磁通門傳感器在虛擬現實系統中的應用

摘 要：虛擬現實是當今一項熱門技術，目前已經應用到很多領域，其中顯示技術和態勢感知技術是虛擬現實中兩大核心技術。基于磁通門傳感器實現的態勢感知技術是虛擬現實領域一次新的探索。文章概述了磁通門現象及磁通門系統的構成，具體介紹了單軸磁通門的原理、電路以及在虛擬射擊訓練系統中的具體應用方法。

關鍵詞：磁通門；虛擬現實；二次諧波

引言

磁通門傳感器以其重量輕、體積小、靈敏度高等特點在態勢感知領域得到了很好的應用，本文介紹了磁通門傳感器的基本原理，電路構成。并描述了這一技術在虛擬射擊訓練系統中的一個具體應用。

1 態勢感知在虛擬現實中的重要作用

1.1 虛擬現實的定義

虛擬現實技術利用計算機圖形學、傳感技術、人機交互技術、人工智能技術實現虛擬場景的再現和人與場景的互動。利用計算機生成高度逼真的虛擬環境，通過多種傳感器使人產生身臨其境的感覺，并可實現人與該環境的交互作用。

1.2 虛擬現實的好處

1.2.1 快速可視化：虛擬現實技術能夠在最短的時間內給人們呈現盡可能真實的直觀體驗。

1.2.2 節約成本：虛擬現實能夠減少實物產出，減少在設計過程中的迭代設計成本，一切過程中的改動均不需要轉化為實物。

1.2.3 真實的感受：虛擬現實能夠給人們提供與真實世界相類似的直觀感受，使人們不在受到時間空間的約束。

1.3 顯示和定位是虛擬現實中兩大關鍵技術

虛擬現實領域存在兩大關鍵技術，其一是顯示技術，虛擬現實主要是通過接近真實的顯示技術使人們有身臨其境的感覺，顯示技術逐步從計算機屏幕上的二維圖像發展到屏幕上的三維顯示，發展到現階段又出現了三維空間上的全方位顯示技術，甚至三維空間上的立體投影顯示技術。這些技術大大的提高了虛擬現實與真實世界的匹配度。

另一個大的方面是態勢感知技術。其作用是將人的因素加入到虛擬場景之中，完成人與虛擬場景的互動。態勢感知技術主要是確定人在場景中的相對位置。可以通過多種方式實現。例如，慣性定位、圖像定位、電磁定位等。

有了這兩大方面，就如同人通過眼睛看到了真實的景物，并且他的一舉一動能夠得到與真實世界相類似的回應。這種感受能夠大大提高人在虛擬環境中的浸入感。在本文中，只針對態勢感知領域的一個具體應用展開討論。

2 磁通門傳感器工作原理

2.1 磁通門的定義

磁通門現象是一種常見電磁感應現象。當磁體磁化時磁導率隨激勵磁場強度變化而變，當磁性材料被磁化時，由于磁導率的非線性變化，能夠起到調制外部磁場的作用，使得感應線圈輸出電壓與外部磁場變化相關，對環境磁場來說，就象一道“門”，通過這道“門”環境磁場磁通量被調制，在感應線圈上產生感應電勢。

2.2 磁通門傳感器的應用范圍

磁通門傳感器具有高穩定性、高線性度，特別適合高精度弱磁場的測量，測量范圍10-10～10-4T，例如磁探傷、金屬探測。

磁通門傳感器可以測量穩恒磁場或者低頻交變磁場，例如地球矢量磁場的測量。

磁通門傳感器具有精確度高、靈敏度高、體積小巧等特點，能夠用于高速移動物體上的磁場測量，廣泛用于外太空、海底空間的磁場測量。

2.3 磁通門原理說明

在實際應用過程中根據其磁芯和線圈結構、形狀及激勵源的不同，磁通門會有很多變化形式，本文僅通過最簡單的單軸磁通門說明其工作原理。

磁性材料具有小矯頑力Hc、高導磁率μ的特點。在外部磁場H0發生微小變化時，磁性材料的磁導率μ隨著磁場強度H的變化而顯著變化，磁性材料中的磁感應強度B有顯著的變化（見圖1），在感應線圈中產生明顯的電動勢。磁通門傳感器就是利用磁性材料被磁化時的非線性來實現磁場測量的。下面是磁芯材料磁化曲線。

（1）勵磁電路：勵磁單元又可分為磁通門勵磁電路和磁通門激勵線圈（見圖2）。勵磁電路的作用是向磁通門激勵線圈提供近似正弦的交流勵磁信號。勵磁電路的信號由晶振提供，通過分頻、濾波后生成近似正弦波的激勵信號，經一級功率放大后輸入激勵線圈中。

（2）磁通門傳感器：磁通門傳感器是由磁芯、激磁線圈、感應線圈構成。磁芯采用具有高磁導率、小矯頑力的軟磁性物質。它的磁滯回線與一般鐵磁物質的磁滯回線不同。當外部磁場存在微小變化時，磁芯上就會產生明顯的磁感應強度變化，在磁感應線圈中就會產生明顯的電動勢。

（3）二次諧波法測量電路：測量單元由前置放大器、低通濾波器、相敏檢波器、積分器和模擬開關構成。

感應線圈得到的電壓值往往比較小，為了方便后級處理，需要進行前置放大，為了更好的傳輸，這組放大器應盡量放置在傳感器一端。

前置放大的同時噪聲也得到了放大，往往這些隨機噪聲的頻率比有用頻率信號高，可以通過低通濾波器進行濾除。

相敏檢波電路是具有鑒別調制信號相位和選頻能力的檢波電路，相敏解調器的作用是使二次諧波分量通過。

相敏檢波器的輸出是含有直流分量的脈動信號，為了得到平滑的直流波形，需進行低通濾波，濾除高頻分量。得到直流電平信號，其中一路反饋到磁通門傳感器線圈，形成閉環系統以提高輸出的線性， 另一路通過A/D轉換被數據解算單元利用。

3.4 數據解算單元

數據解算單元由A/D轉換器、CPU、存儲器等組成，主要完成磁通門傳感器方位、俯仰、橫滾方位的解算，并與視景生成單元通訊，將計算結果實時發送給視景生成單元，改變場景畫面。

4 結束語

磁通門傳感器應用到虛擬射擊訓練系統中能夠有效降低訓練經費，減少訓練風險，更重要的是它能夠實時記錄訓練數據，評估訓練效果，磁通門傳感器在虛擬現實系統中的應用拓展了其應用范圍，相信隨著技術的進步，磁通門還會在其他領域發揮重要作用。

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作者簡介：李然（1979-），男，漢族，河南洛陽人，在讀碩士研究生，工程師，主要研究方向為識別與跟蹤技術。