智能磁传感器和基于智能磁传感器的车辆检测方法

文档序号:9348972
智能磁传感器和基于智能磁传感器的车辆检测方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及弱磁场测量技术领域,具体涉及一种智能磁传感器,用于该智能磁传感器的探头、以及基于该智能磁传感器的车辆检测方法。
【背景技术】
[0002]本发明属于弱磁场测量技术领域,本发明涉及一种智能弱磁磁场探测传感器和一种缓变和瞬变磁场探测方法,具体涉及一种巨磁阻抗非晶丝传感器以及一种基于非晶丝巨磁磁阻抗效应的可用于车辆检测、铁磁性工程结构物应力检测,钢绞线断丝检测等领域的磁传感器。
[0003]现阶段,新型传感器逐渐向着微型化、数字化、智能化、多功能化、系统化、网络化方向发展,它不仅促进了传统产业的改造,而且可能导致建立新型工业,是21世纪新的经济增长点。
[0004]但是,目前已有的利用非晶丝磁阻抗技术的磁阻抗传感器存在许多问题,例如,使用脉冲信号作为激励信号,这种信号对电路存在冲击,噪音大,可选激励信号波形种类有限。而且,现有技术的非晶丝磁阻抗传感器通过对缠绕在非晶丝上的线圈通电而对非晶丝施加偏置磁场,这种偏置磁场会对测量磁场产生影响,由于这种偏置磁场施加于非晶丝的轴向,会阻止环形磁畴的圆周方向磁化,在一定程度上阻碍了磁场测量灵敏度的提高,削弱了非晶丝的磁阻抗效应。此外,为了对采样信号进行放大,通常会在信号处理电路中设置放大电路,这不仅增加了电路的复杂性和传感器的成本,而且放大效果也不理想。
[0005]现有的在智能交通中,地球磁场范围内的磁感应技术也得到充分的应用,这些都应用侧重于在地磁场环境下的车辆检测。当车辆接近磁传感车辆检测器检测区域时,检测区域的磁力线受挤压而集合,当车辆将要通过检测区域时,检测区域的磁力线进一步收缩,当车辆通过检测区域时,磁力线受牵拉而沿中心发散。利用这些特点传感器可以捕捉车辆接近、通过或远离,从而实现对车辆的实时检测。
[0006]CN200810181901X中公开了一种微磁传感器,利用非晶丝的磁阻效应和电磁关系原理,将磁场信息转变成电讯号进行测量,但传感器通过次敏感器件的偏置电流和激励电流共同起作用,而偏置电流能够产生较高的温飘从而影响检测结果。
[0007]CN201110055819公开了一种交通信息检测系统,其中图钉结构传感器是利用磁敏感材料-非晶丝的据此阻抗变化来检测车辆通过时其扰动地磁场的变化,动态参数采用脉冲供电形式,由此产生的问题为功耗较大,功率较小,且通过脉冲供电形式进行参数采集在实施过程中并不准确,由于峰值持续时间小,而设备启动需要有时间差,因此无法精确采集到峰值,并且检测距离较短,由此需用传感器的数量较多,耗费大量成本。
[0008]因此,研制一种智能化的高精度磁传感器,就成为了现在工程应用中的焦点之一,而针对弱磁检测领域,本发明提到的巨磁阻抗智能磁敏传感器可以有效适应弱磁场检测。

【发明内容】

[0009]磁传感器就是把磁场、电流、应力应变、温度、光等引起敏感元件磁性能的变化转换成电信号,以这种方式来检测相应物理量的器件。在磁场检测中,由于磁场的面积、体积、缝隙大小等都是有限面积(尺寸),因此我们希望磁敏元件之面积与被测磁场面积相比也应该是越小越准确。在磁场成像的技术中,元件体积越小,在相同的面积内采集的像素就愈多。分辨率、清晰度越高。在表面磁场测量与多级磁体的检测中,在磁栅尺中,必然有如此要求。从磁敏元件工作机理看,为提高灵敏度在几何形状处于磁场中的几何尺寸都有相应要求。
[0010]磁场测量在生产科研各领域是一个重要问题。随着微电子技术的迅速发展,在国防、汽车电子、机器人技术、生物工程、自动化控制等领域需要一些微型或小型的、高性能、高灵敏度且响应速度快的磁场传感器来检测相关参数,例如磁场信息、转速、位移等等。目前,常规的磁场传感器有:霍尔效应(Hal I)磁场传感器、各向异性磁电阻(AMR)磁场传感器、巨磁电阻(GMR)磁场传感器、磁通门(Fluxgate)传感器等等。但是,上述磁场传感器都有一定的缺陷。例如,霍尔效应磁场传感器虽然是目前应用最为广泛的磁场传感器,但其输出信号变化小,灵敏度低,测量磁场时还有一定的磁场方向各向异性,适用于中强磁场测量;各向异性磁电阻(AMR)磁场传感器的磁阻变化率大小只有2% _4%,其磁场灵敏度小于1% /0e,制造设备复杂;巨磁电阻(GMR)传感器的磁阻变化率虽然可以达到80%以上,可获得较高信号输出,但其磁场灵敏度仍然较低;磁通门传感器对线圈绕制的要求特别精确,信号处理要求较高。而且上述传感器的电路太过复杂,成本较高。在较高要求的应用领域中,尤其在智能交通、水陆交通流量监测、车型与船型检测、车辆间隔与车速检测、车位及泊位检测与引导等通过探测磁场扰动的变化实现报警与信息监控的场合、公共安全防范、隐蔽性周界的建立、航空、航天、航海领域等场合下,上述磁场传感器由于磁场探测分辨率低、探测距离近、响应速度慢、体积大、功耗高、温度稳定性差、方向性差、布线繁琐、或维护困难而不能满足实际应用对微弱磁场快速测定的要求。
[0011]巨磁磁阻抗效应是指材料在高频交变电流的激励下,交流阻抗随外加磁场强度的变化而迅速变化的现象。高精度、高性能的传感器制备要以质量优异、性能卓越的传感器材料为基础,非晶态材料是目前发现的微磁敏感性能最好的材料之一,在巨磁阻抗传感器的应用中具有得天独厚的优势。
[0012]非晶丝磁阻抗传感器的工作原理是:利用非晶丝的磁阻抗效应,通过对非晶丝施以一定频率的激励,使非晶丝成为磁阻抗变化的载体。当外部磁场发生变化时,非晶丝的磁阻抗也随之变化,绕在非晶丝上的信号采样线圈随即感应出相应的电压信号。由此,该电压信号就与此时外部磁场的强弱形成了明确的对应关系。通过测量此电压信号,就可以测量外部磁场的强弱和大小。
[0013]在上述现有技术的基础上,本发明提出了智能磁传感器的技术方案,该技术方案可以广泛的适用于各类高精度的磁场检测应用中,例如地磁场扰动等等。本发明提出了以下的具体技术方案:
[0014]一种智能磁传感器,包括MCU电路、GMI检测单元、补偿电路、检测电路和管理电路;所述GMI检测单元与所述补偿电路、检测电路连接,所述管理电路分别与所述补偿电路、检测电路、MCU电路连接;其特征在于:所述GMI检测单元用于检测磁信号,所述补偿电路用于对GMI检测单元所检测到的磁信号进行磁补偿,所述检测电路用于检测出所述GMI检测单元所处的环境磁场;
[0015]所述管理电路用于GMI检测单元所检测出的磁信号的放大处理,并对补偿电路和检测电路进行管理;所述MCU电路用于控制管理电路,实现管理电路对所述GMI检测单元、补偿电路和检测电路的管理控制。
[0016]优选的,所述GMI检测单元进一步包括:测头单元、电源输入模块、保护接地模块、信号输出模块;所述GMI检测单元,用于实现对缓变或瞬变磁场的信号探测;其中,所述测头单元,用于感测当前的缓变或瞬变磁环境、并获取对应的磁信号。
[0017]优选的,所述测头单元包括非晶丝焊盘、导体焊盘、导线、非晶丝、绕线轴和骨架,所述测头单元采用MEMS工艺封装。
[0018]优选的,所述非晶丝对称通过绕线轴中心与非晶丝焊盘焊接;所述导线缠绕在绕线轴上构成激励线圈和检测线圈,并与导体焊盘焊接。
[0019]优选的,所述导线为金属导线,所述金属优选为铜、铝或银;所述骨架设置成哑铃、矩形或者菱形的形状,制造材料优选为LCP材料。
[0020]优选的,所述检测电路包括磁异常检出电路、磁检出线圈、检出放大电路、温度补偿电路;所述磁异常检出电路与磁检出线圈连接,以检测磁场变化;所述温度补偿电路与磁异常检出电路连接,并根据磁异常检出电路的输出进行温度补偿,并将补偿量反馈给磁异常检出电路;温度补偿电路将温度补偿后的输出值输出给检出放大电路,所述检出放大电路将放大后的检出值传输给补偿电路。
[0021 ] 优选的,所述补偿电路包括磁补偿线圈、磁共振驱动电路、激励振荡器;所述磁补偿线圈设置在非晶丝外侧,所述非晶丝分别与磁共振驱动电路、激励振荡器连接,所述激励振荡器与所述磁共振驱动电路连接。
[0022]优选的,所述磁补偿线圈、磁检出线圈分别串接一电容器,以隔离直流电流或交流电流。
[0023]优选的,所述非晶丝采用Co-Fe-M-S1-B非晶丝材料制成,所述非晶丝外层包覆一层玻璃。
[0024]优选的,所述非晶丝采用Co-Fe-M-S1-B非晶丝材料,其响应速度小于10纳秒,灵敏度高(满量程输出100mV左右)、长度小于5毫米,直径范围为:30微米-100微米。
[0025]本发明还提供了一种磁传感器探头,所述探头包括非晶丝焊盘、导体焊盘、导线、非晶丝、绕线轴和骨架;其特征在于:所述骨架中间段设置为绕线轴,骨架两端分别设置有端头,所述绕线轴截面积小于端头截面积;在所述
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