王玉清

(延安大學(xué)物理與電子信息學(xué)院，陜西延安716000)

近年來(lái)，隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，機(jī)動(dòng)車(chē)輛數(shù)量持續(xù)快速增加，堵車(chē)現(xiàn)象已經(jīng)成為司空見(jiàn)慣的事情[1-4]，為了緩解這方面壓力，實(shí)施有效的交通管理監(jiān)控，多數(shù)單位的大門(mén)口都安裝了車(chē)輛探測(cè)器。但是在車(chē)輛探測(cè)器實(shí)際探測(cè)時(shí)，當(dāng)個(gè)別車(chē)輛經(jīng)過(guò)時(shí)，由于車(chē)輛距離探測(cè)器較遠(yuǎn)，出現(xiàn)探測(cè)器無(wú)反應(yīng)的情況，這時(shí)，車(chē)輛必須往后倒退，然后前進(jìn)，當(dāng)車(chē)輛重新靠近探測(cè)器時(shí)，才有可能識(shí)別。個(gè)別駕駛員不能理解，為什么要這樣？到底是怎么回事？實(shí)際上，這是由于不懂車(chē)輛探測(cè)器的原理造成的。地球磁場(chǎng)在幾公里范圍內(nèi)可視為均勻分布，當(dāng)較大的鐵磁物質(zhì)如車(chē)輛穿過(guò)時(shí)會(huì)對(duì)周?chē)艌?chǎng)產(chǎn)生擾動(dòng)，探測(cè)器便可根據(jù)此擾動(dòng)探測(cè)車(chē)輛的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)[1-15]。這里，我們利用各向異性磁阻傳感器、廢舊的磁電式電流表在實(shí)驗(yàn)室模擬車(chē)輛的進(jìn)出管理，普及車(chē)輛進(jìn)出管理的知識(shí)。

1 模擬原理

各向異性磁阻傳感器AMR由沉積在硅片上的坡莫合金薄膜形成電阻。沉積時(shí)外加磁場(chǎng)，形成易磁化軸方向。鐵磁材料的電阻和電流與磁化方向的夾角有關(guān)，電流與磁化方向平行時(shí)電阻Rmax最大，電流與磁化方向垂直時(shí)電阻Rmin最小，電流與磁化方向成θ角時(shí)，電阻可表示為：

R=Rmin+(Rmax-Rmin)cos2θ。

在磁阻傳感器中，為了消除溫度等外界因素對(duì)輸出的影響，由4個(gè)相同的磁阻元件構(gòu)成惠斯通電橋，結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖1中，易磁化軸方向與電流方向的夾角為45°。理論分析與實(shí)踐表明，采用45°偏置磁場(chǎng)，當(dāng)沿與易磁化軸垂直的方向施加外磁場(chǎng)，且外磁場(chǎng)強(qiáng)度不太大時(shí)，電橋輸出與外加磁場(chǎng)強(qiáng)度成線(xiàn)性關(guān)系。無(wú)外加磁場(chǎng)或外加磁場(chǎng)方向與易磁化軸方向平行時(shí)，磁化方向即易磁化軸方向，電橋的4個(gè)橋臂電阻阻值相同，輸出為零。當(dāng)在磁敏感方向施加如圖1所示方向的磁場(chǎng)時(shí)，合成磁化方向?qū)⒃谝状呕较虻幕A(chǔ)上逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。結(jié)果使左上和右下橋臂電流與磁化方向夾角增大，電阻減小△R；右上與左下橋臂電流與磁化方向的夾角減小，電阻增大△R。通過(guò)對(duì)電橋的分析可知，此時(shí)輸出電壓可表示為：

U=Vb×△R/R。

式中Vb為電橋工作電壓，R為橋臂電阻，△R/R為磁阻阻值的相對(duì)變化率，與外加磁場(chǎng)強(qiáng)度成正比，故AMR磁阻傳感器輸出電壓與磁場(chǎng)強(qiáng)度成正比，可利用磁阻傳感器輸出電壓的變化來(lái)探測(cè)電流表的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，從而完成車(chē)輛進(jìn)出的實(shí)驗(yàn)室模擬。

圖1 磁阻電橋

商品磁阻傳感器已制成集成電路，除圖1所示的電源輸入端和信號(hào)輸出端外，還有復(fù)位/反向置位端和補(bǔ)償端兩對(duì)功能性輸入端口，以確保磁阻傳感器的正常工作。

2 模擬裝置

模擬裝置由四川世紀(jì)中科光電技術(shù)有限公司研制的ZKY-CC型各向異性磁阻傳感器和磁場(chǎng)測(cè)量?jī)x、廢舊的磁電式電流表組成，如圖2所示。

圖2 模擬裝置圖

3 模擬方法

3.1 連接實(shí)驗(yàn)儀與電源，開(kāi)機(jī)預(yù)熱20 min。

3.2 將磁阻傳感器位置調(diào)至亥姆霍茲線(xiàn)圈中心，傳感器磁敏感方向與亥姆霍茲線(xiàn)圈軸線(xiàn)一致。

3.3 將K1、K2同時(shí)通電，調(diào)節(jié)亥姆霍茲線(xiàn)圈電流為零，按復(fù)位鍵，調(diào)節(jié)補(bǔ)償電流，使傳感器輸出為零。調(diào)節(jié)亥姆霍茲線(xiàn)圈電流至300 mA，調(diào)節(jié)放大器校準(zhǔn)旋鈕，使輸出電壓為1.500 V。

3.4 將電流表沿與磁敏感方向平行、與磁敏感方向一致的x軸正方向移動(dòng)，記錄電流表距離磁阻傳感器的位移x及相應(yīng)輸出電壓U數(shù)據(jù)，利用數(shù)據(jù)作U-x曲線(xiàn)。

3.5 將電流表沿與磁敏感方向平行、與磁敏感方向相反的x軸負(fù)方向移動(dòng)，記錄電流表距離磁阻傳感器的位移x′及相應(yīng)輸出電壓U數(shù)據(jù)，利用數(shù)據(jù)作U-x′曲線(xiàn)。

3.6 將電流表沿與磁敏感方向垂直、與磁敏感方向在一個(gè)水平面內(nèi)的y軸正方向移動(dòng)，記錄電流表距離磁阻傳感器的位移y及相應(yīng)輸出電壓U數(shù)據(jù)，利用數(shù)據(jù)作U-y曲線(xiàn)。

3.7 將電流表沿與磁敏感方向垂直、與磁敏感方向在一個(gè)水平面內(nèi)y軸負(fù)方向移動(dòng)，記錄電流表距離磁阻傳感器的位移y′及相應(yīng)輸出電壓U數(shù)據(jù)，利用數(shù)據(jù)作U-y′曲線(xiàn)。

3.8 將電流表沿與x軸、y軸垂直的方向z軸正方向移動(dòng)，記錄電流表距離磁阻傳感器的位移z及相應(yīng)輸出電壓U數(shù)據(jù)，利用數(shù)據(jù)作U-z曲線(xiàn)。

3.9 將電流表沿與x軸、y軸垂直的方向z軸負(fù)方向移動(dòng)，記錄電流表距離磁阻傳感器的位移z′及相應(yīng)輸出電壓U數(shù)據(jù)，利用數(shù)據(jù)作U-z′曲線(xiàn)。

4 模擬數(shù)據(jù)與結(jié)果

4.1 電流表沿與磁敏感方向平行、與磁敏感方向一致的x軸正方向移動(dòng)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，見(jiàn)表1。

表1 電流表沿x軸正向移動(dòng)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

鑒于篇幅，此處及后文中電流表沿x軸負(fù)方向、y軸負(fù)方向、z軸負(fù)方向移動(dòng)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)不再另設(shè)表格列出。

利用表1數(shù)據(jù)作圖3(a)。為了與正向?qū)Ρ?，利用電流表沿x軸負(fù)方向移動(dòng)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)作圖3(b)。

圖3(a) 電流表沿x軸正向移動(dòng)的曲線(xiàn)

圖3(b) 電流表沿x軸負(fù)向移動(dòng)的曲線(xiàn)

從圖3(a)中可以看出，當(dāng)電流表沿傳感器的x軸正方向移動(dòng)時(shí)，如果電流表與傳感器之間距離d較大(d>80 cm)，小車(chē)的存在對(duì)傳感器輸出影響不大。當(dāng)電流表靠近傳感器(d<80 cm)時(shí)，傳感器輸出變化明顯。傳感器輸出先是減小，在位移約為-30 cm處達(dá)到最小值，在無(wú)電流表干擾時(shí)的輸出值基礎(chǔ)上減小0.15 V；隨后快速增大，在位移約為-20 cm處增大到無(wú)電流干擾時(shí)的輸出水平后繼續(xù)增大，一直增大到在位移約0 cm處達(dá)到最大值，此后又減小，并在距離d>80 cm時(shí)恢復(fù)到無(wú)小車(chē)干擾時(shí)的輸出水平。

從圖3(b)中可以看出，當(dāng)電流表沿x軸負(fù)方向移動(dòng)，如果電流表與傳感器之間距離d較大(d>80 cm)，電流表的存在對(duì)傳感器輸出影響不大。當(dāng)電流表移動(dòng)逐漸靠近傳感器時(shí)，傳感器輸出先是減小，在位移約為30 cm處達(dá)到最小值，在無(wú)電流表干擾時(shí)的輸出值基礎(chǔ)上減小0.15 V；隨后快速增大，在位移約為15 cm處增大到無(wú)電流干擾時(shí)的輸出水平后繼續(xù)增大，一直增大到在位移約0 cm處達(dá)到最大值，此后又減小，并在距離d>80 cm時(shí)恢復(fù)到無(wú)小車(chē)干擾時(shí)的輸出水平。

結(jié)果表明，電流表沿與磁敏感方向平行、與磁敏感方向一致的x軸正、負(fù)方向移動(dòng)時(shí)，傳感器的輸出變化規(guī)律不同。電流表只在距離傳感器距離d<80 cm內(nèi)，電流表的存在對(duì)傳感器輸出有影響。否則，電流表的存在對(duì)傳感器輸出無(wú)影響。

4.2 電流表沿與磁敏感方向垂直、與磁敏感方向在一個(gè)水平面內(nèi)的y軸正方向移動(dòng)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，見(jiàn)表2。

表2 電流表沿y軸正向的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

利用表2數(shù)據(jù)作圖4(a)。利用電流表沿y軸負(fù)向的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)作圖4(b)。

圖4(a) 電流表沿y軸正向移動(dòng)的曲線(xiàn)

圖4(b) 電流表沿y軸負(fù)向移動(dòng)的曲線(xiàn)

從圖4(a)中可以看出，電流表沿與磁敏感方向垂直、與磁敏感方向在一個(gè)水平面內(nèi)的y軸正方向移動(dòng)時(shí)，如果電流表與傳感器之間距離d較大(d>35 cm)，電流表的存在對(duì)傳感器輸出影響不大。當(dāng)電流表靠近傳感器，距離d<35 cm時(shí)，傳感器輸出變化明顯。當(dāng)電流表移動(dòng)逐漸靠近傳感器時(shí)，傳感器y輸出先是增大，在距離d約為10 cm處達(dá)到最大值，在無(wú)電流表干擾時(shí)的輸出值基礎(chǔ)上增大0.41 V；隨后快速減小，并在距離d約為60 cm時(shí)恢復(fù)到無(wú)小車(chē)干擾時(shí)的輸出水平。

從圖4(b)中可以看出，當(dāng)電流表沿y軸負(fù)方向移動(dòng)，如果電流表與傳感器之間距離d較大(d>35 cm)，電流表的存在對(duì)傳感器輸出影響不大。當(dāng)電流表移動(dòng)逐漸靠近傳感器時(shí)，傳感器輸出先是減小，在距離d約為10 cm處達(dá)到最小值，在無(wú)電流表干擾時(shí)的輸出值基礎(chǔ)上減小0.41 V；隨后快速增大，在距離d約為35 cm時(shí)恢復(fù)到無(wú)小車(chē)干擾時(shí)的輸出水平。

結(jié)果表明，電流表沿與磁敏感方向垂直、與磁敏感方向在一個(gè)水平面內(nèi)的y軸正、負(fù)方向移動(dòng)時(shí)，傳感器的輸出變化規(guī)律不同，電流表只在距離傳感器d<35 cm內(nèi)，電流表的存在對(duì)傳感器輸出有影響。否則，電流表的存在對(duì)傳感器輸出無(wú)影響。

4.3 電流表沿與x軸、y軸垂直的方向z軸正方向移動(dòng)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，見(jiàn)表3。

表3 電流表沿z軸正向的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

利用表3數(shù)據(jù)作圖5(a)。利用電流表沿z軸負(fù)向的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)作圖5(b)。

從圖5(a)中可以看出，電流表沿與x軸、y軸垂直的方向z軸正方向移動(dòng)時(shí)，如果電流表與傳感器之間距離d較大(d>40 cm)，電流表的存在對(duì)傳感器輸出影響不大。當(dāng)電流表移動(dòng)逐漸靠近傳感器時(shí)，傳感器輸出增大，在距離d約為0 cm處達(dá)到最大值，在無(wú)電流表干擾時(shí)的輸出值基礎(chǔ)上增大0.15 V；隨后快速減小，并在距離d>45 cm時(shí)恢復(fù)到無(wú)小車(chē)干擾時(shí)的輸出水平。

從圖5(b)中可以看出，當(dāng)電流表沿z軸負(fù)方向移動(dòng)，如果電流表與傳感器之間距離d較大(d>40 cm)，電流表的存在對(duì)傳感器輸出影響不大。當(dāng)電流表移動(dòng)逐漸靠近傳感器時(shí)，傳感器輸出減小，在位移約為0 cm處達(dá)到最小值，在無(wú)電流表干擾時(shí)的輸出值基礎(chǔ)上減小0.15 V；隨后快速增大，在距離d約為40 cm時(shí)恢復(fù)到無(wú)小車(chē)干擾時(shí)的輸出水平。

圖5(a) 電流表沿z軸正向移動(dòng)的曲線(xiàn)

圖5(b) 電流表沿z軸負(fù)向移動(dòng)的曲線(xiàn)

結(jié)果表明，電流表沿與x軸、y軸、z軸正、負(fù)方向移動(dòng)時(shí)，傳感器的輸出變化規(guī)律不同，電流表只在距離傳感器一定范圍內(nèi)時(shí)，電流表的存在對(duì)傳感器輸出有影響。否則，電流表的存在對(duì)傳感器輸出無(wú)影響。

5 結(jié)論

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，電流表沿著不同的方向通過(guò)AMR傳感器時(shí)，傳感器輸出變化規(guī)律不同。多次實(shí)驗(yàn)表明，電流表從不同方向通過(guò)傳感器時(shí)均能正確識(shí)別。但是，電流表不管從哪個(gè)方向沿傳感器移動(dòng)，當(dāng)距離超過(guò)一定的范圍時(shí)，傳感器都無(wú)反應(yīng)。這就要求我們?cè)谲?chē)輛進(jìn)出的地方安裝傳感器時(shí)，傳感器安裝的高低是有要求的。如果車(chē)輛距離傳感器較遠(yuǎn)，車(chē)輛的存在對(duì)傳感器輸出無(wú)反應(yīng)，車(chē)輛進(jìn)出就不能識(shí)別。利用各向異性磁阻傳感器、廢舊的磁電式電流表，在實(shí)驗(yàn)室模擬車(chē)輛的進(jìn)出管理切實(shí)可行，達(dá)到普及車(chē)輛進(jìn)出管理的探測(cè)知識(shí)。