采用AMR传感器的车辆检测

1、采用AMR传感器的车辆检测应用手册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制系统的一个判定条

2、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“低磁场”磁传感器用于检测这个磁场强度

3、，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的消息。典型的应用磁传感器和地球磁场的车辆检测是：

4、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

5、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，

6、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/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AM

7、R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。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

8、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HMC1053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

9、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OUT+和OUT-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

10、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。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HMC102X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&#

11、177;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1.8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

12、MC1022传感器。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

13、乱的磁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HMC1021置位/复位带。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

14、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

15、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

16、变化会有所不同。对于大多数应用，电压移位的幅度和方向的是并不重要，但在输出电压的显着移位的检测将是最重要。对于车辆存在的应用程序，从地球磁场向量幅度转移将是最可靠的方法。测量放大后使用三轴传感器数字化输出，矢量幅度为：A = SQRT ( X2+Y2+Z2 )当汽车停靠在路旁或过高的磁传感器的位置，大小将突然从地球磁场上的偏差（即无车）幅度转移。这将是最适用的停车计时器，停车空间的占用，开门器，通过服务提示。 注意传感器输出变化很大程度上依赖于车辆与传感器的接近程度。作为车辆内英寸大小的传感器，如在中间路基车道表面上;将相当详细的收集错综复杂的铁质结构的车辆底盘产生的信号。此外，如果距离车辆信

17、号1米，车辆信号幅度取决于在车辆尺寸的十分之一并且信号带宽看起来比波浪线更聚集的像驼峰。随着距离的增加信号从通量浓度集中分散到开始的基准线。表1示出了一个典型的汽车辆级（磁通密度）与相对传感器偏离距离。车辆方向感应在前面卡车的车辆信号的例子中，在车辆立交桥路基上有一个单一的传感器。这习惯当作X轴系统，因为它使用了在预期的车辆方向的敏感轴。通过采用的远离车辆路线方向的传感器，基本的车辆方向就可以被检测。对于一个典型的车辆方向检测传感器的放置参见图8。在该图中，当车辆接近传感器，在朝向车辆的传感器的磁力线开始弯曲。因此，磁通密度降低并且传感器输出信号电压从它的基准值变为负的。当车辆远离传感器，磁通

18、密度追逐车辆变化，产生正的电压结果。如果车辆倒退或从相反的方向返回，信号图看起来像一个镜像图像。第二个更可靠的方法涉及两个分开一小段距离的传感器，但它们的敏感轴在相同的方向上。这样做的目的是，车辆在行驶中将创建相同的信号但是及时被更替。随着二元位移传感器，在正向业务时后传感器将比前传感器迅速达到的检测阈值。在相反的业务时会发生相对的情况。一个已知的位移距离和阈值检测之间的一个合理的精确的时间测量，可以对速度做一个很好的估计。图9是典型的安装图。传感器的位移距离不必是一个非常大的值。在今天的高速微控制器的高精度模拟电路，速度测量精度和分辨率可达英里每小时。车辆检测的谬误车辆检测系统设计人员最关心

19、的问题是车辆存在谬误，或“虚假”。破坏者可能会折腾到您的传感器区域的磁铁，最多的错误集中于大自然产生的刺激或相邻车道的车辆。由在本文档前面表1，相邻车道的谬误可能是一个问题，只是磁位移阈值设置的最佳量为毫高斯，并选择一个中间的车道位置。最坏情况下的流量检测问题之一，是一个大卡车产生足够的弯曲磁通量让一个空车道传感器产生谬误。图10示出了这种情况。如果只有两车道宽的道路，你也许可以稍微向外侧车道边缘定位传感器组件得到一点点谬误抑制。设置磁通转变阈值的另一个挑战是，过大的阈值可能拒绝所需检测的车辆，如摩托车和有很多的复合底盘很小的汽车被检测。另一个谬误的情况来自大自然母亲时时刻刻地小量的改变地球磁

20、场幅度。一对毫高斯变化磁传感器作指南针的是很好的，如果它们不能区分自然的漂移，车辆检测系统可能会错误地触发。无论是通过模拟信号处理，检测算法的软件，小的慢的地球的磁场值变化应予以拒绝。软件算法应该能够不断的更新“偏置”值的阈值，以确保除了各轴的偏置值以外，保持正确的额度。模拟电路实现较慢的时间常数阈值电压，车辆检测比较器处理信号拒绝缓慢信号变化，引发快速上升的电压。第三谬误情况发生于AMR传感器的温度迅速变化。最坏的情况是在夏季晴转多云天，当太阳从云里出来，突然开始烘烤嵌有传感器的住房。合理的散热设计的机箱，将有助于其他电器技术进行额外的防止谬误发生的帮助。当AMR传感器随着坡莫合金薄膜传感器

21、的改变温度而电桥偏移改变时产生温度谬误。该温度系数是名义上每摄氏度百万分之-3100（-3100ppm/°C）。因此，25°C时有一个1.5毫伏桥的偏移，在30°C时产生1.48毫伏的电桥偏置。 5°C的温度产生20微伏移变化可能看起来不是一个问题，但也可能造成3伏桥电源电压20毫伏当量的转变。用一个200增益的放大，该温度的变化在模拟输出电压的变化可能是4毫伏。正如前面提到的在本应用手册中，你可以使用置位/复位功能用于多种用途。通过采取磁场测量后的复位脉冲（反极性），以及设定的脉冲（正极性）的测量值的总和中减去外部磁场的影响，剩下两倍桥偏置电压。然后除

22、以2恢复最接近当前温度的桥的偏移。通过这样每隔几秒钟间隔的设置/复位脉冲，忽冷忽热时传感器电桥偏移检测和校正。图11示出了典型的场景。简单的车辆检测电路作为一种方式，以缓解车辆检测电路的设计，一个简单的一轴，所有的模拟电路的例子将在下面描述。选择HMC1021S简单原型设计，图12示出了该电路的典型示意图。前期本应用手册的建议，建议为±1高斯的动态范围，和一个5伏电桥供应HMC1021S，会导致±5mV的输出。要跨越一个5伏电源，增益为500，允许±2.5伏输出集中在2.5伏（零高斯点）。HMC1021S可以用任何HMC102X，HMC104X和HMC105X系列

23、的磁传感器组件代替; 因为它们都符合的1mV/V/gauss灵敏度规范。在图中，低成本仪表放大器（AD623）获得了500V/ V，关于桥放大器的参考引脚允许偏差和地球磁场的偏置值的1k欧姆的电位器调零。两个LM393比较器形成一个窗口比较器电路，其中测量放大器将被1k欧姆的电位器调整到集中在0至5伏的电源系统。电阻器R8，R9和R10被选中以便如果放大器明显偏离2.5伏的微调值，其中一个比较器将上拉输出（VOUT）到逻辑低状态。通过正确选择R9的值，或通过一个500欧姆的电位器代替变阻器配置，您可以调整车辆检测距离。选择一个200欧姆的电阻值，窗口比较器有大约2.5伏±25毫伏的窗

24、口触发。一切调整得当，±25mV的除以由仪表放大器的增益约等于±50微伏的磁性传感器的触发窗口或从1mV/V/gauss敏感度中一个±10毫高斯检测变化范围。该电路将肯定会对地球磁场漂移和温度漂移产生的谬误敏感，但用户可以定期重新调整1k欧姆的电位器，重新设没有车辆出现的中心偏差电压到2.5伏。显然，这简单的电路是不能接受的安装或忘记的应用程序。然而，许多设计师将实施一个基于微处理器的系统，可以实现连续增益和偏移控制来保持系统，以防止缓慢漂移谬误为中心。正如所设计的，简单的车辆检测电路具有±25mV的偏移灵敏度，这约等同于基于表1示意信号中4英尺的汽车检

25、测距离。使用微控制器的车辆检测无论是图4还是图12中的放大器电路用于车辆检测都足够好，但精确电源的数字微控制器的使用可以实现更好的检测方案。图13是一个典型的使用HMC1052L和PIC16微控制器的数字车辆检测系统的示意图。与图12的电路相比此电路有几个明显的变化，测量放大器由一个运算放大器来代替用来做为一个差分放大器，并且HMC1021S由HMC1052L代替。没有显示的是第二个HMC1052桥电路，但可以安排第二个二重电路，并从PIC16XX微控制器中获得其他复用的10位ADC输入（D1）。所述第二桥是正六方轴（Y-轴）传感器，并可以用来给出的所有水平方向的车辆检测系统。图中还显示出自动

26、设定/复位限制定时刷新的传感器驱动电路。由于HMC1052L使用一个共同的置位/复位带双MOSFET驱动器设计为纽带，可以使用5 V逻辑兼容门阈值。在图13的差分放大器被设置为300V/ V的增益有连个原因原因。第一是要求±1高斯磁通量的动态范围，而另一个事实是，即一些空间一些动态余量需要给HMC1052L桥做抵消，10k电位将工厂调整一次电桥偏移。设置完成后，PIC16XX微控制器和多路10位ADC将处理所有的热漂移和地球磁场偏差。该电路被假定为工作在5伏，所以输入电压范围±1高斯相当于传感器的±5mV，相当于在PIC16XX ADC±1.5伏输入。1

27、0K电位器就会设为2.5伏，在传感器电桥上给出了零磁场。电源供给线剩下的电压用来热漂移、放大器铁路退避，磁场特征峰。参考PIC16XX，因为设计人员可以使用任何不同的PIC16系列，或任何其他类似品牌或系列微控制器。采用微控制器，车辆检测变得不连续，或超出了上限和下限阈值的信号采样。因此，采样间隔时间必须足够快，以赶上预期的经过传感器的最快车速。这可以适合感兴趣的交通和驱动的服务应用程序，作为多个传感器可能被用于与每个返馈到多路微控制器的内部ADC输入。为车辆检测算法写固件成为一个特定的用途，通常是专有的代码可能会受专利保护的。然而，大多数设计将具有来自放大器的数字化传感器的输入电压和与阈值进

28、行比较最新的数据点的共同问题。图14显示了一个典型的例子，一个有漂移补偿的检测算法图。一个简单的检测算法只可以测量地球磁场的偏置值，并根据参考车辆所要求的固定量的检测范围设置上限和下限。但热漂移和磁场漂移可能引发错误的检测，除非ADC计数或每个传感器测量允许的阈值漂移。随着车辆接近传感器，ADC在“计数”方面变化量改变的速度会比的漂移补偿算法可以允许移位更快，从而产生一个有效的车辆检测。为了更好地展示如何工作的，10位ADC有1024个ADC“计数”，通常计512标称零高斯为调整值。因此512以下的数是负数，并有可能由两个补充数字值描述。所以一个典型的固件程序将传感器的数据采集减去512到0的

29、最新数据，与车辆检测的决定（是/否）的阈值进行比较。作出决定后，新的阈值计算是基于以前的传感器采样计数。使用图15，地球的磁场偏置是否在632个或120个零高斯以上;然后阈值限制的±10个字可能是一个合理的约5mV每计数，300计数每高斯，一个±33毫高斯带中的蓝点显示的阈值。根据在系统噪声，阈值的频带，限制于防止不超过一定量的计数偏移每样本数的带宽。这使得真正的车辆磁场特征，赛出车辆的变化阈值来区分漂移和车辆。当使用自适应阈值检测或漂移补偿，绿色的逻辑输出跟踪显示的合乎逻辑的结果。混合信号的车辆检测在前面的示例电路中，使用数字逻辑检测算法的缺点是，连续的传感器输出被采样分

30、开来适用到固件检测算法。但是，如果您的车辆在高速行驶时，检测因为只有最慢的过程，对于所需的反应时间也许太缓慢了。为了保持连续的检测，模拟系统可以设计许多类似的简单的带有模拟漂移补偿谬误排斥检测电路。图16显示了一个典型的使用测量放大器、运算放大器和比较器持续监控磁信号的设计实例。另外，微控制器可用于处理维护功能，如定期置位/复位功能、误差补偿和增益调整，以及探测距离调整。上图中介绍了一些新特性。第一是恒定电流源驱动HMC1001传感器电桥。 HMC1001是霍尼韦尔公司的最敏感的AMR传感器，但有一个稍低的电桥电阻（850欧姆），并且具有较高的坡莫合金元素提供标称3.2mV/V/gauss敏感

31、度。室温电桥电压输送给HMC1001约4.7毫安，大约是共5伏的供电电压范围内的4伏电压。恒定电流源是为了进一步稳定从约3000ppm/°C到600ppm/桥偏移规格。热漂移减少总漂移，更多漂移补偿偏重于地球的偏置磁场漂移。另一项新功能是两个数字控制测量放大器电位器的实现。这允许微控制器的采样放大器的输出增益和失调电压得以调整，以获得最佳性能。放大器电路部分是低通滤波器是由R16/C3网络来限制带宽输出低频信号来实现的，这低频信号很可能是在传感器中运动最快的车辆信号。下一个新的特点是放大器阶段后的全波整流电路，随着车辆接近，折返任何负面转向信号的方法。这允许一个单一的阈值检测的方案，而不是图12中给出的创建窗口检测器。整流器、过滤器和修整的车辆信号被直接放置到阈值比较器中用于检测。其他比较器的输入来自两个运算放大器的阶段，形成了一个模拟的自适应阈值电路。车辆特有的信号由RC网络R19/C4急剧过滤到创建的缓慢漂移基线偏置，将用几秒钟的时间常数跟踪缓慢桥偏置电压和地球磁场漂移。该电压被缓冲然后发送到一