此時的磁羅經航向作為要比對的航向,磁羅經航向與相應磁航向之差即為此航向上磁羅經自差,插入相應硬鐵或軟鐵進行自差消除。當插入磁棒后必然引起磁羅經周圍磁場的變化,磁羅盤轉動,磁阻傳感器感應航向同時發生變化,當磁阻傳感器感應航向與所要航行的磁航向相同(走正航向)或為兩者中間值(走反航向)時,表示此航向自差消除完成。

圖3 系統工作過程流程圖

5 結語

本設計在實驗室實現了磁羅經航向比對法的消除過程,能滿足航向比對法在實驗室的教學訓練要求,需要注意的是本設計中磁羅經自差為人為設定的自差,并非磁羅經真實存在的自差,與真實工作情況有所不同,僅可模擬真實工作情況,限于教學訓練應用。

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Improved Design of Magnetic Compass Training Laboratory Based on Magnetic Resistance Sensor

CHEN Wei ZHANG Yuan

(Navigation Teaching and Research Office, Bengbu Naval Petty Officer Academy, Bengbu 233012)

Using magnetic resistance sensor to sense magnetic course, error simulation electric compass course is added, the course is compared with the magnetic course, compass and determination to eliminate the magnetic compass autodyne gyrocompass contrast magnetic actual working environment are simulated, the laboratory cannot carry out this project related training problem is solved.

magnetic resistance sensor, magnetic compass, laboratory

2015年2月11日,

2015年3月24日

陳偉,男,助教,研究方向:航海儀器的教學與科研工作。張源,男,碩士,副教授,研究方向:航海儀器的教學與科研工作。

U666

10.3969/j.issn1672-9730.2015.08.024