1、（完整）電磁傳感器參考設(shè)計方案（完整）電磁傳感器參考設(shè)計方案編輯整理:尊敬的讀者朋友們：這里是精品文檔編輯中心，本文檔內(nèi)容是山我和我的同事精心編輯整理后發(fā)布的，發(fā)布之前我們 對文中內(nèi)容進行仔細校對，但是難免會有疏漏的地方，但是任然希望（完整）電磁傳感器參考設(shè)訃 方案）的內(nèi)容能夠給您的工作和學習帶來便利。同時也真誠的希望收到您的建議和反饋，這將是 我們進步的源泉，前進的動力。本文可編輯可修改，如果覺得對您有幫助請收藏以便隨時查閱，最后祝您生活愉快業(yè)績進步，以 下為（完整）電磁傳感器參考設(shè)計方案的全部內(nèi)容。2（完整）電磁傳感器參考設(shè)計方案電磁傳感器參考設(shè)計方案一、 前言電磁感應(yīng)智能電動車競賽需要能

2、夠通過自動識別賽道中心線位置處由通有100mA交變電流的導線所產(chǎn)生的電磁場進行路徑檢測除此之外在賽道的起跑線處還有永磁 鐵標志起跑線的位置。木文給出了一種簡便的交變磁場的檢測方案，目的是使得部分 初次參加比賽的隊伍能夠盡快有一個設(shè)計方案，開始制作和調(diào)試自己的車模。本方 案通過微型車模實際運行，證明了它的可行性。二、設(shè)計原理1導線周圍的電磁場根據(jù)麥克斯韋電磁場理論，交變電流會在周圍產(chǎn)生交變的電磁場.智能汽車 競賽使用路徑導航的交流電流頻率為20kH乙產(chǎn)生的電磁波屬于甚低頻（VLF）電磁波。甚低頻頻率范囲處于工頻和低頻電磁破中間，為3kHz30kHz,波長為100km10km.如下圖所示：導線周圍

3、的電場和磁場,按照一定規(guī)律分布。通過檢測相應(yīng)的電磁場的強度 和方向可以反過來獲得距離導線的空間位置，這正是我們進行電磁導航的目的。 由于賽道導航電線和小車尺寸/遠遠小于電磁波的波長入，電磁場輻射能量 很小（如果天線的長度/遠小于電磁波長,在施加交變電壓后，電磁波輻射功率 正比于天線長度的四次方），所以能夠感應(yīng)到電磁波的能量非常小。為此，我們 將導線周圍變化的磁場近似緩變的磁場，按照檢測靜態(tài)磁場的方法獲取導線周圍 的磁場分布，從而進行位置檢測。由畢奧一薩伐爾定律知：通有穩(wěn)恒電流/長度為厶的直導線周圍會產(chǎn)生磁場， 距離導線距離為廠處P點的磁感應(yīng)強度為：（完整）電磁傳感器參考設(shè)計方案3圖3：無限長導

4、線周圍的磁場強度在上而示意圖中，感應(yīng)磁場的分布是以導線為軸的一系列的同心圓。圓上的磁場強度大小相同，并隨著距離導線的半徑r增加成反比下降。2、磁場檢測方法：人類對于磁場的認識和檢測起源很早，我國古代人民很早就通過天然磁鐵來 感知地球磁場的方向，從而發(fā)明了指南針但是對于磁場定量精確的測量以及更 多測量方法的發(fā)現(xiàn)還是在二十世紀初期才得到了突飛猛進的進展。現(xiàn)在我們有很多測量磁場的方法，磁場傳感器利用了物質(zhì)與磁場之間的各種物理效應(yīng)：磁電效應(yīng)（電磁感應(yīng)、霍爾效應(yīng)、磁致電阻效應(yīng)）、磁機械效應(yīng)、磁光效應(yīng)、B = sindd (/0= 4x10 TifiA-1) b4兀廠由此得：B =-(cos -cos&a

5、mp; ) 4兀廠_(1)對于無限長直電流來說,上式中01=0 , 02=n,則有a圖2直線電流的磁場4（完整）電磁傳感器參考設(shè)計方案核磁共振、超導體與電子自旋量子力學效應(yīng)。下面列出了一些測量原理 以及相應(yīng)的傳感器：（1）電磁感應(yīng)磁場測量方法：電磁線磁場傳感器，磁通門磁場傳感器，磁 阻抗磁場傳感器.（2）霍爾效應(yīng)磁場測量方法：半導體霍爾傳感器、磁敏二極管，磁敏三極 管.（3）各向異性電阻效應(yīng)（AMR）磁場測量方法。（4）載流子自旋相互作用磁場測量方法：自旋閥巨磁效應(yīng)磁敏電阻、自旋 閥三極管磁場傳感器、隧道磁致電阻效應(yīng)磁敏電阻。（5）超導量子干涉（SQUID）磁場測量方法:SQUID薄膜磁敏元件

6、。（6）光泵磁場測量方法：光泵磁場傳感器.（7）質(zhì)子磁進動磁場測量方法。（8）光導纖維磁場測量方法。以上各種磁場測量方法所依據(jù)的原理各不相同，測量的磁場精度和范圍相差 也很大，10TL107G。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 現(xiàn)的難易程度進行考慮.在下面所介紹的檢測方法中，我們選取最為傳統(tǒng)的電磁感應(yīng)線圈的方案。它 具有原理簡單、價格便宜、體積小（相對小）、頻率響應(yīng)快、電路實現(xiàn)簡單等特 點，適應(yīng)于初學者快速實現(xiàn)路經(jīng)檢測的方案。通電導線周圍的磁場是一個矢量場，場的分布如圖四所示。如果在通電直導 線兩邊的周圍

7、豎直放置兩個軸線相互垂直并位于與導線相垂直平而內(nèi)的線圈，則 可以感應(yīng)磁場向量的兩個垂直分量，進而可以獲得磁場的強度和方向.導線中的電流按一定規(guī)律變化時，導線周圍的磁場也將發(fā)生變化，則線圈中 將感應(yīng)出一定的電動勢。根據(jù)法拉第定律，線圈磁場傳感器的內(nèi)部感應(yīng)電壓F與磁場 B&、電磁線圈的圈數(shù)、截面積M的關(guān)系有：（完整）電磁傳感器參考設(shè)計方案5E = W）x空巴=竺也drdr感應(yīng)電動勢的方向可以用楞次定律來確定。由于木設(shè)計中導線中通過的電流頻率較低，為20kHz,且線圈較小，令線圈 中心到導線的距離為r，認為小范圍內(nèi)磁場分布是均勻的.再根據(jù)圖3所示的 導線周圍磁場分布規(guī)律，則線圈中感應(yīng)電動勢可

8、近似為：即線圈中感應(yīng)電動勢的大小正比于電流的變化率，反比于線圈中心到導線的 距離。其中常量K為與線圈擺放方法、線圈面積和一些物理常量有關(guān)的一個量， 具體的感應(yīng)電動勢常量須實際測定來確定。3、雙水平線圈檢測方案不同的線圈軸線擺放方向，可以感應(yīng)不同的磁場分量我們先討論一種最簡 單的線圈設(shè)置方案：雙水平線圈檢測方案在車模前上方水平方向固定兩個相距L的線圈，兩個線圈的軸線為水平，高度為力，如下圖所示：為z軸，垂直跑道往上為y軸,在跑道平面內(nèi)垂直于跑到中心線為x軸。xyz軸滿足 右手方向。假設(shè)在車模前方安裝兩個水平的線圈。這兩個線圈的間隔為L,線圈的高度為h,參見下圖5所示。左邊的線圈的坐標為（x, h

9、.z）,右邊的線圈的位置（x-L, h, z） o由于磁場分布是以z軸為中心的同心圓，所以在計算磁場強度的時候我們僅僅考 慮坐d (r) _ Wdt rdt T(2)（完整）電磁傳感器參考設(shè)計方案6標（x,y）.由于線圈的軸線是水平的,所以感應(yīng)電動勢反映了磁場的水平分量。根據(jù)公 式（2）可以知道感應(yīng)電動勢大小。（完整）電磁傳感器參考設(shè)計方案7假設(shè)ZF5C/77,XG(-15, +15)cm.計算感應(yīng)電動勢ir+ .v隨著線圈水平位置的變化取值，如下圖所示:圖7線圈中感應(yīng)電動勢與它距導線水平位置x的函數(shù)如果只使用一個線圈，感應(yīng)電動勢F是位置的偶函數(shù)，只能夠反映到水平 位置的絕對值的大小，無法分辨

10、左右。為此，我們可以使用相距長度為厶的兩 個感應(yīng)線圈，計算兩個線圈感應(yīng)電動勢的差值：IfE嚴耳-E廠右下面假設(shè)厶二30 呦,計算兩個線圈電動勢差值“F如下圖所示:（完整）電磁傳感器參考設(shè)計方案802(完整)電磁傳感器參考設(shè)計方案圖8感應(yīng)電動勢差值dE與距離x之間的函數(shù)從上圖可以看出，當左邊線圈的位置X = 15C/77的時候，此時兩個線圈的中 心恰好處于跑道中央，感應(yīng)電動勢差值“F為0。當線圈往左偏移，x e (15, 30),感應(yīng)電動勢差值小于零；反之，當線圈往右偏移，x e (0, 15)，感應(yīng)電動勢大 于零。因此在位移030沏 之間，電動勢差值“F與位移x是一個單調(diào)函數(shù)。可以 使用這個量

11、對于小車轉(zhuǎn)向進行負反饋控制，從而保證兩個線圈的中心位置跟蹤賽道 的中心線。通過改變線圈高度力，線圈之間距離厶可以調(diào)整位置檢測范圍以及感應(yīng) 電動勢的大小。三、電路設(shè)計原理從上面檢測原理可以知道，測量磁場核心是檢測線圈的感應(yīng)電動勢E的幅值。下面將從感應(yīng)線圈、信號選頻放大、整流與檢測等幾個方面討論電路設(shè)計的 問題，最后給出電路設(shè)計系統(tǒng)框圖和實際電路。1、感應(yīng)磁場線圈：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。如下圖所示。一 畫9幾種1 OmH電感這類電感體積小，Q值高，具有開放的磁芯，可以感應(yīng)周圍交變的磁場。如 下圖所示：92、信號選頻放大使用電感線圈可以對其周圍

12、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：（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行有效的 放大，放大倍數(shù)一般要大于20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。 如下表所示：表1：典型的環(huán)境磁場強度范碉磁場環(huán)境磁場性質(zhì)磁場強度（高斯）門山dim50Hz103-10-2地表面地球磁場恒定0.2-0.5i.業(yè)電機和電纜周吊i十米范圍50Hz1-100長波通訊 30kHz106-103賽道中心導線周圉0.5米范圍20kHzlO-lO2比賽選擇20kHz的交變磁場作為路徑導航信號，在頻譜上可以有效地避開 周圍其它磁場的

13、干擾，因此信號放大需要進行選頻放大，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.可以使用LC串并聯(lián)電路來實現(xiàn)選頻電路（帶通電路），如下圖所示：圖10工字磁材電感電路示意圖（完整）電磁傳感器參考設(shè)計方案10RLC并聯(lián)諧振電路11(完整)電磁傳感器參考設(shè)計力案上述電路中，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of= 20kHz，感應(yīng)線圈電感為厶=10/77/，可以計算出諧 振電容的容量為：C =- -； =- -= 6.33x107 (F)(2y L(2加x 20 X103fxlOxl

14、0-3通常在市場上可以購買到的標稱電容與上述容值最為接近的電容為6. 8nF,所以在實際電路中我們選用6. 8nF的電容作為諧振電容.為了驗證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。在導線中通有20kHz左右，100mA左右方波電流， 在距離導線50mm的上方放置垂直于導線的10niH電感，使用示波器測量輸出電 壓波形。如下圖12所示。(A)沒有諧振電容時感應(yīng)電丿k輸出(B)有諧振電容時感應(yīng)電丿k僦出圖12：測量感應(yīng)線圈兩端的感應(yīng)電壓。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)20KHz電壓信號不僅幅度增加了，而且其它干擾信號也非常

15、小。這樣無論導線中的電流 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。 為了能夠更加準確測量感應(yīng)電容式的電壓，還需要將上述感應(yīng)電壓進一步放 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)o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，如下圖所示：（完整）電磁傳感器參考設(shè)計方案12圖13：單管共射交流放大電路當然，也可以選用運算放大器進行電壓放大.但是需要選擇單電源、低噪 音、動態(tài)范圍達、高速運放不太容

16、易，所示不太推薦使用運算放大器進行信號放 大.3、幅度測量測量放大后的感應(yīng)電動勢的幅值E可以有多種方法。最簡單的方法就是使用二 極管檢波電路將交變的電壓信號檢波形成直流信號， 然后再通過單片機的AD采集獲 得正比于感應(yīng)電壓幅值的數(shù)值如下圖所示：+5V上圖給岀了倍壓檢波電路可以獲得正比于交流電壓信號峰峰值的直流信號. 為了能夠獲得更大的動態(tài)范圍，倍壓檢波電路中的二極管推薦使用肖特基二極管 或者錯二極管。由于這類二極管的開啟電壓一般在0.1-0o 3V左右，小于普通的硅 二極管（0。7V）,可以增加輸出信號的動態(tài)范圍和增加整體電路的靈敏度。實際上，可以不使用檢波電路，而直接將上述單管放大電路中，三

17、極管集電 極電壓接入單片機的AD端口，使用單片機直接采樣交變電壓信號，如下圖所示：（完整）電磁傳感器參考設(shè)計方案13只要保證單片機的AD采集速率大于20kHz的5T0倍，連續(xù)采集5T0個周 期的電壓信號（大約100數(shù)據(jù)左右），就可以直接從采集的數(shù)據(jù)中最大值減去最 小值獲得信號的峰峰值假設(shè)采集了128個數(shù)據(jù)：xi.i= 1, 2, , 128 0,計算 信號的峰峰值 可以有下式計算：心我7 = 1,2,：12S）gm = inin（xr/ = L2-,128）yp-p Annxniin上面計算計算方法由于只用應(yīng)用了數(shù)據(jù)的最大值、最小值，所得結(jié)果容易受 到噪聲的影響，所以還可以通過計算數(shù)據(jù)交流信號

18、的平均值、有效值反映信號的幅值：128一f=L128Y-月112S工（DY E入9128s 128，128上面所計算得到的嗎Xe等都與信號的峰峰值成單調(diào)關(guān)系， 所以也可以用來 進行計算位置差值信號。根據(jù)上面介紹，檢測電路框圖如下圖所示：（完整）電磁傳感器參考設(shè)計方案14圖17：直接放大電路電路焊接完畢后，只要調(diào)節(jié)可調(diào)電阻R1,使得三極管集電極電壓處于2. 5V左右即可。將上述放大電路的感應(yīng)電感放在通有100mA. 20kHz導線周圍，使用示波 器觀察電路的輸出與輸入信號，如下圖所示：四、實際電路與調(diào)試1.直接信號放大電路：如下圖所示:放丸輸出Vou t（完整）電磁傳感器參考設(shè)計方案15通過上圖

19、可以看出，放大電路的放大倍數(shù)大約為:16(完整)電磁傳感器參考設(shè)計方案倍左右。所得的電壓信號可以直接連入單片機的AD轉(zhuǎn)換接口進行采集就可以。在 接入單片機時，輸出隔直電容C3需要去掉，這樣AD輸入的交流信號的平均值在2. 5V,變化范圍在05V,滿足單片機AD轉(zhuǎn)換的需要。2、放大檢波電路:如下圖所示：實際上，上述電路就是在直接放大電路的基礎(chǔ)上增加了倍壓檢波電路，可以(A)二極管僅電扱心I；波形(B)倍用整流極簷D1匕的電斥波形電路輸出電壓波形圖20：放大檢波電路各部分的電壓波形從上圖可以看出，電路的輸出電壓基本上與交流信號的峰峰值相等。在上面電路輸出部分C4, R3是進行檢波濾波作用，它們的數(shù)

20、值乘積對應(yīng)濾 波時間常數(shù)，增加濾波時間常數(shù)可以減少輸出信號的波紋，提高信號的信噪比，但是會帶來檢波電路響應(yīng)速度變慢。 如果濾波時間常數(shù)減少， 雖然會提高電路的 響應(yīng)速度， 但是輸出信號的波紋會增加。因此上，需要合理選擇濾波時間常數(shù). 如果一階濾波電路無法滿足需要，也可以再增加一級RC濾波來取得速度和濾波 效果的折中。17（完整）電磁傳感器參考設(shè)計方案下圖給出了突加交流信號和突減交流信號時，上述檢波電路的輸出信號（A）災(zāi)加信號時電路輸岀B）突減信號時電路輸出圖21：檢波電路的單位階躍函數(shù)響應(yīng)可以看出，檢波電路在信號突增時向響應(yīng)速度要比信號下降沿的速度快得 多，因此此正常調(diào)試的時候，需要綜合這兩個

21、時間確定電路的平均響應(yīng)速度。五.問題討論：1、如何減小分布電容的影響？諧振回路的諧振頻率與感應(yīng)線圈的電感量、諧振電容以及引線的分布電容有 關(guān)系，為了減少分布電容的影響，可以采用以下幾個方式：（1）減小電感容量，比如使用4. 7mH電感，這樣可以增加諧振電容的 容量，從而使得分布電容對于諧振頻率影響減小但是這樣做會降低諧振回路的Q值，減小系統(tǒng)的靈敏度。（2）減少引線的長度。可以將諧振回路與放大電路做在一起。上面給出電路制作方法，可以避免分布電容的影響，電路輸岀信號直接就是 檢波后的直流信號,可以通過引線送到單片機的AD轉(zhuǎn)換端口，而不必考慮引線 的分布電容了。2、如何設(shè)計三極管放大電路的靜態(tài)工作點？三極管放大電路的靜態(tài)工作點，包括靜態(tài)工作電壓和靜態(tài)工作電流。一般為 了獲得最大的放大動態(tài)范圍，靜態(tài)工作電壓（三極管的集電極電壓）設(shè)定為電源 電壓的一半。在保證上述靜態(tài)電壓情況下，靜態(tài)工作電流c/