地磁檢測器車輛檢測波形分析

楊成材 王兵 陳婉 王傳印， 史燮杏

（1.新疆大學(xué)，新疆 烏魯木齊 830047；2.新疆正陽交通規(guī)劃設(shè)計研究所，新疆 烏魯木齊 830000）

本研究采用的是各向異性磁阻傳感器，其為車輛檢測系統(tǒng)的重要組成部分，具有很高的靈敏度，在地球磁場這樣的背景磁場下，不僅可以檢測到地磁場的微弱變化，還可以檢測出磁場的方向和強度，該傳感器利用了鎳鐵導(dǎo)磁合金的磁阻效應(yīng)，即電流與磁化方向平行時電阻最大，電流與磁化方向垂直時電阻最小，其阻值隨著磁場矢量變化而改變。磁場的變化通過磁阻式電阻的變換可以轉(zhuǎn)換為差分電壓的形式輸出，利用相關(guān)設(shè)備，就可以檢測到車輛通過傳感器時地磁場的變化情況。

目前已有的大量分析側(cè)重于證實各向異性磁阻傳感器在檢測車輛方面的合理性，一些算法只是給出了地磁場靜態(tài)擾動方面的解析，對于地磁場的動態(tài)變化，由于影響因素眾多，還不能提供完善的理論支撐，其中大部分的研究是從后期數(shù)據(jù)處理和算法的合理性入手，為檢測系統(tǒng)的實際應(yīng)用給予指導(dǎo)。為此，本文針對相關(guān)地磁傳感器已取得的研究成果為基礎(chǔ)，將車輛通過三軸各向異性磁阻傳感器時的波形作為研究對象，分析車輛通過不同非鐵磁介質(zhì)時三維地磁場的擾動特性。已有的試驗結(jié)果表明，每當車輛從傳感器上方經(jīng)過時，Y軸和Z軸曲線擾動不如X軸明顯，曲線最大的波動發(fā)生在傳動軸和發(fā)動機從傳感器上方通過的時刻。因此，本文僅分析X軸方向的變化特征。

1 測試條件的準備

（1）各向異性磁阻傳感器。各向異性磁阻傳感器能為智能交通系統(tǒng)提供多種交通流狀態(tài)信息，具有小型輕便、安裝容易、不易損壞、信息豐富、檢測靈敏度高、可檢測參數(shù)多、雙傳感器測量方式精確度高等特點，且可用于動靜態(tài)車輛檢測等。實際應(yīng)用中還可用來檢測干擾地磁的含鐵磁物體，如對飛機、火車或機動車的檢測等。在機動車的檢測中包括：車輛分類、車輛方向和車輛存在性、車輛速度檢測等。

（2）測試平臺。車輛各部件主要由鐵磁物質(zhì)構(gòu)成，理論研究中可以將其簡化為雙極性磁鐵的模型。當車輛進入地磁場時，其周圍的磁場因為車輛自身磁場與地磁場相互作用而產(chǎn)生有規(guī)律的變化 。因此，為使測試達到預(yù)期效果，對測試平臺進行了詳細設(shè)計，考慮車輛行駛的實際需要，在平臺上設(shè)計出合適的導(dǎo)軌槽，并且打出相應(yīng)的孔以便于傳感器的安放，在測試車輛的底部加裝合適的鋼板，使磁場擾動更易檢測，同時對各元件之間的連線及走線方式進行合理布置。盡量減少外界干擾，使實驗平臺到最優(yōu)狀態(tài)。

（3）示波器狀態(tài)調(diào)整。示波器是用來對電路中電壓或電流的波動情況進行測量的工具，它能實時地反應(yīng)器件的工作情況。在分析中通常是用它來測量輸入與輸出的波形，由觀察者進行分析研究。本實驗中車輛通過傳感器時需要注意以下設(shè)置：由于檢測系統(tǒng)利用的是地磁原理，測量時，不要把儀表放置在附近有強磁場的地方使用；合理的設(shè)置探頭衰減系數(shù)，在此實驗中將探頭上的開關(guān)和探頭菜單中的衰減系數(shù)設(shè)定為1x；合理協(xié)調(diào)示波器的各個參數(shù)，在此需要設(shè)置“Volt/div（伏/格）”垂直檔位和“s/div（秒/格）”水平檔位，調(diào)節(jié)波形的顯示幅度和水平掃描速度，垂直檔位為1.0V，水平檔位為200.0ms；滿足以上條件可得到預(yù)期的波形。

2 測試實驗

測試中采用控制變量法，改變車輛底盤與傳感器之間的介質(zhì)來驗證不同介質(zhì)對檢測結(jié)果的影響能力。介質(zhì)分別采用冰、雪、空氣、亞克力板（冰、雪、板均為直徑120mm，高度20mm的柱體）；采用冰和雪模擬實際道路的狀況，亞克力板作為中間參考量，利用空氣進行參照對比；當車輛通過介質(zhì)后，保存一個周期的波形信息，并通過縮放一定的比例后采用描點法繪出波形特征，分別對冰、雪、空氣、亞克力板采樣十組波形，以同樣的方法把各組得到的十組波形聚合為一條特征曲線。圖1所示為四種介質(zhì)的波形聚合圖。

3 聚合分析

地球自帶0.5G～0.6G的磁場強度，由于環(huán)境、設(shè)備等因素的影響，采樣得到的地磁信號主要由三部分疊加而成：地球磁場背景信號、干擾磁場信號和車輛通過時對磁場的擾動信號等。因此即使同一介質(zhì)在相同條件下采集到的波形也不完全相同，采用適當?shù)姆椒▽⑺慕M曲線聚合為四條曲線進行分析。把磁場開始擾動時作為坐標原點，車輛經(jīng)過后磁場恢復(fù)，在此期間采樣一個周期的波形，由圖1可知各組波形幅值略有差異但總體走勢相同；如圖1所示，各組的采樣波形聚合為四條曲線且用不同顏色表示。對以上圖中的各組波形幅值統(tǒng)計可得冰（6.5mm）、雪（6.8mm）、空氣（7.2mm）、亞克力板（6.9mm），在一定范圍內(nèi)各介質(zhì)存在合理的測試誤差。對上述波形以及數(shù)據(jù)處理得到車輛通過傳感器時的具體參數(shù)信息。實驗結(jié)果表明，針對上述介質(zhì)采集到的波形達到了預(yù)期效果，經(jīng)分析可得非鐵磁介質(zhì)的適量存在不會影響傳感器的正常工作。

結(jié)語

本文針對各向異性磁阻傳感器的實際應(yīng)用前景，完成了車輛經(jīng)過不同非鐵磁介質(zhì)的測試實驗，經(jīng)過波形對比分析和實時數(shù)據(jù)統(tǒng)計，充分論證了所用介質(zhì)對傳感器的影響程度；在進一步的研究中還需要增加鐵磁介質(zhì)的種類，以便于對相關(guān)傳感器進行更全面的技術(shù)測試。在廣泛實驗的基礎(chǔ)上，分析相關(guān)特征量的典型值，進一步提高車輛檢測的精確性。

[1]何志強，等.基于地磁傳感器的車輛檢測算法[J].科學(xué)技術(shù)與工程，2014，14（15）：203-206.

[2]馬飛，等.基于各向異性磁阻傳感器的車輛監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計[J].微型機與應(yīng)用，2011，30（05）：118-120.