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，新疆 烏魯木齊 830047；2.新疆正陽交通規(guī)劃設計研究所，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磁合金的磁阻效應，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換為差分電壓的形式輸出，利用相關設備，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)的實際應用給予指導。為此，本文針對相關地磁傳感器已取得的研究成果為基礎，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時三維地磁場的擾動特性。已有的試驗結果表明，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構成，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，為使測試達到預期效果，對測試平臺進行了詳細設計，考慮車輛行駛的實際需要，在平臺上設計出合適的導軌槽，并且打出相應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；合理的設置探頭衰減系數(shù)，在此實驗中將探頭上的開關和探頭菜單中的衰減系數(shù)設定為1x；合理協(xié)調示波器的各個參數(shù)，在此需要設置“Volt/div（伏/格）”垂直檔位和“s/div（秒/格）”水平檔位，調節(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來驗證不同介質對檢測結果的影響能力。介質分別采用冰、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，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），在一定范圍內各介質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。實驗結果表明，針對上述介質采集到的波形達到了預期效果，經(jīng)分析可得非鐵磁介質的適量存在不會影響傳感器的正常工作。

結語

本文針對各向異性磁阻傳感器的實際應用前景，完成了車輛經(jīng)過不同非鐵磁介質的測試實驗，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的種類，以便于對相關傳感器進行更全面的技術測試。在廣泛實驗的基礎上，分析相關特征量的典型值，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].科學技術與工程，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)設計[J].微型機與應用，2011，30（05）：118-120.