【文章內(nèi)容簡介】 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)法主要用于弱磁場的測量, 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。以上各種磁場測量方法所依據(jù)的原理各不相同，其靈敏度和檢測范圍相差很大，響應(yīng)頻率、尺寸、價格、功耗以及實(shí)現(xiàn)的難易程度等也都不盡相同?，F(xiàn)在市場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方法，首先要考慮靈敏度、檢測范圍和響應(yīng)頻率。在上式中，取I=，r=，則B=2107T=21011Gs。也就是說，在賽道導(dǎo)引線附近的磁場強(qiáng)度是1011Gs的數(shù)量級。不同傳感器的檢測范圍[6]如圖25示：圖25 各種傳感器的檢測范圍圖一般霍爾元件的檢測范圍在1mT以上，即10G以上，可以想象到如果我們比賽時選用霍爾元件需要貼著地面進(jìn)行檢測，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不同方向的磁場。普通的電感線圈測量范圍廣，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(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精度比較低，價格比較高。由上面可以看出4三種方案不適合用來測量這種強(qiáng)度的磁場，因?yàn)榕艿乐車拇艌龃笮√?，而這幾種檢測方法檢測到的磁場范圍又太小。同時考慮到傳感器的實(shí)用性和經(jīng)濟(jì)型，最終選擇感應(yīng)線圈傳感器。同時我們都知道當(dāng)流經(jīng)導(dǎo)線的電流變化時，導(dǎo)線周圍的磁場也隨之發(fā)生變化。在導(dǎo)線的附近放一個線圈，有磁場穿過線圈。記線圈的磁通量為Φ。電流變化所用的時間十分短。在時間內(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)磁場變化時，在導(dǎo)線附近的線圈中有較大的感應(yīng)電動勢產(chǎn)生。因此采用電磁感應(yīng)法探測磁場來實(shí)現(xiàn)路徑識別是完全可以的。因而我們選取最為傳統(tǒng)的電磁感應(yīng)線圈，它具有原理簡單、價格便宜、體積小、頻率響應(yīng)快、電路實(shí)現(xiàn)簡單等特點(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)電路簡單。使用電感線圈可以對其周圍的交變磁場感應(yīng)出響應(yīng)的感應(yīng)電動勢，比賽選擇20kHZ的交變磁場作為路徑導(dǎo)航信號，在頻譜上可以有效避開周圍其它磁場的干擾，信號放大器可以使用LC串并聯(lián)電路進(jìn)行選頻。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。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(diǎn)： （1） 信號弱：感應(yīng)電壓只有幾十個毫伏。在檢測幅值之前必須進(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。典型環(huán)境下磁場強(qiáng)度范圍[7]如下表21所示： 表21 典型環(huán)境下磁場強(qiáng)度范圍表比賽選擇 20kHz 的交變磁場作為路徑導(dǎo)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(jìn)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號的影響?？梢允褂?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 f0 =20kHz，感應(yīng)線圈電感為 L=10 mH,可以計算出諧振電容的容量為： 通常在市場上可以購買到的標(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電壓信號不僅幅度增加了，而且其它干擾信號也變的非常小。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，所以除了基波信號之外的高次諧波均被濾波除掉，只有基波20kHz信號能夠發(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，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。 路徑探測模塊的信號流經(jīng)四個部分。線圈感應(yīng)變化的磁場得到電磁感應(yīng)信號；放大電路對電磁感應(yīng)信號進(jìn)行放大；放大后的信號經(jīng)過濾波后，變?yōu)榻频闹绷餍盘?；最后，比較電路將信號進(jìn)行二值化。路徑探測模塊共有7路這樣的信號通道。圖210 路徑探測模塊的信號流程框圖實(shí)際的檢測模塊電路，如下圖211示：圖211 倍壓檢波電路圖如圖211示，電感線圈上檢測到的感應(yīng)電動勢，經(jīng)過諧振放大后，非20KHZ的波形將被濾除，而有用信號波形將被放大，此時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。然后通過兩個檢波二極管，將正弦波變成直流信號，然后便可以將此直流信號直接輸入到單片機(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，選擇傳感器的依據(jù)，以及如何選擇合適的傳感器來檢測交變的磁場，如何設(shè)計傳感器的檢測電路等，并對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。對于傳感器的選擇，我介紹了我們在選擇過程中是如何進(jìn)行挑選的，主要是從磁場的強(qiáng)度和靈敏度上。這一部分主要存在的問題是，對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，在以后可能會就這一問題做一些測試。關(guān)于檢測模塊我們一直使用的是數(shù)字量，這對檢測電路的精度要求比較低，但同時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)計檢測電路了。第三章 典型賽道元素周圍磁場分布的分析電流在其周圍空間產(chǎn)生的磁場同電荷周圍空間的電場一樣是一種客觀存在的物質(zhì)，反映這磁場存在的最基本特征是處于該磁場中的電流將受到磁場的作用力。在物理學(xué)中專門定義了一個反映磁場本身特性的一個物理量——B，它稱為磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度[7]。本身我們在比賽中傳感器檢測到的是感應(yīng)電動勢，但是在實(shí)際計算中，感應(yīng)電動勢的大小要根據(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)電動勢根本不具有參考價值。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)電動勢，這樣算出來的結(jié)果將更具有參考價值。因?yàn)榇艌鍪鞘噶?，整個空間的電流都將對空間中任意點(diǎn)的磁場產(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)周圍的電流對該處磁場的影響，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)線是無限長的，計算過程如下：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15cm外的空間磁場的影響基本可以忽略不計，本設(shè)計中也是按照這個原則進(jìn)行的。 直導(dǎo)線周圍的磁場分布直導(dǎo)線周圍磁場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)是完全對稱的所以僅取其一側(cè)進(jìn)行計算，計算的結(jié)果如下表31：表31 直導(dǎo)線周圍的磁場強(qiáng)度大小表B r cm 12345678910111213磁感應(yīng)強(qiáng)度大小（單位T） 深S附近磁場的分布對于彎道附近的磁場，計算起來就比較復(fù)雜了。因?yàn)椋褂梅e分只能計算出規(guī)則導(dǎo)線周圍的磁場而對于不規(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)則的在計算時取彎道上20cm長的一段距離，計算方法如下：（1）分析磁場 B 的對稱性，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)行計算。圖32 彎道近似成的規(guī)則圓形計算公式如下： （32）不過在計算中，只能去大約20cm的一段弧，不能對整個圓積分。計算結(jié)果如下表32示：表32 彎道內(nèi)側(cè)磁場強(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） 十字路口處磁場的分布對于十字路口的磁場分布計算起來，相比較而言可能比彎道處簡單些，因?yàn)槭致房诳梢越瞥蓛蓚€直道的交叉[9]。但是計算起來還是很費(fèi)事的。實(shí)際計算時可以將兩條直道分開計算，然后在按照矢量疊加原理進(jìn)行疊加，計算結(jié)果如下：表34 十字路口處磁場強(qiáng)度大小表B r cm 12345678910111213磁感應(yīng)強(qiáng)度大?。▎挝籘）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)磁場分布是完全對稱的，而且磁場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；在彎道處，內(nèi)側(cè)的磁場明顯要大于外側(cè)的，而且內(nèi)側(cè)磁場在距離導(dǎo)線較近處衰減比較小，而一旦距離導(dǎo)線超過5cm時衰減就逐漸增大了；而外側(cè)的磁場則一直都比較小，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變化趨勢與彎道內(nèi)側(cè)的磁場變化趨勢基本上是一致的，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，磁場在導(dǎo)線附近時衰減較慢，比較適合用來引導(dǎo)車子，而距