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1、采用AMR传感器的车辆检测应用手册一AN218摘要车辆自动检测的需求不断增加，为霍尼韦尔的各向异性磁阻（AMR ）传感 器带来的利益，如一个比较旧的，简单的车辆检测系统的升级。基于这些体积 小，简单的惠斯通电桥传感器，许多应用程序现在能够部署这些传感器的成本 效益，以及在附近的车辆获得更多的信息。本应用手册将为潜在的设计者描述 车辆检测的各种应用，车辆检测的各种硬件和软件技术，两个设计实例描述AMR 传感器的集成和运行各种应用程序。车辆检测的应用在过去的几十年里车辆检测技术已经发展的非常迅速。最传统的检测方法 从压气软管到嵌入在道路的感应线圈，大多数遗留下来的检测方法集中在车辆 出现信息作为控
2、制系统的一个判定条件。现在，我们想得到那多的信息，如速 度和方向的流量，一个长路面上单位时间内的车辆的流量，或只是一类车很可 靠的存在或不存在的信息。据事实，即几乎所有的公路用车在其机箱中有显着量的黑色金属（铁，钢， 镍，钴等），使用磁传感器是检测车辆的良好选择。现在，磁传感器技术规模 上相当小，幸亏固态技术，无论是尺寸和电气接口都有了改进，使集成变得更 加容易。但是，不是所有的车辆发出的磁场都可以使用磁传感器的检测。这实际上 排除了许多“高磁场”的磁场感测装置，如霍尔效应传感器。但大自然母亲为 我们提供了与地球的磁场，贯穿南磁极和北磁极之间的一切。地球的磁场磁感 应强度大约是半高斯，所以“低
3、磁场”磁传感器用于检测这个磁场强度，并且 该磁场强度受附近车辆的干扰。图1给出了了很好的图解，即地球磁极之间的磁 通线，还有它们收到穿透具有黑色金属的典型车辆的弯曲度。随着磁通线集合（汇聚）或展开（发散），放置在附近的磁传感器将受到 车辆对地球产生的相同的磁性。然而，由于传感器是不是紧贴在车辆表面或车 辆的内部，它不能得到同样集中或分散化的精度。并与从车辆偏离距离增加， 磁通密度的变化量以车辆出现的指数速率下降。这是好是坏，取决于您的设计 关注点。如果检测距离是最高优先级，一个高压跌落式磁通密度是坏的。但是， 如果没有错误检测时检测相邻车道或在相邻停车位的车辆，高压跌落式磁通密 度变化是非常好
4、的消息。典型的应用磁传感器和地球磁场的车辆检测是： 铁路道口控制（用于火车）驱车穿过零售渠道（银行，快餐等）自动小门/大门开启交通监控（速度，方向）停车场空间探测停车收费表%/%/Figure 1 - Earths Magnetic Field Through Vehicle磁传感器硬件低磁场传感器两大类，磁阻桥梁，电磁线圈。 虽然电磁线圈可以做成磁感 应和磁通门的磁场传感器，一般来说，它们更倾向于表较大的尺寸，并且需要 有源振荡器电路，以确定影响线圈（线圈匝）的磁通的量。磁阻传感器，有两 种类型是可用的，称为AMR和GMR。AMR或各向异性磁阻传感器是定向的传 感器，并提供只在它们的敏感轴的
5、磁场的振幅响应。通过结合AMR传感器分成 两个或三个轴配置，两维或三维通过传感器的磁场测量是可能具有优异的线性 度的。GMR或巨磁电阻传感器也可以用于低磁场传感，但很小方向性的振幅有 一个广泛的灵敏度。对于车辆检测，GMR传感器必须有一个附近的磁偏置场， 通过永久磁铁或是直流驱动螺线管获得改进的线性度。在下面的讨论中，我们 将只讨论AMR传感器的车辆检测应用。对于AMR传感器，所述传感器的电阻元件是用于一个阻性“惠斯通电桥” 而变化性略有变化时每个元素作为磁场取向。电阻元件是由坡莫合金薄膜，大 约有1000欧姆的电阻，但是当没有磁场存在时每个元素包含欧姆在内是精密匹 配的。图2示出了一个典型的
6、AMR传感器惠斯通电桥的电路图。每个桥有四个相同的相对立的电阻元件。例如，如果桥接收到一个正的磁 场或磁通线的灵敏轴，Vb对于Out+和Out-到GND的电阻的电阻值会稍微降低，而其他两个电阻阻值会增加。其结果将是，Out+电压 增加大概Vb / 2，Out-电压减少Vb / 2。如果桥电压或Vb,等于5伏并且所施 加的磁通量是0.5高斯,Out+标称电压则在2.5012伏,Out-标称电压则在为2.4988 伏。从AMR传感器测量的输出电压值是测量于Out+到Out-，和传感器灵敏度 方程的函数中得来，或：OUT+ - OUT- = S * VB * BS 和S =灵敏度（标称值 1mV/V
7、/gauss）Vb =电桥电源电压，单位为伏特BS =桥应用中的磁通量，单位为高斯 在上述的例子中，一个5伏的供给用0.5高斯的磁通敏感轴的桥梁，产生了2.5 毫伏的电桥输出电压。结合两个AMR传感器在一起，部分变成了2轴传感器，水平安装时，能分 解任何水平磁场到X和Y矢量分量。图3显示了该传感器在Honeywell HMC1022 传感器产品组合。Bx2-Axis Mgnistic Field SensingArrows I ndicate Sensor Sensitive Axis1假设磁场Bs是地球的磁场在水平方向上的，HMC1022的集成电路封装中的 传感器分解磁场BS成Bx和By矢量
8、分量。这样Bx和By代表的Bs的方向和幅度。对 于车辆检测，因为车辆处理在HMC1022包里的传感器，Bs的方向和振幅是可以 改变的。而一个单一的AMR传感器（如HMC1021）可以注意一个轴的移位，具 有2轴传感器可以更可靠地检测车辆的检测范围的边缘处，并为探测提供一个 “全取向”保证。正如你将看到在后面的几节中，选择一个，两个，或三轴磁场传感是一个 性能和成本的权衡。单轴系统将要求只有一个传感器，一组传感器接口的电子 设备，和一个数字化输入并放入一个阈值检测算法。使用HMC1022, HMC1052 和H MC1053多轴传感器的部件，如为了安装灵活性提供额外的轴。 磁传感器接口电路由于由
9、地球的磁场强度引起AMR传感器输出是在小毫伏水平，这些惠斯通 电桥传感器需要后续的放大，使车辆感应场的变化更容易检测到。随着传感器 的差分输出，每个传感器需要一个兼容传感器输出电压和传感器电桥的电源电 压的微分或测量放大器。通常情况下，这些放大级将作用于从4.8伏至5.2伏， 或2.7伏至3.3伏的电源轨以节省能源在电池应用或非便携式能源供给更高的电 压。正如你看到的在灵敏度方程中，桥的电源电压帮助放大信号。但是，运行 超过 5 伏的传感器也将更多毫瓦的热施加在桥渡元素上，使热漂移的影响更为 显着。图4示出了一个典型的传感器接口电路原理图。如图所示，一个共同的低压运算放大器（LMV358运算放
10、大器）和四个1% 的容差的金属膜电阻器，以建立一个200V/ V的增益差分放大器。专用的仪表放 大器可以取代的运算放大器和电阻器，以多一点的成本放大器为代价来简单的 控制增益和偏移电压。此电路采用传感器O UT+和O UT-节点电压不同，然后放 大的结果作为偏置电压值的偏移量的参考电压。在雨刮上的偏移微调电位偏移 电压将作为参考节点的电压。举个例子，我们在图4的敏感轴传感器领域为0.5高斯的桥梁和放大器电源轨 （VCC）为3.0伏。由于1.0mV/V/gauss灵敏度的HMC1021，传感器的差分输出电 压将是1.5毫伏。当200增益施加到放大器上时，放大器的输出将是300毫伏正偏 置基准电压
11、。施加电源一半（1.5伏）的补偿电压，放大器的输出电压的测量将 是约1.80伏。由于AMR传感器不完全匹配于电阻元件，电桥产生偏移电压的结果;及每个 传感器制造有差异。然而，好消息是，这个偏移是固定在其余的桥元件的电阻 温度变化引起的漂移的一部分。此桥偏置电压是依赖于桥电源电压缩放每一个 毫伏的电桥电压值（mV/ V）。对于H MC102X系列传感器，指定范围内的桥偏 移大约为2mV/ V和正态分布下的土0.5mV/ V范围内。以前面图4电路为例，一个 为0.5mV/ V电桥补偿基于3伏电源为-1.5毫伏输出偏移，或放大器的偏移-300毫伏。 为消除此偏移，一种方法是移动的偏移量从1.5伏至1
12、.8伏的基准电压对抗桥偏移。 对于进一步抵消减少的方法，请参阅应用笔记AN212的网站 的。霍尼韦尔AMR传感器也有用于多种用途的电桥元件专利电磁线圈。这些线 圈的目的，用于创建一个“磁场偏移”领域，或重新校准坡莫合金薄膜的磁场 传感器的磁畴方向的易磁化轴的磁畴。这些线圈被称为“偏置条”和“设定/重 置带”，因为它们具有最小的电感系数,被认为是一个安培匝数方面应用局部磁 场的线圈传感器的电阻元件。图5为带约束的H MC1022传感器。A and B Sensor Bridges Denoted by (A) Or (B) SuffixFigure 5 - HMR1022 With Straps
13、 Shown偏移带带电阻的电流通过转换到本地磁场桥元件的敏感轴方向。传感器电 桥通过建立磁偏移领域，将总结所需的磁性远场和偏置条产生领域，降压，升 压或整体居中最好的放大和信号处理领域。车辆检测应用的大多数不使用偏移 量的约束，开路，如果不使用，可能会保持开路。置位/复位的约束用于“消磁”或“去烫”的要求，以避免暴露后意外高磁 场传感器的性能退化产生的传感器电桥的脉冲电流。这些高的领域一般在超过 10高斯的桥梁，并且通常是由磁化的手工工具，永久磁铁，便携式的电动马 达，和高电流导线如焊接电缆。通过周期性地发送温和的电流脉冲，在适宜的 时间间隔，坡莫合金薄膜磁场在易磁化轴方向重新校准并且混乱的磁
14、场方向的存储器中被擦除。这个过程很像删除录音磁带，因为它们都采用坡莫合金薄膜。应用手册AN213介绍的置位/复位带典型的脉冲驱动电路的详细功能。对于 车辆检测应用，周期性的重复设置脉冲的复位，建议在 1秒至分钟的时间间隔。 传感器磁通过高场曝光，曝光可能会导致敏感性降低，或在传感器电压（固定 传感器）没有变化感到不安，直到置位/复位带脉冲。图6显示了一个典型的供电优化为5伏置位/复位带驱动电路和H MC1021置位/复位带。Figure 6 - Set/Reset Strap Driver Circuit车辆检测特征使用地球的磁场提供的磁性背景或“偏置”点与一个固定的传感器的安装， 保持基本恒
15、定的。与地球在约0.5高斯的磁场强度，并进一步从一个可能的三个 轴取向减少到只是一个单一的轴的数量，每个传感器在自然接地的信号动态范 围内可以有信号的范围从接近零高斯到0.7高斯。当车辆接近传感器的附近， 从地球磁场的标准转变到来自车辆软硬铁的信息。软铁是有色金属材料，磁通 集中到材料并且材料内不产生任何磁通量。硬铁源材料，其具有磁通集中的能 力，并且可以具有产生剩余磁通量能力。虽然有几百高斯的磁通密度，许多硬 铁车辆由于机箱金属冲压携带远小于2高斯的残余通量。软铁将集中地球的磁通量，但通常在传感器的位置只会增加不到一半的剩 余磁链幅值偏差值。如果磁场集中在软铁处，然后他们倾向于去集中磁通垂直
16、 于磁场方向，如在图1中示出。因此，可能会看到磁传感器高达几十到几百毫高 斯的地球磁场的偏置一直到车辆接近传感器引起的 3高斯统计学典型的尖峰。 车辆检测产品的设计师是不会关心的车辆动态峰值引起的磁特征，但有可能设 计在1高斯的动态范围并且使用偏差值的突然变化作为车辆检测标准。如上图所示一个典型的北美磁场方向移动南行的卡车。绿色框代表附近的 路基传感器可能的位置和它们能感觉到通量浓度的相对量。毗邻的图表显示了 轴传感器电桥的敏感轴指向南行，卡车驱动经过传感器时可能会看到一个信号 由于自然的地球的磁场会使传感器具有轻微的负电压输出偏差，增加通量密度 会进一步降低电压，减小密度会提高电压。传感器横置（水平，在整个路基）和垂直可能也感应期间的车辆通行，但 偏差值和信号的变化会有所
