home *** CD-ROM | disk | FTP | other *** search
/ NetNews Usenet Archive 1992 #19 / NN_1992_19.iso / spool / sci / physics / 14111 < prev    next >
Encoding:
Text File  |  1992-09-04  |  4.2 KB  |  84 lines
  1. Newsgroups: sci.physics
  2. Path: sparky!uunet!sun-barr!cs.utexas.edu!usc!sdd.hp.com!hplabs!nsc!voder!pad
  3. From: pad@galaxy.nsc.com (Paul Denny x8349)
  4. Subject: fluxgate compasses
  5. Message-ID: <1992Sep4.165143.29277@voder.nsc.com>
  6. Keywords: how it works
  7. Sender: news@voder.nsc.com
  8. Organization: National Semiconductor, Santa Clara
  9. Date: Fri, 4 Sep 1992 16:51:43 GMT
  10. Lines: 72
  11.  
  12. I recently asked here how fluxgate compasses work and received the
  13. following explanation by email from Franklin Antonio. I felt that
  14. it was an elegant explanation that would be of interest to sci.physics
  15. and as such I have reproduced his explanation. All credit for this
  16. posting are due to him and any errors remain mine - flame me not him.
  17.  
  18. enjoy! (I did)
  19.  
  20. From: Franklin Antonio <ANTONIO@qualcomm.com>
  21.  
  22. In a recent sci.physics posting, you ask how fluxgate compasses work.
  23.  
  24. The trick that requires explanation is how you can get a coil to produce
  25. a signal which is proportional to the strength of one component of a
  26. STATIC magnetic field.  (ie the Earth's magnetic field)  Obviously, if you
  27. can pull that off, you can do it twice, with two coils oriented 90 degrees
  28. apart, then take the 4-quadrant arctangent of the two signal levels, and get 
  29. the direction of the static field.  (or if you prefer doing it in 3d, you
  30. can do the same with three coils.)
  31.  
  32. To make a signal which is a measurement of a static magnetic field, the
  33. fluxgate compass gates the flux of the earth's magnetic field.  
  34.  
  35. In the absence of local magnetic materials, the earth's magnetic field
  36. looks locally uniform.  That is to say the lines of force are curved
  37. but gently so, so that locally you can think of them as uniform and
  38. straight, like the lines on a piece of writing paper.  Now, consider
  39. a piece of magnetic material of high permeability.  Perhaps a piece of
  40. iron or ferrite.  Put this into the previously uniform field, and now
  41. the lines of force bend, because the lines would rather go thru the
  42. high permeability material than thru free space.  If we had a way to
  43. gate the permeability of that hunk of iron, that is to vary it in a
  44. regular patern high/low/high/low/... then we would make the lines of
  45. force of the earth's magnetic field move in and out of the iron.  Now
  46. we would have a varying (rather than static) magnetic field which
  47. is proportional to the strength of the static (Earth's) magnetic field
  48. which we were trying to measure.  Of course, now that it's varying, we
  49. can measure it easily.
  50.  
  51. How to make the permeability of that magnetic material gate on and off?
  52. Since permeability is in general a nonlinear function of total field,
  53. you can do this with bias.  Consider a toroidal magnetic core (iron or
  54. ferrite) with two coils wound on it.  One coil is for bias, the other
  55. for sensing.  Put a large gated signal into the bias winding.  Here
  56. large means large enough so that the nonlinear properties of the magnetic 
  57. material come into play.  When the bias signal is off, the core has a 
  58. high permeability.  When the bias signal is on, the core has a lower
  59. permeability.  Now observe the sense winding.  On it, we will see two
  60. signals.  One is the bias signal obviously, and we need to filter that
  61. out.  The bias frequency is chosen to be high enough that we can easily
  62. lowpass filter the sense output to eliminate the bias.  The second 
  63. component in the sense winding will be caused by some of the earth's
  64. magnetic field being alternately pulled into the core (by the permeability
  65. of the core material), and displaced (when the permeability drops).
  66. This signal is then rectified, and measured.
  67.  
  68. This is usually done using two (or three) cores, oriented at right angles,
  69. so that the resulting signals are the components of the field in the
  70. corresponding directions.
  71.  
  72. In a practical implementation, the bias might be something like a 100 kHz
  73. sine wave, which is gated on/off at a rate of a few per second.  Bias level
  74. would be many ampere-turns, so to put the core well into saturation when
  75. bias is on.
  76.  
  77. Accuracy is limited by your ability to wind a very uniform (symmetrical)
  78. sense coil, and other such non-ideal characteristics of the implementation.
  79.  
  80. There is a NASA patent.  I had a copy once, but no longer have it handy.
  81. Check your favorite patent database, and search on "flux-gate".
  82.  
  83.  
  84.