D0I:10.13374/j.issnl00I53.2006.06.017 第28卷第6期 北京科技大学学报 Vol.28 No.6 2006年6月 Journal of University of Science and Technology Beijing Jun.2006 各向异性磁阻传感器在车辆探测中的应用 李希胜）于广华) 1)北京科技大学信息工程学院，北京1000832)北京科技大学材料科学与工程学院，北京100083 摘要研制了一种基于各向异性磁阻(AMR)传感器的车辆探测器.该车辆探测器由三维AMR 传感器及相应的信号处理电路组成：当车辆驶过探测器上方时，车辆的存在将会引起周围磁场的 变化，三维AMR传感器输出将发生相应的变化，根据AMR传感器的输出可判断周围空间内车辆 的存在与否·对该探测器的特性进行了实验研究.实验结果表明：当车辆分别沿南北向、东西向通 过AMR传感器上方时，传感器输出变化规律不同：该探测器可实现车辆探测. 关键词各向异性磁阻传感器：车辆探测器：磁阻；地磁场 分类号TP211.13 近年来，随着经济的发展，机动车辆数量持续 过时，可以感知由于车辆的存在所起的周围局 快速增加.城市及其郊区的公路交通设施受到日 部空间地磁场的变化，然后输出一个车辆运动情 益增加的压力，堵车现象变得司空见惯，为了缓 况的指示，用磁阻传感器制成的车辆探测器外形 解这方面的压力，一方面要修建更多的布局合理 小巧且不易变形，这使安装变得简单，而且维修起 的道路，另一方面应实施有效的交通管理监控， 来也很方便.Kang等人采用单轴AMR传感器进 公路交通监控的目的是通过合理地调整交通流量 行车辆探测的实验研究，实验过程中车辆从AMR 以提高道路的输送能力1-2)] 传感器的上方通过山.因为实验过程中仅使用单 车辆探测器是交通运输管理系统中最基本的 轴AMR传感器，提供信息量有限，不利于实验研 要素之一，它通过道路上移动的车辆来搜集诸如 究的开展，另外Kang等人也未对车辆沿不同方 交通流量、道路占用率和汽车速度之类的交通信 向行驶时的影响加以研究，Honeywell公司的 息，传统的车辆探测是通过在路面上铺设感应线 Caruso等人采用三轴及单轴AMR传感器进行车 圈传感器，这种方法有以下缺点：(1)线圈在安装 辆探测的实验研究，实验过程中车辆从AMR传 或维护时必须直接埋入车道，这样交通会受到阻 感器的侧面通过③]，这种方式的优点是安装、维 碍；(2)埋置线圈的切缝软化了路面，容易使路面 护方便，传感器可直接安装在路边，但当多个车 受损：（③）工程施工时，出于无意或因施工需要切 道同时有车辆通过时，因信号混杂在一起，无法区 断线圈的情况也会发生，结果常常使线圈无法正 分，将出现漏检，另外距传感器较远的车道上通 常使用；(4)感应线圈易受到冰冻、盐碱或繁忙交 过的大型车辆和距传感器较近的车道上的小型车 通的影响；(5)感应线圈寿命短，一般为2a,之后 辆所引起的传感器输出变化相当，不利于进一步 要破坏路面，重新铺设等，其他传感器如超声波 开展车辆分类研究· 传感器容易受环境的影响，当风速6级以上时，反 本文对采用三轴AMR传感器的地磁场探测 射波产生漂移而无法正常检测；探头下方通过的 器在车辆探测中的应用进行了研究·为了实现多 人或物也会产生反射波，造成误检；红外传感器工 车道车辆探测，避免各车道之间的相互影响，选择 作现场的灰尘、冰雾会影响系统的正常工作，近 了车辆从AMR传感器的上方通过的方式，为了 年来，国外开展了基于磁阻传感器的地磁场探测 获取车辆通过AMR传感器上方时地磁场畸变的 器在车辆探测中的应用研究13]，这种探测器以 更加详尽的信息，采用三轴AMR传感器进行车 磁阻传感器作为敏感元件，车辆从传感器附近驶 辆探测，另外，考虑到车辆行驶方向的影响，对车 收稿日期：2005-09-26修回日期：2006-03-02 辆沿南北向和东西向通过AMR传感器上方的情 基金项目：国家自然科学基金资助项目(Na,60574090) 况分别进行了测试，采用铁磁材质的小车模拟车 作者简介：李希胜(1969一)，男，副教授，博士 辆，对该探测器的特性进行了实验研究，实验结
各向异性磁阻传感器在车辆探测中的应用 李希胜1） 于广华2） 1） 北京科技大学信息工程学院北京100083 2） 北京科技大学材料科学与工程学院北京100083 摘 要 研制了一种基于各向异性磁阻（AMR）传感器的车辆探测器．该车辆探测器由三维 AMR 传感器及相应的信号处理电路组成．当车辆驶过探测器上方时车辆的存在将会引起周围磁场的 变化三维 AMR 传感器输出将发生相应的变化根据 AMR 传感器的输出可判断周围空间内车辆 的存在与否．对该探测器的特性进行了实验研究．实验结果表明：当车辆分别沿南北向、东西向通 过 AMR 传感器上方时传感器输出变化规律不同；该探测器可实现车辆探测． 关键词 各向异性磁阻传感器；车辆探测器；磁阻；地磁场 分类号 TP211∙13 收稿日期：20050926 修回日期：20060302 基金项目：国家自然科学基金资助项目（No．60574090） 作者简介：李希胜（1969—）男副教授博士 近年来随着经济的发展机动车辆数量持续 快速增加．城市及其郊区的公路交通设施受到日 益增加的压力堵车现象变得司空见惯．为了缓 解这方面的压力一方面要修建更多的布局合理 的道路另一方面应实施有效的交通管理监控． 公路交通监控的目的是通过合理地调整交通流量 以提高道路的输送能力［12］． 车辆探测器是交通运输管理系统中最基本的 要素之一它通过道路上移动的车辆来搜集诸如 交通流量、道路占用率和汽车速度之类的交通信 息．传统的车辆探测是通过在路面上铺设感应线 圈传感器．这种方法有以下缺点：（1）线圈在安装 或维护时必须直接埋入车道这样交通会受到阻 碍；（2）埋置线圈的切缝软化了路面容易使路面 受损；（3）工程施工时出于无意或因施工需要切 断线圈的情况也会发生结果常常使线圈无法正 常使用；（4）感应线圈易受到冰冻、盐碱或繁忙交 通的影响；（5）感应线圈寿命短一般为2a之后 要破坏路面重新铺设等．其他传感器如超声波 传感器容易受环境的影响当风速6级以上时反 射波产生漂移而无法正常检测；探头下方通过的 人或物也会产生反射波造成误检；红外传感器工 作现场的灰尘、冰雾会影响系统的正常工作．近 年来国外开展了基于磁阻传感器的地磁场探测 器在车辆探测中的应用研究［13］．这种探测器以 磁阻传感器作为敏感元件车辆从传感器附近驶 过时可以感知由于车辆的存在所引起的周围局 部空间地磁场的变化然后输出一个车辆运动情 况的指示．用磁阻传感器制成的车辆探测器外形 小巧且不易变形这使安装变得简单而且维修起 来也很方便．Kang 等人采用单轴 AMR 传感器进 行车辆探测的实验研究实验过程中车辆从 AMR 传感器的上方通过［1］．因为实验过程中仅使用单 轴 AMR 传感器提供信息量有限不利于实验研 究的开展．另外 Kang 等人也未对车辆沿不同方 向行驶时的影响加以研究．Honeywell 公司的 Caruso 等人采用三轴及单轴 AMR 传感器进行车 辆探测的实验研究实验过程中车辆从 AMR 传 感器的侧面通过［3］．这种方式的优点是安装、维 护方便传感器可直接安装在路边．但当多个车 道同时有车辆通过时因信号混杂在一起无法区 分将出现漏检．另外距传感器较远的车道上通 过的大型车辆和距传感器较近的车道上的小型车 辆所引起的传感器输出变化相当不利于进一步 开展车辆分类研究． 本文对采用三轴 AMR 传感器的地磁场探测 器在车辆探测中的应用进行了研究．为了实现多 车道车辆探测避免各车道之间的相互影响选择 了车辆从 AMR 传感器的上方通过的方式．为了 获取车辆通过 AMR 传感器上方时地磁场畸变的 更加详尽的信息采用三轴 AMR 传感器进行车 辆探测．另外考虑到车辆行驶方向的影响对车 辆沿南北向和东西向通过 AMR 传感器上方的情 况分别进行了测试．采用铁磁材质的小车模拟车 辆对该探测器的特性进行了实验研究．实验结 第28卷 第6期 2006年 6月 北 京 科 技 大 学 学 报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol．28No．6 Jun．2006 DOI:10．13374／j．issn1001－053x．2006．06．017
.588 北京科技大学学报 2006年第6期 果表明，该探测器可实现车辆探测，当车辆分别 膜加工成线宽为30m的磁电阻传感元件，将上 沿南北向、东西向通过AMR传感器上方时，传感 述元件进行封装、引线处理，即可得到AMR传感 器输出变化规律不同， 器芯片·实验装置由被测车辆、车辆探测器和计 1AMR传感器及车辆探测 算机等几部分组成， 实验用车辆探测器由三轴AMR传感器、 AMR传感器是利用铁磁材料坡莫合金的各 AMR传感器置位/复位控制电路、信号调理电路 向异性磁电阻效应制作的，能够测量沿传感器敏 及微处理器等几个部分组成，如图2所示，其中， 感轴方向的磁场的大小.这种传感器具有体积 三轴AMR传感器采用北京科技大学自行研制的 小、功耗低、灵敏度高、可靠性高、温度稳定性好、 AMR传感器芯片. 耐恶劣环境能力强、工作频带宽、易于与后续处理 -轴AMR 分满 带有ADC 电路匹配以及便于安装等优点[4]. 传感器 甲巾路 的微处理器 用于弱磁场测量的磁阻传感器的内部结构是 传感器位置/ 复位控制电路 一个惠斯通电桥，如图1所示，外部磁场强度（矢 量)的变化会引起四个桥臂的阻值发生相应的变 图2三轴磁传感器电路框图 化，电桥的差动输出也随之发生变化.在一定范 Fig.2 Block diagram of 3-axis magnetic sensor circuit 围内，电桥的差动输出与外部的磁场强度变化近 磁阻传感器在使用过程中，其精度、灵敏度会 似成线性关系， 受到外部磁场影响，如果外部磁场强度超出一定 范围，会导致磁阻传感器的灵敏度下降.为了解 决上述问题，新型的磁阻传感器芯片内部设有专 用的电流带，采用置位/复位功能来恢复磁阻传感 器性能，AMR传感器置位/复位控制电路通过产 生脉冲电流，使传感器内部磁畴复位，从而恢复传 GND 感器灵敏度.另外，采用置位/复位功能还可以解 决传感器桥路失调及其漂移 图1各向异性磁阻传感器的内部结构 信号调理电路主要由放大电路和同步积分电 Fig.1 Internal structure of AMR sensor 路组成，在测量过程中，磁阻传感器输出信号近 在一个不太大的范围内，地磁场基本上是均 于直流.若不经过变换处理，此类信号的检测必 匀的，大约为0.5×10-4~0.6×10-4T.大的铁 须采用直流放大器，采用直流放大器时，漂移及 磁物体的磁扰动，如一辆汽车，可看作多个双极性 1/∫噪声将是影响测量精度的重要因素，在直流 磁铁组成的模型，这些双极性磁铁的综合影响是 背景信号和漂移信号较强的情况下，采用直流放 对地球磁场磁力线的扭曲和畸变，利用磁传感器 大器无法完成检测任务，在这种情况下，就需要 检测由于车辆干扰所引起的地磁场的变化，就可 首先通过斩波调制将直流信号变换为交流信号， 以实现车辆探测，3) 再进行交流放大和处理，以此来消除直流背景信 号和漂移信号的影响[68].针对本文的具体情况， 采用合适频率的传感器置位/复位信号将磁阻传 2 AMR材料制备及实验装置 感器的输出信号变换为交流信号，后续的信号调 理电路则配以交流放大和同步积分电路，通过以 本实验所用AMR材料的制备是在磁控溅射 上技术措施，保证了信号调理电路具有较强的干 仪中实现的，首先将单晶硅基片用有机化学溶剂 扰抑制能力，解决了外来电磁干扰和电路中寄生 和去离子水超声清洗，然后装入溅射室样品基座 热电势问题， 上，基片用循环水冷却，平行于基片方向加有 微处理器采用了TI公司的带有8通道24位 0.015~0.025T的磁场.溅射室本底真空3× 模数转换器的微处理器芯片MSC1210,并以此为 10-5Pa,在溅射时氩气（纯度为99.99%）压力为 核心组成相关数字信号处理电路.在软件配合 0.5Pa条件下依次沉积Ta(6nm)/Ni81Fe19(30nm)/ 下，该部分电路完成对经过信号调理的三轴AMR Ta(6nm);然后通过一般的半导体加工工艺将薄 传感器输出信号进行采样、转换、处理、存储，并能
果表明该探测器可实现车辆探测．当车辆分别 沿南北向、东西向通过 AMR 传感器上方时传感 器输出变化规律不同． 1 AMR 传感器及车辆探测 AMR 传感器是利用铁磁材料坡莫合金的各 向异性磁电阻效应制作的能够测量沿传感器敏 感轴方向的磁场的大小．这种传感器具有体积 小、功耗低、灵敏度高、可靠性高、温度稳定性好、 耐恶劣环境能力强、工作频带宽、易于与后续处理 电路匹配以及便于安装等优点［45］． 用于弱磁场测量的磁阻传感器的内部结构是 一个惠斯通电桥如图1所示．外部磁场强度（矢 量）的变化会引起四个桥臂的阻值发生相应的变 化电桥的差动输出也随之发生变化．在一定范 围内电桥的差动输出与外部的磁场强度变化近 似成线性关系． 图1 各向异性磁阻传感器的内部结构 Fig．1 Internal structure of AMR sensor 在一个不太大的范围内地磁场基本上是均 匀的大约为0∙5×10—4～0∙6×10—4 T．大的铁 磁物体的磁扰动如一辆汽车可看作多个双极性 磁铁组成的模型．这些双极性磁铁的综合影响是 对地球磁场磁力线的扭曲和畸变．利用磁传感器 检测由于车辆干扰所引起的地磁场的变化就可 以实现车辆探测［13］． 2 AMR 材料制备及实验装置 本实验所用 AMR 材料的制备是在磁控溅射 仪中实现的．首先将单晶硅基片用有机化学溶剂 和去离子水超声清洗然后装入溅射室样品基座 上．基片用循环水冷却平行于基片方向加有 0∙015～0∙025T 的磁场．溅射室本底真空3× 10—5Pa在溅射时氩气（纯度为99∙99％）压力为 0∙5Pa条件下依次沉积 Ta（6nm）／Ni81Fe19（30nm）／ Ta（6nm）；然后通过一般的半导体加工工艺将薄 膜加工成线宽为30μm 的磁电阻传感元件．将上 述元件进行封装、引线处理即可得到 AMR 传感 器芯片．实验装置由被测车辆、车辆探测器和计 算机等几部分组成． 实验用车辆探测器由三轴 AMR 传感器、 AMR 传感器置位／复位控制电路、信号调理电路 及微处理器等几个部分组成如图2所示．其中 三轴 AMR 传感器采用北京科技大学自行研制的 AMR 传感器芯片． 图2 三轴磁传感器电路框图 Fig．2 Block diagram of3-axis magnetic sensor circuit 磁阻传感器在使用过程中其精度、灵敏度会 受到外部磁场影响．如果外部磁场强度超出一定 范围会导致磁阻传感器的灵敏度下降．为了解 决上述问题新型的磁阻传感器芯片内部设有专 用的电流带采用置位／复位功能来恢复磁阻传感 器性能．AMR 传感器置位／复位控制电路通过产 生脉冲电流使传感器内部磁畴复位从而恢复传 感器灵敏度．另外采用置位／复位功能还可以解 决传感器桥路失调及其漂移． 信号调理电路主要由放大电路和同步积分电 路组成．在测量过程中磁阻传感器输出信号近 于直流．若不经过变换处理此类信号的检测必 须采用直流放大器．采用直流放大器时漂移及 1／f 噪声将是影响测量精度的重要因素．在直流 背景信号和漂移信号较强的情况下采用直流放 大器无法完成检测任务．在这种情况下就需要 首先通过斩波调制将直流信号变换为交流信号 再进行交流放大和处理以此来消除直流背景信 号和漂移信号的影响［68］．针对本文的具体情况 采用合适频率的传感器置位／复位信号将磁阻传 感器的输出信号变换为交流信号．后续的信号调 理电路则配以交流放大和同步积分电路．通过以 上技术措施保证了信号调理电路具有较强的干 扰抑制能力解决了外来电磁干扰和电路中寄生 热电势问题． 微处理器采用了 TI 公司的带有8通道24位 模数转换器的微处理器芯片 MSC1210并以此为 核心组成相关数字信号处理电路．在软件配合 下该部分电路完成对经过信号调理的三轴 AMR 传感器输出信号进行采样、转换、处理、存储并能 ·588· 北 京 科 技 大 学 学 报 2006年第6期
Vol.28 No.6 李希胜等：各向异性磁阻传感器在车辆探测中的应用 .589 通过RS232接口接收来自上位机的命令和向上 三维AMR传感器时x敏感轴沿南北方向，y敏 位机发送数据，实验中，采用铁磁材质的小车来 感轴沿东西方向，z敏感轴沿竖直方向，其中， 模拟被测车辆.该小车为安装有4个车轮的钢 图3(a)为小车沿x敏感轴方向运动时的情况， 板，钢板尺寸为500mm×340mm×10mm,钢板 图3(b)为小车沿y敏感轴方向运动时的情况 底面距地面高度125mm, 图中横轴为小车位移，纵轴为三维AMR传感器 3AMR传感器的实验测试分析 的相对输出，即假定在没有小车干扰时输出为零. 从图3可以看出，当钢铁材质的小车靠近三维 图3所示的是当一个铁磁材质的小车通过三 AMR传感器时，传感器输出均发生较为明显的 轴AMR传感器上方时传感器输出的变化，放置 变化 (a) 20 (b) 10 10 -10 -10 205 0 202 0 位移m 位移m 图3当铁磁材质小车通过AMR传感器上方时传感器输出变化·()南北向：(b)东西向 Fig.3 Output changes of AMR sensor while a ferrous dolly moves over the sensor in different directions:(a)south-north;(b)east-west 在图3(a)中，规定小车处于传感器南侧时位 小车由南往北逐渐靠近AMR传感器时，传感器 移d为负，当处于传感器正上方时位移d为零， z敏感轴输出与x敏感轴输出变化规律类似.即 当处于传感器北侧时位移d为正，从图中可以看 首先增大，在位移处于-0.3~-0.1m之间时达 出，当小车沿三维AMR传感器的x敏感轴方向 到最大值，在无小车干扰时的输出值基础上增加 移动时，如果小车和AMR传感器之间距离较大 约1.7×10-5T;随后快速减小，在位移为0.2m (|d>1m),小车的存在对AMR传感器输出影 处达到最小值，在无小车干扰时的输出值基础上 响不大，小车在上述区域由南往北或由北往南移 减小约1.2×10-5T;然后逐渐增大，在位移约为 动时，AMR传感器的输出均无明显变化，当小车 0.6m处基本恢复到无小车干扰时水平，随着小 靠近AMR传感器(d<1m)时，传感器输出变 车远离AMR传感器，小车的影响越来越小，当小 化明显，当小车由南往北逐渐靠近AMR传感器 车由北往南运动时，在距传感器相同位置处，传感 时，传感器x敏感轴输出先是增大，在位移约为 器输出与由南往北时相同， 一0.3m处达到最大值，在无小车干扰时的输出 在图3(b)中，规定小车处于传感器东侧时位 值基础上增加约1.9×10-5T;随后快速减小，在 移d为负，当处于传感器正上方时位移d为零， 位移约为一0.2m处减小到无小车干扰时的输出 当处于传感器西侧时位移d为正，从图中可以看 水平后继续减小，一直减小到在位移约为0m处 出，当小车沿三维AMR传感器的y敏感轴方向 达到最小值，在无小车干扰时的输出值的基础上 移动时，如果小车和AMR传感器之间距离较大 减小约1.8×10-5T;然后增大，随着小车远离 (d>1m),小车的存在对AMR传感器输出影 AMR传感器，传感器输出逐步增大在位移约为 响不大，小车在上述区域由东往西或由西往东移 0.5m处基本恢复到无小车干扰时的水平.当小 动时，AMR传感器的输出均无明显变化，当小车 车由南往北逐渐靠近AMR传感器时，传感器y 靠近AMR传感器时，传感器输出变化明显，当小 敏感轴输出逐步减小，在传感器附近(|d|< 车由东往西逐渐靠近AMR传感器时，在位移d< 0.2m)时达到相对平稳的低值区域，在无小车干 一0.7m时，传感器x敏感轴基本保持不变，此 扰时的输出值基础上减小约0.8×10-5~0.9× 后随着小车靠近传感器，传感器x敏感轴输出逐 10-5T;通过传感器后输出逐步增大并在位移约 步减小，在传感器附近(-0.2~0.2m)时达到相 为0.5m处基本恢复到无小车干扰时的水平.当 对平稳的低值区域（约为一0.6×10-5T):通过传
通过 RS232接口接收来自上位机的命令和向上 位机发送数据．实验中采用铁磁材质的小车来 模拟被测车辆．该小车为安装有4个车轮的钢 板钢板尺寸为500mm×340mm×10mm钢板 底面距地面高度125mm． 3 AMR 传感器的实验测试分析 图3所示的是当一个铁磁材质的小车通过三 轴 AMR 传感器上方时传感器输出的变化．放置 三维 AMR 传感器时 x 敏感轴沿南北方向y 敏 感轴沿东西方向z 敏感轴沿竖直方向．其中 图3（a）为小车沿 x 敏感轴方向运动时的情况 图3（b）为小车沿 y 敏感轴方向运动时的情况． 图中横轴为小车位移纵轴为三维 AMR 传感器 的相对输出即假定在没有小车干扰时输出为零． 从图3可以看出当钢铁材质的小车靠近三维 AMR 传感器时传感器输出均发生较为明显的 变化． 图3 当铁磁材质小车通过 AMR 传感器上方时传感器输出变化．（a）南北向；（b）东西向 Fig．3 Output changes of AMR sensor while a ferrous dolly moves over the sensor in different directions： （a） south-north；（b） east-west 在图3（a）中规定小车处于传感器南侧时位 移 d 为负当处于传感器正上方时位移 d 为零 当处于传感器北侧时位移 d 为正．从图中可以看 出当小车沿三维 AMR 传感器的 x 敏感轴方向 移动时如果小车和 AMR 传感器之间距离较大 （｜d｜＞1m）小车的存在对 AMR 传感器输出影 响不大．小车在上述区域由南往北或由北往南移 动时AMR 传感器的输出均无明显变化．当小车 靠近 AMR 传感器（｜d｜＜1m）时传感器输出变 化明显．当小车由南往北逐渐靠近 AMR 传感器 时传感器 x 敏感轴输出先是增大在位移约为 —0∙3m 处达到最大值在无小车干扰时的输出 值基础上增加约1∙9×10—5 T；随后快速减小在 位移约为—0∙2m 处减小到无小车干扰时的输出 水平后继续减小一直减小到在位移约为0m 处 达到最小值在无小车干扰时的输出值的基础上 减小约1∙8×10—5 T；然后增大随着小车远离 AMR 传感器传感器输出逐步增大在位移约为 0∙5m处基本恢复到无小车干扰时的水平．当小 车由南往北逐渐靠近 AMR 传感器时传感器 y 敏感轴输出逐步减小在传感器附近（｜d｜＜ 0∙2m）时达到相对平稳的低值区域在无小车干 扰时的输出值基础上减小约0∙8×10—5～0∙9× 10—5T；通过传感器后输出逐步增大并在位移约 为0∙5m 处基本恢复到无小车干扰时的水平．当 小车由南往北逐渐靠近 AMR 传感器时传感器 z 敏感轴输出与 x 敏感轴输出变化规律类似．即 首先增大在位移处于—0∙3～—0∙1m 之间时达 到最大值在无小车干扰时的输出值基础上增加 约1∙7×10—5 T；随后快速减小在位移为0∙2m 处达到最小值在无小车干扰时的输出值基础上 减小约1∙2×10—5 T；然后逐渐增大在位移约为 0∙6m 处基本恢复到无小车干扰时水平随着小 车远离 AMR 传感器小车的影响越来越小．当小 车由北往南运动时在距传感器相同位置处传感 器输出与由南往北时相同． 在图3（b）中规定小车处于传感器东侧时位 移 d 为负当处于传感器正上方时位移 d 为零 当处于传感器西侧时位移 d 为正．从图中可以看 出当小车沿三维 AMR 传感器的 y 敏感轴方向 移动时如果小车和 AMR 传感器之间距离较大 （｜d｜＞1m）小车的存在对 AMR 传感器输出影 响不大．小车在上述区域由东往西或由西往东移 动时AMR 传感器的输出均无明显变化．当小车 靠近 AMR 传感器时传感器输出变化明显．当小 车由东往西逐渐靠近 AMR 传感器时在位移 d＜ —0∙7m 时传感器 x 敏感轴基本保持不变．此 后随着小车靠近传感器传感器 x 敏感轴输出逐 步减小在传感器附近（—0∙2～0∙2m）时达到相 对平稳的低值区域（约为—0∙6×10—5 T）；通过传 Vol．28No．6 李希胜等： 各向异性磁阻传感器在车辆探测中的应用 ·589·
.590 北京科技大学学报 2006年第6期 感器后逐步增大并在位移d>0.6m时恢复到无 4 小车干扰时的输出水平.当小车由东往西逐渐靠 结论 近AMR传感器时，传感器y敏感轴输出先是减 研制了一种基于各向异性磁阻(AMR)传感 小，在位移约为一0.3m处时达到最小值（约为 器的车辆探测器原型，车辆探测器由三维AMR 一1.0×10-5T);随后快速增大，在小车处于 传感器及相应的信号处理电路组成，当车辆驶过 AMR传感器上方（位移在-0.1~0.1m间）时基 探测器时，三维AMR传感器输出将检测到由于 本恢复到无小车干扰时的输出水平：在此之后继 车辆的存在所将引起的周围磁场分布的变化，根 续增大，在位移约为0.3m处增大到最大值（约为 据这一变化可判断周围空间内车辆的存在与否. 1.2×10-5T):然后减小，随着小车远离AMR传 对该探测器的特性进行的测试结果表明，当车辆 感器，在位移d>1m时传感器输出逐步恢复到 通过探测器上方时输出发生明显变化，利用该探 无小车干扰时的水平，当小车由东往西逐渐靠近 测器可实现铁磁材质车辆的探测.当车辆分别沿 AMR传感器时，传感器z敏感轴输出与x敏感 南北向、东西向通过AMR传感器上方时，传感器 轴输出变化规律基本相反，即在此过程中，传感 输出变化规律不同. 器z敏感轴输出首先增大，在小车处于AMR传 感器上方（位移在一0.2~0.2m间）时具有较大 参考文献 值（约为0.9X10-5T),然后随着小车远离AMR [1]Kang M H.Choi B W.Koh K C.et al.Experimental study of a vehicle detector with an AMR sensor.Sens Actuators A. 传感器，在位移d>0.6m时传感器输出逐步减 2005,118(2):278 小并恢复到无小车干扰时的水平，当小车由西往 [2]谢小军，张绍阳.机动车辆磁像识别技术在交通控制中的 东运动时，在距传感器相同位置处，传感器输出与 应用.现代电子技术，2003(3)：86 由东往西时相同 [3]Caruso M J.Withanawasam LS.Vehicle detection and com- pass applications using AMR magnetic sensors.Sens Expo 从实验结果可以看出，当铁磁材质的车辆通 Prme,1999,477 过AMR传感器上方时，传感器输出发生明显变 [4]Platil A.Kubik J.Vopalensky M.et al.Precise AMR magne- tometer for compass-Proc IEEE Sens.2003,1:472 化，但沿着不同的敏感轴方向传感器输出变化的 [5]Caruso M J.Bratland T,Smith C H.et al.A new perspective 情况不尽相同.另外，当车辆分别沿南北向、东西 on magnetic sensing.Sensors (USA).1998.15(12):34 向通过AMR传感器上方时，传感器输出变化规 [6]Li X,Wang S.Improvement of boxcar integrator and its ap- 律也不同，这种现象与文献[5]中车辆从传感器侧 plication to low resistance measurement of inductive coil.J U- niv Sci Technol Beijing.1998.5(3):180 面通过时的结果不同，多次实验表明，当铁磁材 [7]Li X.Nakamura K.Ueha S.Reflectivity and illuminating 质小车通过传感器上方时均能正确识别， power compensation for optical fibre vibrometer.Meas Sci Technol,2004,15(9):1773 [8]金基灿，王绍纯，采用单片机的同步外差相敏检波器，北 京科技大学学报，1994,16(5)：469 Application of A MR sensors to vehicle detection LI Xisheng,YU Guanghud?) 1)Information Engineering School.University of Science and Technology Beijing.Beijing 100083,China 2)Materials Science and Engineering School.University of Science and Technology Beijing.Beijing 100083.China ABSTRACI A vehicle detector with an anisotropic magnetoresistive (AMR)sensor was developed.The vehicle detector consisted of a three-axis AMR sensor and related signal processing circuit.When a vehicle was moving over the detector,the surrounding magnetic field changed due to vehicle disturbance,and the output of the three-axis AMR sensor changed accordingly.Whether a vehicle was present or not could be judged based on the AMR sensor's output.The detector's characteristic was tested.When the vehicle be- ing detected was moving over the detector along different directions(south-north,east-west),the output changes were different.The results show that this detector can realize the function of vehicle detection. KEY WORDS AMR sensor;vehicle detection;magnetic resistance;geomagnetic field
感器后逐步增大并在位移 d＞0∙6m 时恢复到无 小车干扰时的输出水平．当小车由东往西逐渐靠 近 AMR 传感器时传感器 y 敏感轴输出先是减 小在位移约为—0∙3m 处时达到最小值（约为 —1∙0×10—5 T ）；随后快速增大在小车处于 AMR 传感器上方（位移在—0∙1～0∙1m 间）时基 本恢复到无小车干扰时的输出水平；在此之后继 续增大在位移约为0∙3m 处增大到最大值（约为 1∙2×10—5 T）；然后减小随着小车远离 AMR 传 感器在位移 d＞1m 时传感器输出逐步恢复到 无小车干扰时的水平．当小车由东往西逐渐靠近 AMR 传感器时传感器 z 敏感轴输出与 x 敏感 轴输出变化规律基本相反．即在此过程中传感 器 z 敏感轴输出首先增大在小车处于 AMR 传 感器上方（位移在—0∙2～0∙2m 间）时具有较大 值（约为0∙9×10—5 T）然后随着小车远离 AMR 传感器在位移 d＞0∙6m 时传感器输出逐步减 小并恢复到无小车干扰时的水平．当小车由西往 东运动时在距传感器相同位置处传感器输出与 由东往西时相同． 从实验结果可以看出当铁磁材质的车辆通 过 AMR 传感器上方时传感器输出发生明显变 化但沿着不同的敏感轴方向传感器输出变化的 情况不尽相同．另外当车辆分别沿南北向、东西 向通过 AMR 传感器上方时传感器输出变化规 律也不同这种现象与文献［5］中车辆从传感器侧 面通过时的结果不同．多次实验表明当铁磁材 质小车通过传感器上方时均能正确识别． 4 结论 研制了一种基于各向异性磁阻（AMR）传感 器的车辆探测器原型．车辆探测器由三维 AMR 传感器及相应的信号处理电路组成．当车辆驶过 探测器时三维 AMR 传感器输出将检测到由于 车辆的存在所将引起的周围磁场分布的变化根 据这一变化可判断周围空间内车辆的存在与否． 对该探测器的特性进行的测试结果表明当车辆 通过探测器上方时输出发生明显变化利用该探 测器可实现铁磁材质车辆的探测．当车辆分别沿 南北向、东西向通过 AMR 传感器上方时传感器 输出变化规律不同． 参 考 文 献 ［1］ Kang M HChoi B WKoh K Cet al．Experimental study of a vehicle detector with an AMR sensor．Sens Actuators A 2005118（2）：278 ［2］ 谢小军张绍阳．机动车辆磁像识别技术在交通控制中的 应用．现代电子技术2003（3）：86 ［3］ Caruso M JWithanawasam L S．Vehicle detection and compass applications using AMR magnetic sensors．Sens Expo Proc1999：477 ［4］ Platil AKubik JVopalensky Met al．Precise AMR magnetometer for compass．Proc IEEE Sens20031：472 ［5］ Caruso M JBratland TSmith C Het al．A new perspective on magnetic sensing．Sensors （USA）199815（12）：34 ［6］ Li XWang S．Improvement of boxcar integrator and its application to low resistance measurement of inductive coil．J Univ Sci Technol Beijing19985（3）：180 ［7］ Li XNakamura KUeha S．Reflectivity and illuminating power compensation for optical fibre vibrometer．Meas Sci Technol200415（9）：1773 ［8］ 金基灿王绍纯．采用单片机的同步外差相敏检波器．北 京科技大学学报199416（5）：469 Application of AMR sensors to vehicle detection LI Xisheng 1）Y U Guanghua 2） 1） Information Engineering SchoolUniversity of Science and Technology BeijingBeijing100083China 2） Materials Science and Engineering SchoolUniversity of Science and Technology BeijingBeijing100083China ABSTRACT A vehicle detector with an anisotropic magnetoresistive （AMR） sensor was developed．The vehicle detector consisted of a three-axis AMR sensor and related signal processing circuit．When a vehicle was moving over the detectorthe surrounding magnetic field changed due to vehicle disturbanceand the output of the three-axis AMR sensor changed accordingly．Whether a vehicle was present or not could be judged based on the AMR sensor’s output．The detector’s characteristic was tested．When the vehicle being detected was moving over the detector along different directions （south-northeast-west）the output changes were different．The results show that this detector can realize the function of vehicle detection． KEY WORDS AMR sensor；vehicle detection；magnetic resistance；geomagnetic field ·590· 北 京 科 技 大 学 学 报 2006年第6期