磁罗经的发展前景3..ppt

为什么要研究磁罗经 引言 当今 电子技术高度发展 助航仪器与导航设备的自动化程度在不断提高 陀螺定向也得到广泛应用 电罗经普遍使用 磁罗经的地位也是不可低估的 船舶在海上航行 必须确定其航向 目前船舶上均使用罗经这种指向仪器 以引导船舶航行 SOLAS公约规定 150总吨以上的船舶应装配磁罗经 船舶规范 PSC的检查都免不了磁罗经这一项 由此可见 如何充分认识磁罗经在使用中存在的主要问题以及解决这些问题从而充分发挥其在船舶上的作用仍然是值得探讨的一个问题 磁罗经的发现 指南针是我国四大发明之一 据中外学者考证 不但指南针系我国最早发明 而且先于他国在航海上使用 到十六世纪 制造出装于箱体内的液体磁罗经 这就更加便于操纵和观测 并能保持罗经的水平正值状态 防止了摇摆 克服了古指南针的弊病 保证了磁罗经的精度 成为航海的必备仪器 磁罗经在传统航海指向仪器中的地位如何 传统航海指向仪器的比较与发现 目前 船舶仍然使用传统的指向仪器磁罗经作为船舶的指向仪器 或使用磁罗经和陀螺罗经共同作为船舶的指向仪器 磁罗经结构简单 性能可靠 经济耐用 特别是其不需要外界条件仅借助于地磁场作用力就可独立工作 陀螺罗经不但为船舶航行提供精确的向位 还可以比较方便地将所指示的航向转换为信号 非常方便地传输到船舶上需要向位的位置 并为ARPA 电子海图 自动舵等提供向位 可以说是船舶自动航行所必须的指向仪器 陀螺罗经 磁罗经与陀螺罗经的比对由于陀螺罗经结构复杂 是由众多的机械器件和电器器件组成的 陀螺罗经一般需要连续工作几十天 几个月甚至几年 因此航行中就比较容易发生故障 有时即使是发生一个很小的故障 就可能使整台罗经错误指向或不能指向 相比之下 当船舶发生紧急情况时 在一些特定条件下 现代先进的仪器无法使用 而原始的 不需要动力电源的导航仪器一一磁罗经往往能发挥出巨大作用 因此 可以说磁罗经在航海事业上的地位依然举足轻重 CLP 2B型操舵陀螺罗经 为什么要发展磁罗经 磁罗经在现代航海事业上的局限 1 自差影响指向精度2 磁差影响船舶操纵3 磁罗经管理 使用不当易引发的问题 1 自差影响指向精度 磁罗经是利用地磁场对磁针具有吸引力的现象而制成的一种航海指向仪器 当其在钢铁结构的船舶上使用时 由于船磁的影响而产生自差 因为自差是随着船舶所在磁纬度 航向倾斜情况的变化而变化的 因此造成磁罗经使用极大不便 2 磁差影响船舶操纵 1 磁罗经是以地球磁北作为航向基准 由于磁北与真北地理位置不一致而造成磁差 2 将磁航向转换为真航向需要利用换算公式进行计算 3 另外 由于磁差是随着磁纬度的不同而不同 计算需要海图数据 并且还要注意磁差的性质 3 磁罗经管理使用不当易引发的问题 一些港作船舶在距岸很近的水域航行 经常利用罗经观测陆标 灯标方位来进行定位 导航 如果磁罗经指向不准确 误差太大将影响定位精度 甚至发生错误导航 给船舶安全带来威胁 事故 2006年3月20日2130时 隶属于浙江温岭市长安海运有限公司的 长安119 轮在进营口老港航行至12 灯浮时 利用罗经观测灯标方位导航 因罗经没有按归定校正自差 罗经指向误差太大 引航员对情况估计不足 造成错误导航 船舶搁浅在营口港区12 13 灯浮之间的浅滩上 4 各航海领域磁罗经的使用现状 随着GPS AIS 电子海图 多功能雷达等仪器被船舶广泛使用以来 航海技术不断在提高 航海事业得到迅速发展 在电子航海仪器越来越被广泛应用 航海技术向数字化发展的同时 传统磁罗经不被重视 管理疏忽 存在安全隐患 怎样发展磁罗经 对磁罗经技术在航海领域应用开发方面的展望 1 传统航海指向仪器的未来2 电子磁罗经3 GPS罗经的崛起 1 传统航海指向仪器的未来 1 采用数字技术处理磁罗经航向信号2 提高陀螺仪的可靠性3 采用数字化技术处理和传输航向4 增加罗经的自动监测功能 1 采用数字技术处理磁罗经航向信号 过去 以前的磁罗经复示器多采用电磁感应式或光电二极管式转换航向信号 晶体管放大信号 精确度和可靠性都比较差 现在 采用数码检测技术和CPU处理航向信号 提高了磁罗经航向传输的精度 还可以将磁差和自差消除 使磁罗经也能和陀螺罗经一样 提供精确的向位并控制船舶自动航行 2 提高陀螺仪的可靠性 现在 船用陀螺罗经使用的陀螺仪 陀螺电机 全部使用电动陀螺仪 工作时转子必须高速旋转 电流大 机械磨损大 误差大 故障率高 寿命短 未来 可用体积小 精度高 寿命长的激光陀螺仪或性能更好的陀螺仪代替现在使用的电动陀螺仪 以提高陀螺罗经指向的可靠性和使用寿命 3 采用数字化技术处理和传输航向 现在 陀螺罗经测量精度不太高 故障率高 信号传输过程中不容易对信号进行再处理 影响了传输到其他仪器的航向精度及可靠性 未来 若采用数字技术和CPU电路 将大幅度提高航向传输的精度和可靠性 4 增加罗经的自动监测功能 未来 设置陀螺仪 球 主轴指向 主罗经指向 各复示器指向 电路故障 主要元器件故障和指向误差等的自动监测功能 能够自动检测故障原因 位置 并及时显示和发出报警 告知使用人员 以便采取及时正确的应对措施 2 电子磁罗经 电子磁罗经的核心部分是磁性传感器 不同工作原理的磁传感器构成了不同类型的罗经 目前在航海上应用的磁性传感器的种类很多 主要有基于霍尔效应原理的 磁通门效应原理的 磁阻效应原理的和巨磁电阻效应原理的传感器 它们可以检测磁场的大小 方向 确定载体的角度 位置和位移等参量 2 1霍尔罗经 Hallcompass 2 2磁通门罗经 Fluxgatecompass 2 3磁阻 MR 罗经2 4巨磁电阻传感器 霍尔罗经 Hallcompass 工作原理 霍尔罗经是基于霍尔效应原理工作的 在半导体薄片上若沿X轴方向通入电流 沿Y轴方向加上磁感应强度 则电流与磁感应强度相垂直 薄片中的正电荷在洛仑兹力作用下向垂直于XY平面方向聚集 结果在薄片的上下表面形成正负电荷的积累 形成电势差 即霍尔电压 霍尔器件工作原理示意图 霍尔器件优点 1 霍尔传感器可以测量任意波形的电流和电压 2 原边电路与副边电路之间有良好的电气隔离 隔离电压可达9600Vrms 3 精度高 4 线性度好 优于0 1 5 宽带宽 6 测量范围 霍尔传感器为系列产品 电流测量可达50KA 电压测量可达6400V 用途 率先在潜艇部队得到广泛应用 2 2磁通门罗经 工作原理 磁通门传感器是利用被测磁场中高导磁铁芯在交变磁场的饱和激励下 其磁感应强度与磁场强度的非线性关系来测量弱磁场 磁通门传感器工作原理图 磁通门传感器特点 优点 1 与其他类型测磁仪器相比 磁通门传感器具有分辨力高 2 测量弱磁场范围宽 3 可靠 能够直接测量磁场的分量和适于在速运动系统中使用 缺陷 尺寸较大 响应时间长 磁通门传感器用途 目前在海洋流向 风向 海洋浮标 海洋机器人水下运动姿态 钻井及航海等方面的磁场测量中得到广泛应用 2 3磁阻罗经 工作原理 磁阻罗经 它是基于铁磁材料具有磁阻效应的原理工作 所谓磁阻效应 Magnetoresistanceffect是指导体电阻受磁场影响而产生变化的现象当外磁场平行于磁体内部的磁化方向时 磁体电阻几乎不随外磁场变化 而当磁场偏离内部磁化方向时 则电阻减小 随着外磁场的增大 电阻急剧变化 当外磁场达到一定场强时 电阻将趋向于饱和而基本不变 磁阻传感器工作原理图 磁阻传感器有如下特点 1 磁阻传感器被集成芯片 尺寸小 可方便地装入插板产品中 2 灵敏度高 由于内阻小 使其对电磁噪声和干扰不敏感 3 无转动等机械部件 无需日常保养 具有高度可靠性 4 成本低 价格便宜 磁阻传感器用途 它们可应用在交通车辆 导航系统 实验仪器 医疗仪器 钻井设备 农业设备等领域 2 4巨磁电阻罗经 工作原理 所谓巨磁电阻效应是一种磁致电阻效应 主要是指在纳米尺度的磁性多层薄膜材料中 当磁场作用于磁性多层膜中自旋导电电子时 导致膜电阻发生很大的变化 巨磁传感器工作原理图 巨磁传感器特点 1 体积小 2 灵敏度高 3 线性范围宽4 可靠性高5 成本低6 热稳定性好 用途 目前完全可取代传统的霍尔及磁阻元件 广泛应用在信息 电机 电子电力 能源管理 汽车 磁信息读写及工业自动控制等领域 电子罗经在航海上应用展望 随着科学技术的发展 数字磁罗经作为导航仪器或姿态传感器 在航空 航天 机器人 航海 车辆自主导航等多个领域都有广阔的应用前景 在船舶导航方面 在实际使用中传统磁罗经的指向精度低 读数较为困难且其所测得的航向信号不能直接输入其它仪器 已经不能适应现代船舶综合导航系统需要 而如果在船舶上使用数字磁罗经取代传统磁罗经 完全可以克服传统磁罗经的这些缺点 由于现在数字磁罗经技术具有明显的军事应用潜能 在很多国家高精度的数字罗经多为军用 还没有完全转为民用 而且数字磁罗经自身还存在一定的局限性需要改进 例如响应时间太长 受外部干扰磁场影响较大等因素 因此数字磁罗经技术还需要一定的时间和进一步的完善 才能获得更为广泛的应用 3 GPS罗经 工作原理 GPS罗经一般由GPS接收机 数据处理器 或微处理器 和显示器三个部分组成 GPS接收机用于接收来自GPS卫星的导航数据 数据处理器则是根据GPS罗经导航算法模型和动态实时解算整周模糊度算法 解算出基线向量在大地坐标系中的解 继而得到运动载体的方位角 俯仰角和横滚角等技术参数 采用惯性陀螺的三维偏向参数 结合卫星定位精确指北数据进行循环修正 达到稳定指北的目的 显示器则是显示处理器得出的相关技术参数 GPS罗经工作原理图 GPS罗经特点 优点 GPS罗经能够快速准确地指出航向且不受磁场强度和漂移误差的影响 体积小 精度高 定位速度快 易安装 免维护 价格低廉 缺陷 如天线必须对天空可视 保持卫星信号无遮挡 通常需要通过初始化求解整周模糊度 姿态测量操作时 要求接收机对卫星信号连续进行跟踪 如果卫星失锁太多 太久 则需要重新初始化整周模糊度 影响系统的实际使用 GPS罗经用途 GPS罗经 通常也称作卫星罗经 是一种能够满足现代导航定位需要的新型航向指示设备 它可与雷达 自动舵 电子海图 船舶自动识别系统 AIS 船载航行数据记录