磁阻傳感器HMC102用于車輛檢測技術(shù)

一、引言

　　目前國內(nèi)外智能交通行業(yè)車輛檢測裝置采用的技術(shù)除了最早研發(fā)的地感線圈技術(shù)以外，還包括光電技術(shù)、超聲波技術(shù)、微波技術(shù)、視頻技術(shù)等，然而后面幾種技術(shù)容易受到日照、風(fēng)雨、電磁場等外界干擾，應(yīng)用范圍受到很大的限制，因此地感線圈仍為主要的檢測手段。地感線圈作為車輛檢測器，是在道路表層下埋置環(huán)形感應(yīng)線圈，以測定電感變化檢測車輛是否存在。地感線圈雖然是相對成熟的車輛檢測技術(shù)，但仍有許多缺點。利用AMR （Anisotropic Magneto Resistant）各向異性磁傳感器進(jìn)行的地磁車輛檢測，通過檢測汽車對地磁信號的擾動，判斷車輛的到位及通過，從而實現(xiàn)車輛信息的分析、控制及管理，具有安裝簡便、抗干擾能力強(qiáng)、集成化程度高等更多優(yōu)點。

　　二、AMR各向異性磁阻傳感器的工作原理

　　物質(zhì)在磁場中電阻發(fā)生變化的現(xiàn)象稱為磁電阻效應(yīng)。磁電阻效應(yīng)有基于霍爾效應(yīng)的普通磁電阻效應(yīng)和各向異性磁電阻效應(yīng)之分。對于強(qiáng)磁性金屬（鐵、鈷、鎳及其合金），當(dāng)外加磁場平行于磁體內(nèi)部磁化方向時， 電阻幾乎不隨外加磁場而變; 當(dāng)外加磁場偏離金屬的內(nèi)磁化方向時，金屬的電阻減小，這就是各向異性磁電阻效應(yīng)。

　　AMR各向異性傳感器的基本單元是用一種長而薄的坡莫（Ni-Fe）合金用半導(dǎo)體工藝沉積在以硅襯底上制成的，沉積的時候薄膜以條帶的形式排布，形成一個平面的線陣以增加磁阻的感知磁場的面積。外加磁場使得磁阻內(nèi)部的磁疇指向發(fā)生變化，進(jìn)而與電流的夾角發(fā)生變化，就表現(xiàn)為磁阻電阻各向異性的變化。從圖1可以清楚地看到，坡莫合金薄膜的電阻依賴于磁化強(qiáng)度M 和電流I 方向的夾角θ ，即

　　式中，R// —電流方向與磁化方向平行時的電阻；R⊥—電流方向與磁化方向垂直時的電阻。

　　當(dāng)電流方向與磁化方向平行時，傳感器最敏感。而一般磁阻都工作于圖中45°線性區(qū)附近，這樣可以實現(xiàn)輸出的線性特性。

　　美國霍尼韋爾公司磁阻傳感器HMC102是一款性能優(yōu)秀的磁阻傳感器，其核心部分是由4個帶狀坡莫合金薄膜構(gòu)成的惠斯通電橋。當(dāng)其暴露在變化磁場中時，其電阻有所改變（ΔR），引起相應(yīng)輸出電壓的變化，圖2所示是HMC1021的輸出曲線，在磁場±6Gauss內(nèi)有一個靈敏度為1mV/Gauss的線性區(qū)域，可精確提供磁場強(qiáng)度和方向變化的信息。通過將兩個各向異性的磁阻傳感器接在一起，該部件成為兩軸傳感器，將其水平安裝后，能夠?qū)⑷魏嗡酱艌龇譃閄軸和Y軸向量分量。圖3表示HMC1022傳感器中該傳感器的組合。當(dāng)磁場方向為BS方向的地球磁場時，傳感器將磁場分成Bx、By向量分量。這樣，Bx、By就既能代表分方向，也能代表BS的幅值。當(dāng)有鐵磁性物質(zhì)靠近傳感器時，BS的方向和幅值就會發(fā)生變化。要注意的是，該器件在曝露于強(qiáng)磁場范圍內(nèi)使用時必須進(jìn)行合適的置位/復(fù)位操作。霍尼韋爾磁傳感器提供了在當(dāng)?shù)卮艌龇秶鷥?nèi)非常靈敏的磁阻傳感器?？蓽y量幾十微高斯的磁場，這是霍爾元件所不能做到的。由于它的體積小、全固態(tài)、在某些場合下可以取代磁通門傳感器。

　　三、AMR傳感器在車輛檢測中的應(yīng)用

　　由于幾乎所有的道路車輛的底盤都含有一定數(shù)量的黑色金屬（鐵、鋼、鎳、鈷等），所以磁傳感器很適合用于檢測車輛。但并不是所有的車輛都發(fā)出在檢測中磁傳感器可以使用的磁場，所以就不能用諸如霍爾傳感器“強(qiáng)磁場”的大多數(shù)傳感裝置，“弱磁場”傳感器被用來收集該磁場以及附近車輛產(chǎn)生的干擾，圖4說明了一個鐵磁性物體，如汽車，是如何干擾地球磁場的。大的鐵磁物體的磁擾動，如汽車，可看作多個雙極性磁鐵組成的模型。這些雙極性磁鐵具有北－南的極化方向，引起地球磁場的擾動。這些擾動在汽車發(fā)動機(jī)和車輪處尤為明顯，但也取決于在車輛內(nèi)部、車頂或后備箱中有沒有其它鐵磁物質(zhì)。總之，其綜合影響是對地球磁場磁力線的扭曲和畸變。

　　對于檢測停車位上車輛的存在，可用一個HMC1021（單軸）和一個HMC1222（雙軸）組成一個三軸傳感器，將傳感器放置在停車位中間，當(dāng)磁場方向為BS方向的地球磁場時，傳感器將磁場分成Bx、By、Bz向量分量。這樣，Bx、By、Bz就既能代表分方向，也能代表BS的幅值。當(dāng)車輛接近傳感器時，BS的方向和幅值就會發(fā)生變化。一個各向異性的磁傳感器能夠檢測到一個軸的變化，有三軸的傳感器能夠在檢測范圍邊緣上更加可靠的檢測車輛，為檢測提供更可靠的保障。通過對AMR傳感器簡單的設(shè)置，可以有效而可靠地檢測車輛的存在。圖5是簡單的車輛檢測電路，HMC1021電橋上采用5V供電，增益為200，10kΩ的電位器用于電橋補償和修整地球磁場偏置，當(dāng)傳感器電橋的外加磁場為地球磁場時（地一般在0.5Gauss左右），通過10 kΩ電位器將放大器輸出設(shè)置為2.5V。正確選擇R7、R8、R9、R10的值，可以調(diào)整傳感器輸出范圍。HMC1021也可用其它HMC10xx系列傳感器代替，只是靈敏度不同，HMC1021規(guī)定的靈敏度為1mV/V/Gauss。對于實際使用中，若HMC1021磁阻傳感器測量的磁場范圍超出±6Gauss，傳感器就不能很好的保持線性輸出，它的靈敏度也會隨之降低，此時就不能用它來檢測極弱的磁場，一旦出現(xiàn)這種情況，可用脈沖電路施加到SET/RESET電流帶來恢復(fù)其原來的靈敏度。

　　實驗利用微控制器D0口每隔10s送出一個1ms低電平，通過IRF7509（一個N溝道和一個P溝道集成的MOS管芯片）和外接電容產(chǎn)生設(shè)置/重置脈沖，對傳感器進(jìn)行設(shè)置/重置。圖5中只給出單軸電路，對于需要精確測量車子存在和方向的可按照上圖鋪設(shè)出完全一樣的電路來檢測。對于車輛方向和存在進(jìn)行測定的實驗設(shè)置，三軸磁傳感器安放在地面，東-西方向放置，X、Y、Z軸方向定義如圖6所示。

　　在這個實驗中，一輛轎車從磁傳感器上方正中央沿東-西方向開過。原點代表轎車車頭剛好到達(dá)傳感器位置。X、Y、Z 三軸輸出曲線分別如圖7所示。

　　從實驗數(shù)據(jù)可以看出，當(dāng)車頭離傳感器有一定距離時，傳感器的各輸出軸幾乎不會發(fā)生變化，車輛漸漸靠近傳感器時，車輛的附近的地磁場朝車子方向發(fā)生了偏移，此時，X軸為傳感器靈敏軸，X軸的輸出有了較明顯變化變化，當(dāng)車輛的前輪軸通過傳感器上方時，車輛的車輪（含有鐵鎳合金）對地磁場有較大的影響，此時，Y軸為靈敏軸，Y軸的輸出變化最大。車輛繼續(xù)前行，當(dāng)傳感器的位置位于車輛的發(fā)動機(jī)下方時，由于發(fā)動機(jī)對附近磁場有較大影響，此時，X軸、Z軸為傳感器靈敏軸，X、Z軸輸出變化最大。當(dāng)車輛的后輪到達(dá)傳感器位置時，Y軸輸出又有了較大變化。當(dāng)車子快離開傳感器時，X軸、Z軸輸出有了較大變化，這是因為車輛的后備箱里面有裝備用胎，對X、Z方向的磁場造成一定的干擾。當(dāng)車輛遠(yuǎn)離開傳感器上方時，各軸輸出回復(fù)到原來的狀態(tài)。

　　四、結(jié)論

　　從實驗數(shù)據(jù)中可以看出，汽車位置變化可以引起地磁場的變化，當(dāng)傳感器上方有車子時，傳感器周圍穩(wěn)定的地磁場分布收到了擾動，這個擾動可以被傳感器確定的撲捉到，傳感器輸出變化明顯，可以此檢測出特定車位上車輛的到位其情況。是一種實用的車輛檢測傳感器。它具有不容易受溫度變化及風(fēng)雪天氣干擾等的優(yōu)點。在智能化交通系統(tǒng)和相關(guān)應(yīng)用中，地磁車輛檢測必將以器性能可靠，安裝方便，價格經(jīng)濟(jì)等優(yōu)勢取代目前普遍使用的車輛檢測產(chǎn)品。