电磁传感器

3.2 电磁传感器基于电磁信号的智能循迹车路径信息是通电导线产生的交变磁场，基于交变 磁场的传感器设计包含了信号采集和信号调理两个部分下面通过电磁信号原理 传感器选择、信号调理三个部分逐步介绍整个传感器模块，如图1所示： 电磁信号产生| :信号采集【信号调理 图1电磁传感器模块3.2.1 电磁信号原理在传感器设计之前先介绍一下路径信息：一根通有20KHz、100mA交变电流 的导线根据麦克斯韦电磁场理论，交变电流会在导线周围产生交变电磁场，用 于路径导航的交变电流频率为20HKz，产生的电磁波属于甚低频(VLF)电磁波， 该频率处于工频和低频电磁波中间为3KHz〜30KHz,波长为100km〜10km,如图2 所示：图 2 交变电流周围电磁场示意图导线周围的电场和磁场，按照一定规律分布(这就是无线电波传输的原理) 通过检测相应的电磁场强度和方向反过来获得距离导线的空间位置，这样就可以 进行电磁导航了通电导线的长度和车模的尺寸远远小于电磁波的波长入，电磁波的辐射能量 很小，因此将导线周围的变化的磁场近似为缓慢变化的磁场，按照检测静态磁场 的方式获取导线周围磁场的分布信息，从而进行位置检测。

下面就根据静态磁场来分析，由毕奥-萨伐尔定律知：通有恒定电流 I 长度 为L的直导线周围会产生磁场，距离导线距离为r处P点的磁感应强度为：图 3 直流电流的导线B = 惶sinBdB (p, = 4nx 107 TmAi ) (3-1) 0± 4nr 0由公式3-1 得：B =专(cos01 cos02)(3-2)4nr对于无限长直电流，公式3-2中的01 = 0，02 = n，则如图4所示:B=PoI (3-3)4nr图4 无限长导线周围的磁场强度通过上图得知：恒定电流的感应磁场的分布是以通电导线为轴的一系列同心 圆，符合安培定则（又称右手螺旋定则）同一个圆上的磁场强度大小相同，并 随着距离导线的半径 r 的增加成反比下降3.2.2 传感器选择人类对于磁场的认识和检测起源很早，我国从古代人民很早就通过天然磁铁 来感知地球磁场的方向，从而发明了指南针目前测量磁场的方法有很多，磁场传感器利用了物质与磁场之间的种种物理 效应：磁电效应（电磁感应、霍尔效应）、磁机械效应、磁光效应、核磁共振等 下面列出一些测量原理及相应的传感器：（1）电磁感应磁场测量方法：电磁线磁场传感器、磁通门磁场传感器、磁 阻抗磁场传感器。

2）霍尔效应磁场测量方法：半导体霍尔传感器、磁敏二极管、磁敏三极 管3） 各向异性电阻效应（AMR）磁场测量方法4） 载流子自旋相互作用磁场测量方法：自旋阀巨磁效应磁敏电阻、自旋 阀三极管磁场传感器、隧道磁致电阻效应磁敏电阻5） 超导量子干涉（SQUID）磁场测量方法：SQUID薄膜磁敏元件 （ 6）光泵磁场测量方法：光泵磁场传感器以上各种磁场测量方法所依据的原理各不相同，磁场测量的精度和范围相差 也很大，10-11 ~107 Go通过查阅资料和调研，发现法拉第的电磁感应定律可以应用在这个磁场检测 中来，下面就介绍基于法拉第电磁感应的传感器设计定义：因磁通量变化产生感应电动势的现象，闭合电路的一部分导体在磁场 里做切割磁感线的运动时，导体中就会产生电流，这种现象叫电磁感应，产生的 电流称为感应电流利用法拉第电磁感应定律，线圈切割磁感线成为了传感器设计的中心思想通电导线周围的磁场就如3.2.1 所说的当做缓慢变化的静态磁场，这个静态磁场 是一个矢量场，场的分布，如图5所示：图 5 导线周围的感应电磁场在通电导线周围放置两个轴线相互垂直并位于与导线想垂直的平面内线圈， 如上图所示两个线圈，这样可以感应磁场向量的两个垂直分量，从而获得磁场的 强度和方向。

导线中的电流按照一定规律变化时，感应磁场也会相应的变化，则线圈中讲 感应出一定的电动势根据法拉第定律，线圈的感应电压E与磁场强度B、线圈 匝数N、截面积A的关系有：d0(t)dt线圈上的感应电动势遵循楞次定律由于通电导线电流变化频率较低为20KHZ,而且线圈尺寸对于磁场来说可以 忽略不计，所以认为在线圈那个位置（1cm长度）磁场的分布是均匀的，根据图5 所示的导线周围磁场分布规律,线圈中的感应电动势可近似为：d0(t) k dId^ rdt由上式知：线圈中的感应电动势大小与电流变化率成正比，与线圈中心到导 线的距离成反比，式中K为一个自定义系数，与线圈的摆放、线圈横截面积、线 圈匝数等一些物理量相关， K 需要根据实际的感应电动势来确定至此基于法拉 点电磁感应的线圈传感器选型就完成了，利用线圈切割磁感线得到相应的电势差 该电势差与距离成反比传感器排布决定了方向控制算法的设计，采集磁感线的水平分量，即可得出 传感器与中心导线相对应的关系，故采用传感器采用水平的方式设计，如图 6 所示：SensorSensorSensor图 6 线圈传感器排布 由于线圈的轴线是水平的，所以感应电动势反映了磁场的水平分量，得感应 h电动势大小与K石成正比，如图7所示：x2h 2I/］啊砒图7线圈与中心线距离当确定高度值 h 时（所有线圈的 h 值相同），感应电动势 E 与 x 值的关系 如图 8 所示：045a 180.160.14感屉樂动特0 08图8 E与X的关系函数根据上图所示通过软件设计可以判别出智能车目前所在位置与中心导线的偏差从而进行方向控制，具体方向控制算法设计将在软件部分详细阐述。

3.2.3 信号调理电路通过一系列的调研最终得出线圈作为电磁信号采集的传感器，不过线圈采集 回来的信号时比较粗糙的原信号，通过信号调理电路将粗糙的原信号转化成稳定 的直流信号，然后送到单片机的AD模块进行模数转换，这是信号调理电路的工 作信号调理电路主要包含了三部分，如图 9 所示：LC谐振」）放大/检波图 9 信号调理框图1.LC 谐振电感切割磁感线得到的电动势信号包含了有用信号（20KHz）和噪声信号，噪声主要来自于工频（50Hz）、空气中的电磁波等，为了滤除噪声信号，在这里设计了一个简单的LC谐振电路，实现了噪声的滤除谐振电路，如图10所示:VoutCCGCL图9 LC谐振电路LC 谐振电路在通信电子电路的小信号谐振放大器重应用非常广泛，其中谐振 的实质就是选频，即带通滤波器如图9所示，电感L与电容C并联组成了并联 谐振回路，实际电路模型包含了电感等效串联电阻，如图 10 所示：Vout图10 LC谐振实际电路并联谐振回路的导纳（在并联谐振回路中，导纳比阻抗方便）1Y = G + j （®C— ）根据上述公式知，阻抗特性曲线，如图 11 所示：谐振点频率为：1VLCf = 12nVtC线圈感应电动势频率与通电导线电流变化频率相同均为20KHZ，所以在设计 LC谐振时，需要把谐振点频率设计在20KHz左右，通过计算得：10mH电感与6.3nF组成的LC谐振电路满足这个要求，由于市场上没有6.3nF的电容，所以用6.8nF替代6.3nF。

通过对比得出谐振前后的波形，发现谐振电路效果非常明显,如图12、13所示：LiMUWFt加关闭CH2 平均值 -13*nVCH28［频率nwti 讪关闭 锻闭图 12 谐振前线圈信号图 13 谐振后线圈信号2.放大由 LC 谐振回路之后的信号为 20KHz 、峰峰值 80mV 左右的正弦波，对于这样 的小信号必须设计相应的放大电路，由此共选用了 3 套方案对该小信号进行放大 最初设计的三极管放大，由于其受温度等外界因素影响较大，并且不同三极管之 间的一致性并不好，从而放弃了三极管放大的方案，下面重点介绍集成运算放大 器的方案方案一：NE5532NE5532 在 20 世纪90 年被称为“运放之皇”，在音频放大等领域运用非常广 泛，本次设计中是基于单电源供电的反向放大设计，如图 14 所示：R45VCC2R3+5VAR1R2VinVout图 14 单电源反向放大电路运算放大器采用的是单电源的供电方案（双电源供电涉及负压，需要用到电 荷泵的知识，故不采用），所以在运放的正输入端参考电压需配置为电源电压的 1/2，在实际电路中 R1=R2=100KNE5532在小信号带宽、最大增益倍数，噪声抑制等性能对于20KHZ的小信号来讲是足够的，如图15 所示：Ciofeecl丄oop Fretju^nty RespOfiSC4(HS)^62bOU26 「9Ld6・2!dU9| hL6dnGUCA|ubn; ^oi26 AO||9d6 “"必图 15 NE5532 各项参数指标对于NE5532来说，有一个缺点就是饱和失真和截止失真，在放大信号峰峰值达到 3.3V 左右，就发生了饱和失真，如图 16 所示：M'幅值正间超谓1.0 0 V清除量值穆考吐平高聲TH：嵯_ 烽情涮定■J M 2().O[JIS A ＜：11 1 f 2.NO V.已扳触7'T*T=F.Lr-=.r.T-T=F.=”Lr.r.T-T=F.L”Lr- ;i A.; i SOps A:' 2.94 V：?■&: 一 14KJJT5图 16 NE5532 失真波形由于失真，NE5532最终放大的信号峰峰值不能大于3.2V，这对于后续的检 波不利，故最终放弃了 NE5532方案。

方案二：OPA2354OPA2354是TI公司2009年推出的一款轨对轨(Rail to Rail )的双运放芯片, 跟NE5532的引脚完全兼容(Pin to Pin),在性能方面抖了很大提升，输入信号带 宽增加到250MHz,开环增益以及其他参数都比NE5532有了很大的提升，相当 于 NE5532 的升级产品，下面通过实际放大效果来描述 OPA2354 的功能，如图 17 所示：n+T -^.roooous2S4^ 2&1214：58：55A： 2.48 V (9： -6.96 V图 17 OPA2354 放大波形上图中下方波形为输入信号：0KHz、Vpp=86mV,上方为放大后的信号：OKHz、 Vpp=4.28V通过观察波形可以得出放大后的信号4.3V峰峰值也没有发生失真， 这就是轨对轨运放的特点和优势,经测试 OPA2354 放大后的信号峰峰值可以高 达4.8V而不发生失真通过对比两款运放的性能，最终确定OPA2354作为放大 芯片，不过OPA2354的价格也比NE5532高了不少3.检波经过放大之后的信号如图17所示是一个20KHz、Vpp=4V左右的正弦波，对 于单片机的 AD 来说有两种方法可以读取该信号：直接读取和检波后读取。

直接读取的方案是通过AD的高速采样，读取正弦波的信号，遵循奈奎斯特 采样定律，AD的采样频率要高于40KHz，过高的AD采样频率会增加单片机的功 耗，同时直接采样需要占用单片机内部的大量内存，并且采样回来之后还要进行 软件的检波算法这样增加了智能车算法的复杂性，整个方案相对比较麻烦，故最 终放弃了这种方案检波后读取的方案是将正弦波信号转化为与其峰值或峰峰值成正比的直流 信号，然后 AD 口读取直流信号，这样的方案相对比较简单，而且稳定性更高 下面重点介绍峰峰值检波的原理检波电路在通信电路的解调电路中应用非常广泛，比较典型的有小信号平方 率检波、大功率峰值包络检波对于 20KHZ、 Vpp=4V 的信号来说，采用峰峰值 检波（倍压检波）的方式，如图 18所示：CVADcV图 18 倍压检波电路上述电路与峰值检波的区别在于增加了二极管D2,这样可以将0V以下的信 号通过该二极管进行单向导通，最终的出来的直流信号值为峰峰值与两个二极管 的正向导通压降的差：Voc = VPP-2VF检波电路的 RC 配置也是相当重要, 面通过几组图片来观察不同 RC 配置的检波效果,如图 19、20、21 所示：ff-.t_o=jTLTM2D.O|15- A 匚111 Z lO-QinVMZD.Ollt A 匚砒 Z I O-^lYlVI.DOije善丰电平SiE 20.0wfVXA.3iU mxiws“r泸图 19 C=0.1uF 、R=10K图 20 C=1uF 、R=10K.ffjkE 1| ' • • • I • • • ' I • • • • | • ■! 1 1 .r—s—j—l q ■ I I ■ I ■ ■ ^ ■ I ■ LLF=>p^-r~r~^|€111 带覽Chi峪-i£值圍建:5. SOW :口chi er 152. EkHzT 11 中5丹门！ . • Chi iQE3L150兆捋1 0 1iD-Ornv^A . M4fl,(kp4 a chi / rj.fmV.Ml19.0 V LOOM . 1稻台55毎图 21 C=1uF、R=100K通过比较上述3组波形，最终确定倍压检波电路的RC值配置为：C=1uF、R=100K。

3.2.4传感器设计总结通过分析电磁信号原理到传感器的选择到最终的放大检波，完成了对电磁信号的采集，完成了路径的识别，传感器部分的完整电路，如图 22 所示：R45VC2R3DICR・5VR1R2C3 R3-D2图 22 电磁传感器完整电路。