车辆进出管理的实验室模拟

王玉清

(延安大学物理与电子信息学院，陕西延安716000)

近年来，随着经济社会的发展，机动车辆数量持续快速增加，堵车现象已经成为司空见惯的事情[1-4]，为了缓解这方面压力，实施有效的交通管理监控，多数单位的大门口都安装了车辆探测器。但是在车辆探测器实际探测时，当个别车辆经过时，由于车辆距离探测器较远，出现探测器无反应的情况，这时，车辆必须往后倒退，然后前进，当车辆重新靠近探测器时，才有可能识别。个别驾驶员不能理解，为什么要这样？到底是怎么回事？实际上，这是由于不懂车辆探测器的原理造成的。地球磁场在几公里范围内可视为均匀分布，当较大的铁磁物质如车辆穿过时会对周围磁场产生扰动，探测器便可根据此扰动探测车辆的运动状态[1-15]。这里，我们利用各向异性磁阻传感器、废旧的磁电式电流表在实验室模拟车辆的进出管理，普及车辆进出管理的知识。

1 模拟原理

各向异性磁阻传感器AMR由沉积在硅片上的坡莫合金薄膜形成电阻。沉积时外加磁场，形成易磁化轴方向。铁磁材料的电阻和电流与磁化方向的夹角有关，电流与磁化方向平行时电阻Rmax最大，电流与磁化方向垂直时电阻Rmin最小，电流与磁化方向成θ角时，电阻可表示为：

R=Rmin+(Rmax-Rmin)cos2θ。

在磁阻传感器中，为了消除温度等外界因素对输出的影响，由4个相同的磁阻元件构成惠斯通电桥，结构如图1所示。图1中，易磁化轴方向与电流方向的夹角为45°。理论分析与实践表明，采用45°偏置磁场，当沿与易磁化轴垂直的方向施加外磁场，且外磁场强度不太大时，电桥输出与外加磁场强度成线性关系。无外加磁场或外加磁场方向与易磁化轴方向平行时，磁化方向即易磁化轴方向，电桥的4个桥臂电阻阻值相同，输出为零。当在磁敏感方向施加如图1所示方向的磁场时，合成磁化方向将在易磁化方向的基础上逆时针旋转。结果使左上和右下桥臂电流与磁化方向夹角增大，电阻减小△R；右上与左下桥臂电流与磁化方向的夹角减小，电阻增大△R。通过对电桥的分析可知，此时输出电压可表示为：

U=Vb×△R/R。

式中Vb为电桥工作电压，R为桥臂电阻，△R/R为磁阻阻值的相对变化率，与外加磁场强度成正比，故AMR磁阻传感器输出电压与磁场强度成正比，可利用磁阻传感器输出电压的变化来探测电流表的运动状态，从而完成车辆进出的实验室模拟。

图1 磁阻电桥

商品磁阻传感器已制成集成电路，除图1所示的电源输入端和信号输出端外，还有复位/反向置位端和补偿端两对功能性输入端口，以确保磁阻传感器的正常工作。

2 模拟装置

模拟装置由四川世纪中科光电技术有限公司研制的ZKY-CC型各向异性磁阻传感器和磁场测量仪、废旧的磁电式电流表组成，如图2所示。

图2 模拟装置图

3 模拟方法

3.1 连接实验仪与电源，开机预热20 min。

3.2 将磁阻传感器位置调至亥姆霍兹线圈中心，传感器磁敏感方向与亥姆霍兹线圈轴线一致。

3.3 将K1、K2同时通电，调节亥姆霍兹线圈电流为零，按复位键，调节补偿电流，使传感器输出为零。调节亥姆霍兹线圈电流至300 mA，调节放大器校准旋钮，使输出电压为1.500 V。

3.4 将电流表沿与磁敏感方向平行、与磁敏感方向一致的x轴正方向移动，记录电流表距离磁阻传感器的位移x及相应输出电压U数据，利用数据作U-x曲线。

3.5 将电流表沿与磁敏感方向平行、与磁敏感方向相反的x轴负方向移动，记录电流表距离磁阻传感器的位移x′及相应输出电压U数据，利用数据作U-x′曲线。

3.6 将电流表沿与磁敏感方向垂直、与磁敏感方向在一个水平面内的y轴正方向移动，记录电流表距离磁阻传感器的位移y及相应输出电压U数据，利用数据作U-y曲线。

3.7 将电流表沿与磁敏感方向垂直、与磁敏感方向在一个水平面内y轴负方向移动，记录电流表距离磁阻传感器的位移y′及相应输出电压U数据，利用数据作U-y′曲线。

3.8 将电流表沿与x轴、y轴垂直的方向z轴正方向移动，记录电流表距离磁阻传感器的位移z及相应输出电压U数据，利用数据作U-z曲线。

3.9 将电流表沿与x轴、y轴垂直的方向z轴负方向移动，记录电流表距离磁阻传感器的位移z′及相应输出电压U数据，利用数据作U-z′曲线。

4 模拟数据与结果

4.1 电流表沿与磁敏感方向平行、与磁敏感方向一致的x轴正方向移动的实验数据，见表1。

表1 电流表沿x轴正向移动的实验数据

鉴于篇幅，此处及后文中电流表沿x轴负方向、y轴负方向、z轴负方向移动的实验数据不再另设表格列出。

利用表1数据作图3(a)。为了与正向对比，利用电流表沿x轴负方向移动的实验数据作图3(b)。

图3(a) 电流表沿x轴正向移动的曲线

图3(b) 电流表沿x轴负向移动的曲线

从图3(a)中可以看出，当电流表沿传感器的x轴正方向移动时，如果电流表与传感器之间距离d较大(d>80 cm)，小车的存在对传感器输出影响不大。当电流表靠近传感器(d<80 cm)时，传感器输出变化明显。传感器输出先是减小，在位移约为-30 cm处达到最小值，在无电流表干扰时的输出值基础上减小0.15 V；随后快速增大，在位移约为-20 cm处增大到无电流干扰时的输出水平后继续增大，一直增大到在位移约0 cm处达到最大值，此后又减小，并在距离d>80 cm时恢复到无小车干扰时的输出水平。

从图3(b)中可以看出，当电流表沿x轴负方向移动，如果电流表与传感器之间距离d较大(d>80 cm)，电流表的存在对传感器输出影响不大。当电流表移动逐渐靠近传感器时，传感器输出先是减小，在位移约为30 cm处达到最小值，在无电流表干扰时的输出值基础上减小0.15 V；随后快速增大，在位移约为15 cm处增大到无电流干扰时的输出水平后继续增大，一直增大到在位移约0 cm处达到最大值，此后又减小，并在距离d>80 cm时恢复到无小车干扰时的输出水平。

结果表明，电流表沿与磁敏感方向平行、与磁敏感方向一致的x轴正、负方向移动时，传感器的输出变化规律不同。电流表只在距离传感器距离d<80 cm内，电流表的存在对传感器输出有影响。否则，电流表的存在对传感器输出无影响。

4.2 电流表沿与磁敏感方向垂直、与磁敏感方向在一个水平面内的y轴正方向移动的实验数据，见表2。

表2 电流表沿y轴正向的实验数据

利用表2数据作图4(a)。利用电流表沿y轴负向的实验数据作图4(b)。

图4(a) 电流表沿y轴正向移动的曲线

图4(b) 电流表沿y轴负向移动的曲线

从图4(a)中可以看出，电流表沿与磁敏感方向垂直、与磁敏感方向在一个水平面内的y轴正方向移动时，如果电流表与传感器之间距离d较大(d>35 cm)，电流表的存在对传感器输出影响不大。当电流表靠近传感器，距离d<35 cm时，传感器输出变化明显。当电流表移动逐渐靠近传感器时，传感器y输出先是增大，在距离d约为10 cm处达到最大值，在无电流表干扰时的输出值基础上增大0.41 V；随后快速减小，并在距离d约为60 cm时恢复到无小车干扰时的输出水平。

从图4(b)中可以看出，当电流表沿y轴负方向移动，如果电流表与传感器之间距离d较大(d>35 cm)，电流表的存在对传感器输出影响不大。当电流表移动逐渐靠近传感器时，传感器输出先是减小，在距离d约为10 cm处达到最小值，在无电流表干扰时的输出值基础上减小0.41 V；随后快速增大，在距离d约为35 cm时恢复到无小车干扰时的输出水平。

结果表明，电流表沿与磁敏感方向垂直、与磁敏感方向在一个水平面内的y轴正、负方向移动时，传感器的输出变化规律不同，电流表只在距离传感器d<35 cm内，电流表的存在对传感器输出有影响。否则，电流表的存在对传感器输出无影响。

4.3 电流表沿与x轴、y轴垂直的方向z轴正方向移动的实验数据，见表3。

表3 电流表沿z轴正向的实验数据

利用表3数据作图5(a)。利用电流表沿z轴负向的实验数据作图5(b)。

从图5(a)中可以看出，电流表沿与x轴、y轴垂直的方向z轴正方向移动时，如果电流表与传感器之间距离d较大(d>40 cm)，电流表的存在对传感器输出影响不大。当电流表移动逐渐靠近传感器时，传感器输出增大，在距离d约为0 cm处达到最大值，在无电流表干扰时的输出值基础上增大0.15 V；随后快速减小，并在距离d>45 cm时恢复到无小车干扰时的输出水平。

从图5(b)中可以看出，当电流表沿z轴负方向移动，如果电流表与传感器之间距离d较大(d>40 cm)，电流表的存在对传感器输出影响不大。当电流表移动逐渐靠近传感器时，传感器输出减小，在位移约为0 cm处达到最小值，在无电流表干扰时的输出值基础上减小0.15 V；随后快速增大，在距离d约为40 cm时恢复到无小车干扰时的输出水平。

图5(a) 电流表沿z轴正向移动的曲线

图5(b) 电流表沿z轴负向移动的曲线

结果表明，电流表沿与x轴、y轴、z轴正、负方向移动时，传感器的输出变化规律不同，电流表只在距离传感器一定范围内时，电流表的存在对传感器输出有影响。否则，电流表的存在对传感器输出无影响。

5 结论

从实验结果可以看出，电流表沿着不同的方向通过AMR传感器时，传感器输出变化规律不同。多次实验表明，电流表从不同方向通过传感器时均能正确识别。但是，电流表不管从哪个方向沿传感器移动，当距离超过一定的范围时，传感器都无反应。这就要求我们在车辆进出的地方安装传感器时，传感器安装的高低是有要求的。如果车辆距离传感器较远，车辆的存在对传感器输出无反应，车辆进出就不能识别。利用各向异性磁阻传感器、废旧的磁电式电流表，在实验室模拟车辆的进出管理切实可行，达到普及车辆进出管理的探测知识。