地磁检测器车辆检测波形分析

杨成材 王兵 陈婉 王传印， 史燮杏

（1.新疆大学，新疆 乌鲁木齐 830047；2.新疆正阳交通规划设计研究所，新疆 乌鲁木齐 830000）

本研究采用的是各向异性磁阻传感器，其为车辆检测系统的重要组成部分，具有很高的灵敏度，在地球磁场这样的背景磁场下，不仅可以检测到地磁场的微弱变化，还可以检测出磁场的方向和强度，该传感器利用了镍铁导磁合金的磁阻效应，即电流与磁化方向平行时电阻最大，电流与磁化方向垂直时电阻最小，其阻值随着磁场矢量变化而改变。磁场的变化通过磁阻式电阻的变换可以转换为差分电压的形式输出，利用相关设备，就可以检测到车辆通过传感器时地磁场的变化情况。

目前已有的大量分析侧重于证实各向异性磁阻传感器在检测车辆方面的合理性，一些算法只是给出了地磁场静态扰动方面的解析，对于地磁场的动态变化，由于影响因素众多，还不能提供完善的理论支撑，其中大部分的研究是从后期数据处理和算法的合理性入手，为检测系统的实际应用给予指导。为此，本文针对相关地磁传感器已取得的研究成果为基础，将车辆通过三轴各向异性磁阻传感器时的波形作为研究对象，分析车辆通过不同非铁磁介质时三维地磁场的扰动特性。已有的试验结果表明，每当车辆从传感器上方经过时，Y轴和Z轴曲线扰动不如X轴明显，曲线最大的波动发生在传动轴和发动机从传感器上方通过的时刻。因此，本文仅分析X轴方向的变化特征。

1 测试条件的准备

（1）各向异性磁阻传感器。各向异性磁阻传感器能为智能交通系统提供多种交通流状态信息，具有小型轻便、安装容易、不易损坏、信息丰富、检测灵敏度高、可检测参数多、双传感器测量方式精确度高等特点，且可用于动静态车辆检测等。实际应用中还可用来检测干扰地磁的含铁磁物体，如对飞机、火车或机动车的检测等。在机动车的检测中包括：车辆分类、车辆方向和车辆存在性、车辆速度检测等。

（2）测试平台。车辆各部件主要由铁磁物质构成，理论研究中可以将其简化为双极性磁铁的模型。当车辆进入地磁场时，其周围的磁场因为车辆自身磁场与地磁场相互作用而产生有规律的变化 。因此，为使测试达到预期效果，对测试平台进行了详细设计，考虑车辆行驶的实际需要，在平台上设计出合适的导轨槽，并且打出相应的孔以便于传感器的安放，在测试车辆的底部加装合适的钢板，使磁场扰动更易检测，同时对各元件之间的连线及走线方式进行合理布置。尽量减少外界干扰，使实验平台到最优状态。

（3）示波器状态调整。示波器是用来对电路中电压或电流的波动情况进行测量的工具，它能实时地反应器件的工作情况。在分析中通常是用它来测量输入与输出的波形，由观察者进行分析研究。本实验中车辆通过传感器时需要注意以下设置：由于检测系统利用的是地磁原理，测量时，不要把仪表放置在附近有强磁场的地方使用；合理的设置探头衰减系数，在此实验中将探头上的开关和探头菜单中的衰减系数设定为1x；合理协调示波器的各个参数，在此需要设置“Volt/div（伏/格）”垂直档位和“s/div（秒/格）”水平档位，调节波形的显示幅度和水平扫描速度，垂直档位为1.0V，水平档位为200.0ms；满足以上条件可得到预期的波形。

2 测试实验

测试中采用控制变量法，改变车辆底盘与传感器之间的介质来验证不同介质对检测结果的影响能力。介质分别采用冰、雪、空气、亚克力板（冰、雪、板均为直径120mm，高度20mm的柱体）；采用冰和雪模拟实际道路的状况，亚克力板作为中间参考量，利用空气进行参照对比；当车辆通过介质后，保存一个周期的波形信息，并通过缩放一定的比例后采用描点法绘出波形特征，分别对冰、雪、空气、亚克力板采样十组波形，以同样的方法把各组得到的十组波形聚合为一条特征曲线。图1所示为四种介质的波形聚合图。

3 聚合分析

地球自带0.5G～0.6G的磁场强度，由于环境、设备等因素的影响，采样得到的地磁信号主要由三部分叠加而成：地球磁场背景信号、干扰磁场信号和车辆通过时对磁场的扰动信号等。因此即使同一介质在相同条件下采集到的波形也不完全相同，采用适当的方法将四组曲线聚合为四条曲线进行分析。把磁场开始扰动时作为坐标原点，车辆经过后磁场恢复，在此期间采样一个周期的波形，由图1可知各组波形幅值略有差异但总体走势相同；如图1所示，各组的采样波形聚合为四条曲线且用不同颜色表示。对以上图中的各组波形幅值统计可得冰（6.5mm）、雪（6.8mm）、空气（7.2mm）、亚克力板（6.9mm），在一定范围内各介质存在合理的测试误差。对上述波形以及数据处理得到车辆通过传感器时的具体参数信息。实验结果表明，针对上述介质采集到的波形达到了预期效果，经分析可得非铁磁介质的适量存在不会影响传感器的正常工作。

结语

本文针对各向异性磁阻传感器的实际应用前景，完成了车辆经过不同非铁磁介质的测试实验，经过波形对比分析和实时数据统计，充分论证了所用介质对传感器的影响程度；在进一步的研究中还需要增加铁磁介质的种类，以便于对相关传感器进行更全面的技术测试。在广泛实验的基础上，分析相关特征量的典型值，进一步提高车辆检测的精确性。

[1]何志强，等.基于地磁传感器的车辆检测算法[J].科学技术与工程，2014，14（15）：203-206.

[2]马飞，等.基于各向异性磁阻传感器的车辆监测系统设计[J].微型机与应用，2011，30（05）：118-120.