飛思卡爾電磁傳感器

1、“飛周犬?。呵鷮W"學生智能汽車邀請春設(shè)計報告學校：天津職業(yè)技術(shù)師范大學制作人：自動化工程學院電氣0714連劉雷引言這份技術(shù)報告中，我通過自己對這個比賽了解的傳感器方面，詳盡的闡述了傳感器制作的原理和制作方法。具體表現(xiàn)在電路的可行性和實驗的驗證結(jié)果。目錄弓I言2目錄2第一章、電磁傳感器設(shè)計思路及實現(xiàn)方案簡介31.1 方案設(shè)計思路31.2 磁場檢測方法5第二章、電路設(shè)計原理7感應(yīng)磁場線圈7信號選頻放大8參考文獻.10第一章、電磁傳感器設(shè)計思路及實現(xiàn)方案簡介1.1方案設(shè)計思路根據(jù)麥克斯韋電磁場理論，交變電流會在周圍產(chǎn)生交變的電磁場。智能汽車競賽使用路徑導航的交流電流頻率為20kHz,產(chǎn)生的

2、電磁波屬于甚低頻（VLF）電磁波。甚低頻頻率范圍處于工頻和低頻電磁破中間，為3kHz30kHz,波長為100km10km。如下圖所示：圖1.1、電流周圍的電磁場示意圖導線周圍的電場和磁場，按照一定規(guī)律分布。通過檢測相應(yīng)的電磁場的強度和方向可以反過來獲得距離導線的空間位置，這正是我們進行電磁導航的目的。由于賽道導航電線和小車尺寸l遠遠小于電磁波的波長入，電磁場輻射能量很?。ㄈ绻炀€的長度l遠小于電磁波長，在施加交變電壓后，電磁波輻射功率正比于天線長度的四次方），所以能夠感應(yīng)到電磁波的能量非常小。為此，我們將導線周圍變化的磁場近似緩變的磁場，按照檢測靜態(tài)磁場的方法獲取導線周圍的磁場分布，從而進行位

3、置檢測。由畢奧-薩伐爾定律知：通有穩(wěn)恒電流I長度為L的直導線周圍會產(chǎn)生磁場，距離導線距離為r處P點的磁感應(yīng)強度為：對于無限長直電流來說，上式中,則有B=圖3:無限長導線周圍的磁場強度在上面示意圖中，感應(yīng)磁場的分布是以導線為軸的一系列的同心圓。圓上的磁場強度大小相同，并隨著距離導線的半徑r增加成反比下降。1.2磁場檢測方法人類對于磁場的認識和檢測起源很早，我國古代人民很早就通過天然磁鐵來感知地球磁場的方向，從而發(fā)明了指南針。但是對于磁場定量精確的測量以及更多測量方法的發(fā)現(xiàn)還是在二十世紀初期才得到了突飛猛進的進展?，F(xiàn)在我們有很多測量磁場的方法，磁場傳感器利用了物質(zhì)與磁場之間的各種物理效應(yīng)：磁電效應(yīng)

4、(電磁感應(yīng)、霍爾效應(yīng)、磁滯電阻效應(yīng))、磁機械效應(yīng)、磁光效應(yīng)、核磁共振、超導體與電子自旋量子力學效應(yīng)。下面列出了一些測量原理以及相應(yīng)的傳感器：(1)電磁感應(yīng)磁場測量方法：電磁線磁場傳感器，磁通門磁場傳感器，磁阻抗磁場傳感器。(2)霍爾效應(yīng)磁場測量方法：半導體霍爾傳感器、磁敏二極管，磁敏三極(3)各向異性電阻效應(yīng)(AMR)磁場測量方法。(4)載流子自旋相互作用磁場測量方法：自旋閥巨磁效應(yīng)磁敏電阻、自旋閥三極管磁場傳感器、隧道磁滯電阻效應(yīng)磁敏電阻。(5)超導量子干涉(SQUID)磁場測量方法：SQUID薄膜磁敏元件。(6)光泵磁場測量方法：光泵磁場傳感器。(7)質(zhì)子磁進動磁場測量方法。(8)光導纖維

5、磁場測量方法。以上各種磁場測量方法所依據(jù)的原理各不相同，測量的磁場精度和范圍相差也很大，10-11-107G。我們需要選擇適合車模競賽的檢測方法，除了檢測磁場的精度之外，還需要對于檢測磁場的傳感器的頻率響應(yīng)、尺寸、價格、功耗以及實現(xiàn)的難易程度進行考慮。在下面所介紹的檢測方法中，我們選取最為傳統(tǒng)的電磁感應(yīng)線圈的方案。它具有原理簡單、價格便宜、體積小(相對小)、頻率響應(yīng)快、電路實現(xiàn)簡單等特點，適應(yīng)于初學者快速實現(xiàn)路經(jīng)檢測的方案。通電導線周圍的磁場是一個矢量場，場的分布如圖四所示。如果在通電直導線兩邊的周圍豎直放置兩個軸線相互垂直并位于與導線相垂直平面內(nèi)的線圈，則可以感應(yīng)磁場向量的兩個垂直分量，進而

6、可以獲得磁場的強度和方向。圖4:圖4:導線周圍的感應(yīng)電磁場導線中的電流按一定規(guī)律變化時，導線周圍的磁場也將發(fā)生變化，則線圈中將感應(yīng)出一定的電動勢。根據(jù)法拉第定律，線圈磁場傳感器的內(nèi)部感應(yīng)電壓E與磁場Wt)、電磁線圈的圈數(shù)N、截面積A的關(guān)系有：E=(2川詈感應(yīng)電動勢的方向可以用楞次定律來確定。由于本設(shè)計中導線中通過的電流頻率較低，為20kHz,且線圈較小，令線圈中心到導線的距離為r,認為小范圍內(nèi)磁場分布是均勻的。再根據(jù)圖3所示的導線周圍磁場分布規(guī)律，則線圈中感應(yīng)電動勢可近似為：麗kdlK-二二一dtrdtr即線圈中感應(yīng)電動勢的大小正比于電流的變化率，反比于線圈中心到導線的距離。其中常量K為與線圈

7、擺放方法、線圈面積和一些物理常量有關(guān)的一個量，具體的感應(yīng)電動勢常量須實際測定來確定。第二章、電路設(shè)計原理從上面檢測原理可以知道，測量磁場核心是檢測線圈的感應(yīng)電動勢E的幅值。下面將從感應(yīng)線圈、信號選頻放大、整流與檢測等幾個方面討論電路設(shè)計的問題，最后給出電路設(shè)計系統(tǒng)框圖和實際電路。感應(yīng)磁場線圈：檢測線圈可以自行繞制，也可以使用市場上能夠比較方便購買的工字型10mH的電感。如下圖所示。這類電感體積小,如下圖所示：圖9幾種10mH電感Q值高，具有開放的磁芯，可以感應(yīng)周圍交變的磁場。信號選頻放大:使用電感線圈可以對其周圍的交變磁場感應(yīng)出響應(yīng)感應(yīng)電動勢。這個感應(yīng)電動勢信號具有以下特點：（1）信號弱：感應(yīng)

8、電壓只有幾十個毫伏。在檢測幅值之前必須進行有效的放大，放大倍數(shù)一般要大于100倍（40db）。（2）噪聲多：一般環(huán)境下，周圍存在著不同來源、不同變化頻率的磁場。如下表所小：表1:典型的環(huán)境磁場強度范圍磁場環(huán)境磁場性質(zhì)磁場強度（高斯）家用電器周圍T范圍50Hz1QT-10T地表面地球磁場恒定0.2-0.5工業(yè)電機和電纜周圍十米范圍50Hz1-100長波通訊>30kHz1L-10T賽道中心導線周圍0.5米范圍1。7-107比賽選擇20kHz的交變磁場作為路徑導航信號，在頻譜上可以有效地避開周圍其它磁場的干擾，因此信號放大需要進行選頻放大，使得20kHz的信號能夠有效的放大，并且去除其它干擾信

9、號的影響?？梢允褂肔C串并聯(lián)電路來實現(xiàn)選頻電路（帶通電路），如下圖所示：電路示意圖圖11:RLC并聯(lián)諧振電路上述電路中，E是感應(yīng)線圈中的感應(yīng)電動勢，L是感應(yīng)線圈的電感量，R0是電感的內(nèi)阻，C是并聯(lián)諧振電容。上述電路諧振頻率為:已知感應(yīng)電動勢的頻率=20kHz,感應(yīng)線圈電感為L=10mH,可以計算出諧振電容的容量為：C=-J=6.33X10-5rF)工嗚譯J通常在市場上可以購買到的標稱電容與上述容值最為接近的電容為6.8nF,所以在實際電路中我們選用6.8nF的電容作為諧振電容。為了驗證RLC選頻電路的效果，我們對比了在有和沒有諧振電容兩種情況下的電感輸出的感應(yīng)電壓。在導線中通有20kHz左右，

10、100mA左右方波電流，在距離導線50mm的上方放置垂直于導線的10mH電感，使用示波器測量輸出電壓波形。如下圖12所示。/電；4*t應(yīng)平)程ih«5cnL2.一CtJ口匚1iGE-y£r/J5E-!iptaflk.Samp4rtHp(A)沒行諧振電容時感網(wǎng)電兒輸出(B甫諧振電容時感應(yīng)電壓輸出圖12:測量感應(yīng)線圈兩端的感應(yīng)電壓。從上面結(jié)果可以看出，增加有諧振電容之后，感應(yīng)線圈兩端輸出感應(yīng)20KHz電壓信號不僅幅度增加了，而且其它干擾信號也非常小。這樣無論導線中的電流波形是否為正弦波，由于本身增加了諧振電容，所以除了基波信號之外的高次諧波均被濾波除掉，只有基波20kHz信號能

11、夠發(fā)生諧振，輸出總是20KHz正弦波。為了能夠更加準確測量感應(yīng)電容式的電壓，還需要將上述感應(yīng)電壓進一步放大，一般情況下將電壓峰峰值放大到1-5V左右，就可以進行幅度檢測，所以需要放大電路具有100倍左右的電壓增益(40db)。最簡單的設(shè)計可以只是用一階共射三極管放大電路就可以滿足要求，如下圖所示：5lkC37104|°放大榆出門VouI*1二DI圖13:單管共射交流放大電路當然，也可以選用運算放大器進行電壓放大。但是需要選擇單電源、低噪音、動態(tài)范圍達、高速運放不太容易，所示不太推薦使用運算放大器進行信號放大。3、幅度測量測量放大后的感應(yīng)電動勢的幅值E可以有多種方法。最簡單的方法就是使用二極管檢波電路將交變的電壓信號檢波形成直流信號，然后再通過單片機的AD采集獲得正比于感應(yīng)電壓幅值的數(shù)值。如下圖所示：圖14:倍壓檢波電路上圖給出了倍壓檢波電路可以獲得正比于交流電壓信號峰峰值的直流信號。為了能夠獲得更