【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 器件已經(jīng)做成磁敏二極管、磁敏三極管和磁敏MOSFET管等多種器件形式。電磁復(fù)合效應(yīng)法主要用于弱磁場(chǎng)的測(cè)量, 是因?yàn)槠渚€性特性好、靈敏度高( 甚至比霍爾器件還靈敏)。在實(shí)際選擇傳感器是主要考慮的是以下幾點(diǎn)：傳感器的類型、靈敏度、頻率響應(yīng)特性、線性范圍、精度、穩(wěn)定性等方面。以上各種磁場(chǎng)測(cè)量方法所依據(jù)的原理各不相同，其靈敏度和檢測(cè)范圍相差很大，響應(yīng)頻率、尺寸、價(jià)格、功耗以及實(shí)現(xiàn)的難易程度等也都不盡相同。現(xiàn)在市場(chǎng)上比較容易購買到的可選傳感器有電磁感應(yīng)線圈、磁敏電阻、霍爾傳感器、磁敏二極管、磁敏三極管、GMR巨磁磁阻[6]等等。我們需要選擇適合電磁車的檢測(cè)方法，首先要考慮靈敏度、檢測(cè)范圍和響應(yīng)頻率。在上式中，取I=，r=，則B=2107T=21011Gs。也就是說，在賽道導(dǎo)引線附近的磁場(chǎng)強(qiáng)度是1011Gs的數(shù)量級(jí)。不同傳感器的檢測(cè)范圍[6]如圖25示：圖25 各種傳感器的檢測(cè)范圍圖一般霍爾元件的檢測(cè)范圍在1mT以上，即10G以上，可以想象到如果我們比賽時(shí)選用霍爾元件需要貼著地面進(jìn)行檢測(cè)，而且精度大大受到限制。磁阻傳感器如Honeywell的高靈敏度磁阻HMC1001，分辨率可達(dá)27微高斯，還可以使用多軸的磁阻傳感器檢測(cè)不同方向的磁場(chǎng)。普通的電感線圈測(cè)量范圍廣，理論上只要加上合適的諧振電容和放大電路，不但能夠篩選出特定頻段進(jìn)行放大，而且有較強(qiáng)的抗干擾能力。我們需要選擇適合車模競(jìng)賽的檢測(cè)方法，除了檢測(cè)磁場(chǎng)的精度之外，還需要對(duì)于檢測(cè)磁場(chǎng)的傳感器的頻率響應(yīng)、尺寸、價(jià)格、功耗以及實(shí)現(xiàn)的難易程度進(jìn)行考慮。由于霍爾元件和磁阻傳感器的檢測(cè)精度比較低，價(jià)格比較高。由上面可以看出4三種方案不適合用來測(cè)量這種強(qiáng)度的磁場(chǎng)，因?yàn)榕艿乐車拇艌?chǎng)大小太弱，而這幾種檢測(cè)方法檢測(cè)到的磁場(chǎng)范圍又太小。同時(shí)考慮到傳感器的實(shí)用性和經(jīng)濟(jì)型，最終選擇感應(yīng)線圈傳感器。同時(shí)我們都知道當(dāng)流經(jīng)導(dǎo)線的電流變化時(shí)，導(dǎo)線周圍的磁場(chǎng)也隨之發(fā)生變化。在導(dǎo)線的附近放一個(gè)線圈，有磁場(chǎng)穿過線圈。記線圈的磁通量為Φ。電流變化所用的時(shí)間十分短。在時(shí)間內(nèi)，磁通量也發(fā)生變化，記變化量為。由法拉第電磁感應(yīng)定律公式： （27） 可知，當(dāng)磁場(chǎng)變化時(shí)，在導(dǎo)線附近的線圈中有較大的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生。因此采用電磁感應(yīng)法探測(cè)磁場(chǎng)來實(shí)現(xiàn)路徑識(shí)別是完全可以的。因而我們選取最為傳統(tǒng)的電磁感應(yīng)線圈，它具有原理簡(jiǎn)單、價(jià)格便宜、體積小、頻率響應(yīng)快、電路實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。感應(yīng)線圈可以自行繞制，也可以采用市面上的工字電感。這類電感體積小，Q值高，具有開放的磁芯，頻率相應(yīng)快，實(shí)現(xiàn)電路簡(jiǎn)單。使用電感線圈可以對(duì)其周圍的交變磁場(chǎng)感應(yīng)出響應(yīng)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，比賽選擇20kHZ的交變磁場(chǎng)作為路徑導(dǎo)航信號(hào)，在頻譜上可以有效避開周圍其它磁場(chǎng)的干擾，信號(hào)放大器可以使用LC串并聯(lián)電路進(jìn)行選頻。檢測(cè)線圈可以自行繞制，也可以使用市場(chǎng)上能夠比較方便購買的工字型10mH的電感。如下圖26所示。圖26 各種10mh工字型電感實(shí)物圖這類電感體積小，Q值高，具有開放的磁芯，可以感應(yīng)周圍交變的磁場(chǎng)。如下圖27所示：圖27 工字型電感工作原理圖使用電感線圈可以對(duì)其周圍的交變磁場(chǎng)感應(yīng)出響應(yīng)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。這個(gè)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)信號(hào)具有以下特點(diǎn)： （1） 信號(hào)弱：感應(yīng)電壓只有幾十個(gè)毫伏。在檢測(cè)幅值之前必須進(jìn)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(chǎng)。典型環(huán)境下磁場(chǎng)強(qiáng)度范圍[7]如下表21所示： 表21 典型環(huán)境下磁場(chǎng)強(qiáng)度范圍表比賽選擇 20kHz 的交變磁場(chǎng)作為路徑導(dǎo)航信號(hào)，在頻譜上可以有效地避開周圍其它磁場(chǎng)的干擾，因此信號(hào)放大需要進(jìn)行選頻放大，使得 20kHz 的信號(hào)能夠有效的放大，并且去除其它干擾信號(hào)的影響。可以使用 LC串并聯(lián)來實(shí)現(xiàn)選頻電路（帶通電路） ，如下圖28所示：圖28 RLC并聯(lián)諧振電路圖上述電路中，E是感應(yīng)線圈中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，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(dòng)勢(shì)的頻率 f0 =20kHz，感應(yīng)線圈電感為 L=10 mH,可以計(jì)算出諧振電容的容量為： 通常在市場(chǎng)上可以購買到的標(biāo)稱電容與上述容值最為接近的電容為 ，所以在實(shí)際電路中我們選用 。為了驗(yàn)證 RLC選頻電路的效果，我們對(duì)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(dǎo)線中通有 20kHz 左右，100mA 左右方波電流，在距離導(dǎo)線50mm的上方放置垂直于導(dǎo)線的10mH電感，使用示波器測(cè)量輸出電壓波形。如下圖29所示。圖29 示波器輸出諧振波形圖從上面結(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)的20KHz電壓信號(hào)不僅幅度增加了，而且其它干擾信號(hào)也變的非常小。這樣無論導(dǎo)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(hào)之外的高次諧波均被濾波除掉，只有基波20kHz信號(hào)能夠發(fā)生諧振，輸出總是20KHz正弦波。為了能夠更加準(zhǔn)確測(cè)量感應(yīng)電容式的電壓，還需要將上述感應(yīng)電壓進(jìn)一步放大，一般情況下將電壓峰峰值放大到 15V 左右，就可以進(jìn)行幅度檢測(cè)，所以需要放大電路具有100倍左右的電壓增益（40db）。最簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)可以只是用一階共射三極管放大電路就可以滿足要求。 路徑探測(cè)模塊的信號(hào)流經(jīng)四個(gè)部分。線圈感應(yīng)變化的磁場(chǎng)得到電磁感應(yīng)信號(hào)；放大電路對(duì)電磁感應(yīng)信號(hào)進(jìn)行放大；放大后的信號(hào)經(jīng)過濾波后，變?yōu)榻频闹绷餍盘?hào)；最后，比較電路將信號(hào)進(jìn)行二值化。路徑探測(cè)模塊共有7路這樣的信號(hào)通道。圖210 路徑探測(cè)模塊的信號(hào)流程框圖實(shí)際的檢測(cè)模塊電路，如下圖211示：圖211 倍壓檢波電路圖如圖211示，電感線圈上檢測(cè)到的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，經(jīng)過諧振放大后，非20KHZ的波形將被濾除，而有用信號(hào)波形將被放大，此時(shí)輸出地是幅值比較小的正弦波。該正弦波經(jīng)過三極管后將被放大，三極管的放大倍數(shù)大概是80100倍。然后通過兩個(gè)檢波二極管，將正弦波變成直流信號(hào)，然后便可以將此直流信號(hào)直接輸入到單片機(jī)的AD口了。 本章小結(jié)本章主要介紹了，電磁組智能車的循跡原理所依據(jù)的理論知識(shí)，選擇傳感器的依據(jù)，以及如何選擇合適的傳感器來檢測(cè)交變的磁場(chǎng)，如何設(shè)計(jì)傳感器的檢測(cè)電路等，并對(duì)這些問題提出了自己的解決思路。關(guān)于智能車的循跡原理，這是本論文乃至本次比賽的核心原理。對(duì)于傳感器的選擇，我介紹了我們?cè)谶x擇過程中是如何進(jìn)行挑選的，主要是從磁場(chǎng)的強(qiáng)度和靈敏度上。這一部分主要存在的問題是，對(duì)于傳感器的選擇只是從理論上分析了其他傳感器組件的可行性，并沒有實(shí)際測(cè)試比較，沒有真正的實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)來支持我們的選擇，在以后可能會(huì)就這一問題做一些測(cè)試。關(guān)于檢測(cè)模塊我們一直使用的是數(shù)字量，這對(duì)檢測(cè)電路的精度要求比較低，但同時(shí)也減少了采集到的路徑信息。以后可以多試試是使用模擬量，這就需要重新設(shè)計(jì)檢測(cè)電路了。第三章 典型賽道元素周圍磁場(chǎng)分布的分析電流在其周圍空間產(chǎn)生的磁場(chǎng)同電荷周圍空間的電場(chǎng)一樣是一種客觀存在的物質(zhì)，反映這磁場(chǎng)存在的最基本特征是處于該磁場(chǎng)中的電流將受到磁場(chǎng)的作用力。在物理學(xué)中專門定義了一個(gè)反映磁場(chǎng)本身特性的一個(gè)物理量——B，它稱為磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度[7]。本身我們?cè)诒荣愔袀鞲衅鳈z測(cè)到的是感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，但是在實(shí)際計(jì)算中，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小要根據(jù)所使用線圈的匝數(shù)、大小、材料[8]等一系列參數(shù)才能確定，這樣算出來的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)根本不具有參考價(jià)值。故在本課題的研究中將直接使用磁感應(yīng)強(qiáng)度來代替感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，這樣算出來的結(jié)果將更具有參考價(jià)值。因?yàn)榇艌?chǎng)是矢量，整個(gè)空間的電流都將對(duì)空間中任意點(diǎn)的磁場(chǎng)產(chǎn)生影響，但是考慮實(shí)際分析的可操作性，故而將近考慮改點(diǎn)周圍的電流對(duì)該處磁場(chǎng)的影響，那么究竟選取多大范圍內(nèi)的電流呢？下面將做說明。假設(shè)取一段直導(dǎo)線，考慮該導(dǎo)線中電流在其前方15cm處的磁感應(yīng)強(qiáng)度是多少，假設(shè)該段導(dǎo)線是無限長(zhǎng)的，計(jì)算過程如下：B===（cos1cos2） （31）=（）=（T）所以，假如r取15cm這樣算出來的結(jié)果已經(jīng)非常小了，也就是說導(dǎo)線對(duì)15cm外的空間磁場(chǎng)的影響基本可以忽略不計(jì)，本設(shè)計(jì)中也是按照這個(gè)原則進(jìn)行的。 直導(dǎo)線周圍的磁場(chǎng)分布直導(dǎo)線周圍磁場(chǎng)的分布類似于上面的介紹，這里不做多余說明。因?qū)Ь€左右兩側(cè)是完全對(duì)稱的所以僅取其一側(cè)進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算的結(jié)果如下表31：表31 直導(dǎo)線周圍的磁場(chǎng)強(qiáng)度大小表B r cm 12345678910111213磁感應(yīng)強(qiáng)度大小（單位T） 深S附近磁場(chǎng)的分布對(duì)于彎道附近的磁場(chǎng)，計(jì)算起來就比較復(fù)雜了。因?yàn)?，使用積分只能計(jì)算出規(guī)則導(dǎo)線周圍的磁場(chǎng)而對(duì)于不規(guī)則的只能使用近似的方法，將不規(guī)則的導(dǎo)線近似成規(guī)則的。載流導(dǎo)線中的電流為I，導(dǎo)線半徑比到觀察點(diǎn)P的距離小得多，即為線電流[8]。在線電流上取長(zhǎng)為dl的定向線元，規(guī)定的方向與電流的方向相同。 圖31 不規(guī)則路徑近似成規(guī)則的在計(jì)算時(shí)取彎道上20cm長(zhǎng)的一段距離，計(jì)算方法如下：（1）分析磁場(chǎng) B 的對(duì)稱性，建立適當(dāng)?shù)淖鴺?biāo)系。 （2）劃分電流元，寫出任一電流元在空間某點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度dB的表達(dá)式。（3）將dB沿所建立的坐標(biāo)系分解，寫出其對(duì)應(yīng)的分量式。（4）按 ，求出 B 的各坐標(biāo)的分量，最后得到[8] 在本例中將S型彎道近似成如下圖示的圓形，然后取圓形上的一段進(jìn)行計(jì)算。圖32 彎道近似成的規(guī)則圓形計(jì)算公式如下： （32）不過在計(jì)算中，只能去大約20cm的一段弧，不能對(duì)整個(gè)圓積分。計(jì)算結(jié)果如下表32示：表32 彎道內(nèi)側(cè)磁場(chǎng)強(qiáng)度大小表B r cm 12345678910111213磁感應(yīng)強(qiáng)度大?。▎挝籘）906034142表33 彎道外側(cè)磁場(chǎng)強(qiáng)度大小表B r cm 12345678910111213磁感應(yīng)強(qiáng)度大?。▎挝籘） 十字路口處磁場(chǎng)的分布對(duì)于十字路口的磁場(chǎng)分布計(jì)算起來，相比較而言可能比彎道處簡(jiǎn)單些，因?yàn)槭致房诳梢越瞥蓛蓚€(gè)直道的交叉[9]。但是計(jì)算起來還是很費(fèi)事的。實(shí)際計(jì)算時(shí)可以將兩條直道分開計(jì)算，然后在按照矢量疊加原理進(jìn)行疊加，計(jì)算結(jié)果如下：表34 十字路口處磁場(chǎng)強(qiáng)度大小表B r cm 12345678910111213磁感應(yīng)強(qiáng)度大小（單位T）3通過上面的一系列數(shù)據(jù)可以得出一下幾點(diǎn)結(jié)論：直道兩側(cè)磁場(chǎng)分布是完全對(duì)稱的，而且磁場(chǎng)的衰減是非常均勻非常單調(diào)的，很適合用來引導(dǎo)車子前進(jìn)，也比較容易檢測(cè)；在彎道處，內(nèi)側(cè)的磁場(chǎng)明顯要大于外側(cè)的，而且內(nèi)側(cè)磁場(chǎng)在距離導(dǎo)線較近處衰減比較小，而一旦距離導(dǎo)線超過5cm時(shí)衰減就逐漸增大了；而外側(cè)的磁場(chǎng)則一直都比較小，衰減也比較快，內(nèi)外之間的差距還是比較大的；在十字路口處，可以看到的是十字路口處的磁場(chǎng)變化趨勢(shì)與彎道內(nèi)側(cè)的磁場(chǎng)變化趨勢(shì)基本上是一致的，這樣就很容易把十字路口當(dāng)成彎道來處理；其次就是十字路口兩側(cè)的磁場(chǎng)分布是比較均勻的，大小也一致，但是彎道內(nèi)外兩側(cè)磁場(chǎng)的分布則相差較大；綜合考慮上面的數(shù)據(jù)可以看出，磁場(chǎng)在導(dǎo)線附近時(shí)衰減較慢，比較適合用來引導(dǎo)車子，而距