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，隨著經(jīng)濟社會的發(fā)展，機動車輛數(shù)量持續(xù)快速增加，堵車現(xiàn)象已經(jīng)成為司空見慣的事情[1-4]，為了緩解這方面壓力，實施有效的交通管理監(jiān)控，多數(shù)單位的大門口都安裝了車輛探測器。但是在車輛探測器實際探測時，當(dāng)個別車輛經(jīng)過時，由于車輛距離探測器較遠(yuǎn)，出現(xiàn)探測器無反應(yīng)的情況，這時，車輛必須往后倒退，然后前進，當(dāng)車輛重新靠近探測器時，才有可能識別。個別駕駛員不能理解，為什么要這樣？到底是怎么回事？實際上，這是由于不懂車輛探測器的原理造成的。地球磁場在幾公里范圍內(nèi)可視為均勻分布，當(dāng)較大的鐵磁物質(zhì)如車輛穿過時會對周圍磁場產(chǎn)生擾動，探測器便可根據(jù)此擾動探測車輛的運動狀態(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驗室模擬車輛的進出管理，普及車輛進出管理的知識。

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。沉積時外加磁場，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電阻Rmax最大，電流與磁化方向垂直時電阻Rmin最小，電流與磁化方向成θ角時，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輸出的影響，由4個相同的磁阻元件構(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°。理論分析與實踐表明，采用45°偏置磁場，當(dāng)沿與易磁化軸垂直的方向施加外磁場，且外磁場強度不太大時，電橋輸出與外加磁場強度成線性關(guān)系。無外加磁場或外加磁場方向與易磁化軸方向平行時，磁化方向即易磁化軸方向，電橋的4個橋臂電阻阻值相同，輸出為零。當(dāng)在磁敏感方向施加如圖1所示方向的磁場時，合成磁化方向?qū)⒃谝状呕较虻幕A(chǔ)上逆時針旋轉(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。通過對電橋的分析可知，此時輸出電壓可表示為：

U=Vb×△R/R。

式中Vb為電橋工作電壓，R為橋臂電阻，△R/R為磁阻阻值的相對變化率，與外加磁場強度成正比，故AMR磁阻傳感器輸出電壓與磁場強度成正比，可利用磁阻傳感器輸出電壓的變化來探測電流表的運動狀態(tài)，從而完成車輛進出的實驗室模擬。

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輸出端外，還有復(fù)位/反向置位端和補償端兩對功能性輸入端口，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測量儀、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 連接實驗儀與電源，開機預(yù)熱20 min。

3.2 將磁阻傳感器位置調(diào)至亥姆霍茲線圈中心，傳感器磁敏感方向與亥姆霍茲線圈軸線一致。

3.3 將K1、K2同時通電，調(diào)節(jié)亥姆霍茲線圈電流為零，按復(fù)位鍵，調(diào)節(jié)補償電流，使傳感器輸出為零。調(diào)節(jié)亥姆霍茲線圈電流至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，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。

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，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。

3.6 將電流表沿與磁敏感方向垂直、與磁敏感方向在一個水平面內(nèi)的y軸正方向移動，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。

3.7 將電流表沿與磁敏感方向垂直、與磁敏感方向在一個水平面內(nèi)y軸負(fù)方向移動，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。

3.8 將電流表沿與x軸、y軸垂直的方向z軸正方向移動，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。

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，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。

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軸正方向移動的實驗數(shù)據(jù)，見表1。

表1 電流表沿x軸正向移動的實驗數(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)方向移動的實驗數(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)方向移動的實驗數(shù)據(jù)作圖3(b)。

圖3(a) 電流表沿x軸正向移動的曲線

圖3(b) 電流表沿x軸負(fù)向移動的曲線

從圖3(a)中可以看出，當(dāng)電流表沿傳感器的x軸正方向移動時，如果電流表與傳感器之間距離d較大(d>80 cm)，小車的存在對傳感器輸出影響不大。當(dāng)電流表靠近傳感器(d<80 cm)時，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，在無電流表干擾時的輸出值基礎(chǔ)上減小0.15 V；隨后快速增大，在位移約為-20 cm處增大到無電流干擾時的輸出水平后繼續(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時恢復(fù)到無小車干擾時的輸出水平。

從圖3(b)中可以看出，當(dāng)電流表沿x軸負(fù)方向移動，如果電流表與傳感器之間距離d較大(d>80 cm)，電流表的存在對傳感器輸出影響不大。當(dāng)電流表移動逐漸靠近傳感器時，傳感器輸出先是減小，在位移約為30 cm處達(dá)到最小值，在無電流表干擾時的輸出值基礎(chǔ)上減小0.15 V；隨后快速增大，在位移約為15 cm處增大到無電流干擾時的輸出水平后繼續(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時恢復(fù)到無小車干擾時的輸出水平。

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)方向移動時，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)，電流表的存在對傳感器輸出有影響。否則，電流表的存在對傳感器輸出無影響。

4.2 電流表沿與磁敏感方向垂直、與磁敏感方向在一個水平面內(nèi)的y軸正方向移動的實驗數(shù)據(jù)，見表2。

表2 電流表沿y軸正向的實驗數(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)向的實驗數(shù)據(jù)作圖4(b)。

圖4(a) 電流表沿y軸正向移動的曲線

圖4(b) 電流表沿y軸負(fù)向移動的曲線

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水平面內(nèi)的y軸正方向移動時，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，傳感器輸出變化明顯。當(dāng)電流表移動逐漸靠近傳感器時，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，在無電流表干擾時的輸出值基礎(chǔ)上增大0.41 V；隨后快速減小，并在距離d約為60 cm時恢復(fù)到無小車干擾時的輸出水平。

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

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水平面內(nèi)的y軸正、負(fù)方向移動時，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)，電流表的存在對傳感器輸出有影響。否則，電流表的存在對傳感器輸出無影響。

4.3 電流表沿與x軸、y軸垂直的方向z軸正方向移動的實驗數(shù)據(jù)，見表3。

表3 電流表沿z軸正向的實驗數(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)向的實驗數(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軸正方向移動時，如果電流表與傳感器之間距離d較大(d>40 cm)，電流表的存在對傳感器輸出影響不大。當(dāng)電流表移動逐漸靠近傳感器時，傳感器輸出增大，在距離d約為0 cm處達(dá)到最大值，在無電流表干擾時的輸出值基礎(chǔ)上增大0.15 V；隨后快速減小，并在距離d>45 cm時恢復(fù)到無小車干擾時的輸出水平。

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

圖5(a) 電流表沿z軸正向移動的曲線

圖5(b) 電流表沿z軸負(fù)向移動的曲線

結(jié)果表明，電流表沿與x軸、y軸、z軸正、負(fù)方向移動時，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，電流表的存在對傳感器輸出有影響。否則，電流表的存在對傳感器輸出無影響。

5 結(jié)論

從實驗結(jié)果可以看出，電流表沿著不同的方向通過AMR傳感器時，傳感器輸出變化規(guī)律不同。多次實驗表明，電流表從不同方向通過傳感器時均能正確識別。但是，電流表不管從哪個方向沿傳感器移動，當(dāng)距離超過一定的范圍時，傳感器都無反應(yīng)。這就要求我們在車輛進出的地方安裝傳感器時，傳感器安裝的高低是有要求的。如果車輛距離傳感器較遠(yuǎn)，車輛的存在對傳感器輸出無反應(yīng)，車輛進出就不能識別。利用各向異性磁阻傳感器、廢舊的磁電式電流表，在實驗室模擬車輛的進出管理切實可行，達(dá)到普及車輛進出管理的探測知識。