[发明专利]一种基于三轴TMR传感器的惯性/地磁组合导航系统低噪声测量电路

说明书

本发明涉及导航设备电路技术领域，尤其是一种基于三轴TMR传感器的惯性/地磁组合导航系统低噪声测量电路，包括电源模块、信号处理模块、信息采集模块,电源模块包括+2.5V输出电源电路、+3.3V输出电压电源电路、+5V缓冲电压电源电路；信息采集模块包括三轴隧穿磁阻磁传感器电路和惯性传感器测量电路；信号处理模块包括X轴信号处理电路、Y轴信号处理电路、Z轴信号处理电路、AD转换电路；本发明能够使一定体积的水下潜航器可以在水下持续工作更长时间，以及解决由于测量磁场频率较低而导致的信号在高频处噪声滤除不彻底的问题。

技术领域

本发明涉及导航设备电路技术领域，尤其涉及一种基于三轴TMR传感器的惯性/地磁组合导航系统低噪声测量电路。

背景技术

导航定位技术在现代科学技术发展中处于基础地位,渗透于各种军用和民用领域,并显示出越来越重要的作用；随着导航需求的不断提升，单个导航系统以已经无法满足现如今的导航需求，所以组合导航系统越来越凸显其技术上的优势，常见的组合导航系统包括惯性/GPS/地磁等导航方式。

由于GPS信号在水中传播衰减很快，所以无人潜航器在水下运行时，惯性/GPS组合导航系统会经常性的对载体目标的失锁；地磁导航相比于GPS导航，信号受到的干扰小，也不会外辐能量，具有无源性；所以水下无人潜航器的导航系统应用惯性/地磁组合导航是目前热门的一个课题。

TMR(Tunnel MagnetoResistance)元件是近年来开始工业应用的新型磁电阻效应传感器，其利用的是磁性多层膜材料的隧道磁电阻效应对磁场进行感应；通常也用磁隧道结(Magnetic Tunnel Junction，MTJ)来代指TMR元件；MTJ包括自由层、隧穿层、被钉扎层，类似于三明治的结构；自由层的极化方向受外加磁场的大小和方向影响；隧穿层为一层薄的非铁磁性绝缘层；被钉扎层极化方向由被钉扎层和反铁磁层之间的耦合作用固定；通过改变外加磁场的大小方向，可以改变自由层与被钉扎层极化方向之间的夹角，隧穿电阻的阻值发生变化，对应的电阻称之为隧道磁电阻；电阻值发生变化，即 TMR效应；三轴TMR传感器设计为惠斯通电桥结构可以减小TMR传感器的零点漂移、抑制共模信号、降低电路噪。

MEMS加速度计的工作原理是当加速度计连同外界物体一起作变速运动时，质量块就受到惯性力的作用向相反的方向运动；质量块发生的位移受到弹簧和阻尼器的限制，通过输出电压可以测得外界的加速度大小。

当一个旋转物体的旋转轴所指的方向不受外力时，旋转轴不会改变；根据此原理，MEMS单轴陀螺仪内部固定施加电压，并且交替改变，使得一个质量块震荡运动，当质量块旋转式，会产生科里奥利加速度，此时进行测量，可以得到单轴两个方向的角度，三轴MEMS陀螺仪可以测得三轴六个方位的位置。

TMR2309是新一代高性能隧道磁电阻传感器，其采用三个独特的推挽式惠斯通全桥结构设计；每一轴惠斯通全桥提供差分电压输出，并且该输出具有良好的温度稳定性、高灵敏度、宽动态范围、较宽的工作电压范围、低功耗等优点。

MPU60X0是首个九轴运动处理传感器，该系统集成了三轴MEMS加速度计、 MEMS陀螺仪以及一个可扩展的数字运动处理器，可以用于I2C接口连接其他数字传感器。

水下惯性/地磁组合导航通过三轴加速度计获取载体加速度信息、通过三轴陀螺仪获得载体姿态信息、通过隧穿磁阻传感器获得磁场强度信息，再通过数据融合处理算法，可以解算出载体所在位置、速度等导航参数。

目前基于TMR传感器的惯性/地磁组合导航探测电路设计较少，研究的方向较广，可以在简化电路、降低功耗、压缩空间尺寸以及减少设计成本等方面做研究；为了使一定体积的水下潜航器可以在水下持续工作更长时间，以及解决由于测量磁场频率较低而导致的信号在高频处噪声滤除不彻底的问题；所以本发提出一种低功耗低噪声三轴TMR传感器的惯性/地磁组合导航系统的检测电路。

发明内容