磁場對于電感路徑檢測的影響

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卓大大,你好,我想問您一個關于磁場干擾電感檢測的問題。我們想將我們的智能車放在變電站中通過電磁線引導來實現巡軌,從而對變電站的環境進行一些實時的監控。

但我們了解到變電站有強的電磁場,它們會影響電磁巡跡嗎?之前看您的推文了解到電感檢測只會收到同頻率的電磁的干擾,不知道在強磁場內會不會受影響;蛘呶铱梢哉夷男┫嚓P的資料去查閱嗎?

▲ 大型變流電站

的確在變流電站中存在著各種高壓、大電流功率信號,以及工作在強電下的各種變壓設備。在空間中存在著很強的電場和磁場。

1.變壓器旁邊的泄露磁場

比如,在大型變壓器周圍,會存在著變壓器泄露出的50Hz的交變磁場。下面是一個小型的變壓器,就使用小型的工字型10mH電感,在變壓器周圍劃過,就會感應出50Hz的信號。

▲ 掃描變壓器外邊磁場的路徑

下圖顯示了從變壓器左側均勻劃過變壓器過程中,使用萬用表交流檔測量電感兩端的交流電壓幅值隨著移動位置變化的情況。說明變壓器的確存在著泄露交變磁場,距離變壓器越近,電感中所感應的電壓越強。

▲ 變壓器之外的電磁場強度

2.電磁線導航檢測原理

(1) 影響因素分析

如果使用和智能車競賽用于檢測賽道電磁線相同的工字型電感(10mH),在配有諧振電容(6.8nF)來檢測導引電磁線的位置,那么變電站內的干擾電場和磁場對于傳感器影響并不大。

首先,由于采用電感檢測原理,所以強電場不會在電感中產生感應電動勢。

其次,存在的工頻磁場雖然可以在工字型電感中產生感應交流電動勢,但是相對較弱。比如前面對小型變壓器測量泄露磁場檢測的數值可以看到,感應的50Hz交流電壓幅值很小,而且隨著距離變壓器的距離增加,幅值也大幅度降低。

(2) 諧振檢測信號

對于導引路徑的20kHz的電磁線來說,它產生的磁場在電感中感應出的電容式,經過電感和諧振電容的諧振之后,輸出的電壓信號就非常強了。

下圖給出了并聯有諧振電容的電感等效電路。對于交變磁場所產生的感應電容式來講,這個電路是LC串聯諧振。最終在電容上所產生的電壓信號要比感應電容式高出Q倍。Q是RLC諧振電路品質因子。

▲ 并聯有諧振電容的工字型電感等效電路

其中Z0是RLC諧振電路的特征阻抗。對于前面給出的L=10mH,C1=6.8nF,對應的電路特征阻抗等于1212.7Ω。如果電感的等效串聯點租為25歐姆,那么RLC諧振電路品質因子Q=48.51。這相當于傳感器對于諧振頻率交流信號放大了近50倍。

(3) 實驗對比諧振與非諧振檢測

下圖顯示了使用工字型電感在通有100mA 20kHz交變電流的電磁線橫著移動通過是,觀察到的感應出的20kHz的諧振交流信號。

▲ 帶有諧振電容的電感橫掃過電磁線

下圖反映了隨著檢測電感距離電磁線的距離便往,傳感器所檢測到的水平方向的電磁場的強度變化曲線。根據這個變化信息可以檢測出電磁線的位置。

▲ 電磁線周圍的磁場強度

如果在電感上不匹配諧振電容(6.2 ~ 6.8nF),那么電感兩端的電壓信號就非常凌亂,而且幅值很小?梢钥吹20kHz的導引電磁場信號完全淹沒在干擾信號中。

▲ 不增加諧振電容式電感兩端的信號波形

下圖顯示了同樣的電感,只是沒有采用匹配的諧振電容,在電磁線橫向劃過,檢測到的水平方向的交變磁場強度變化情況。這個信號的強度根本無法反應導航電磁線的位置了。

▲ 不加諧振電容式,傳感器在經過線圈是所得到的電壓變化

根據工字型電感配有諧振電容檢測20kHz導航交變磁場的原理,可以看到在變電站中的變化的50Hz的磁場對于導航信號并沒有太大的影響。

1.強磁場會使電感飽和

但是,如果碰到的磁場強度非常大,如果是的電感磁芯飽和,那么就會影響電感的電感量,從而使得傳感器諧振回路的頻率不再是導航電流頻率(20kHz),進而會降低采集信號的幅值。

下圖顯示了外部磁鐵對于普通電感的電感量的影響。手指釹鐵硼永磁鐵靠近工字型電感(10mH)附近,會看到LCR表測量的電感值在變小。

▲ 永磁鐵對于電感的影響

2.測量電感飽和顯現

可以使用線性霍爾器件定量的測量出電感飽和磁場強度。

下面使用了在博文 線性霍爾傳感器[1] 中介紹的霍爾器件3503測量電感的磁感應強度。根據 霍爾3503[2] 數據手冊給出的指標,它的靈敏度為1.3mV/G。

▲ 測量電感的示意圖

通過改變施加在電感上的供電電壓來改變電感的電流值。這樣便可以測量出不同供電電壓下霍爾3505的輸出電壓的變化。如下圖所示:

▲ 工字型電感的供電電壓與頂部磁感應強度

從測量的曲線來看,霍爾輸出變化大約130mV,說明在電感 磁芯的磁感應強度大約是100高斯。曲線 也說明,當磁芯中的磁感應強度超過80高斯之后,磁芯就趨于飽和。

當區域飽和之后,變化的電流就不在影響磁通量的變化,對應的電感量就會急劇下降。進而也會使得檢測信號減弱。

因此,需要根據所使用的電感磁芯材料的說明,避免碰到特別強的磁場,避免電感磁芯飽和。

1.強磁場對于LC回路影響

將電感和相應的諧振電容放置在電磁線周圍。它輸出檢測到的20kHz的導航信號。

然后使用 一塊永磁鐵從電感頂部劃過,展示外部磁場對于電感的影響。如果磁鐵距離電感比較遠,電感沒有進入飽和狀態,LC諧振回路輸出信號不會受到磁鐵的影響。

如果磁鐵靠近電感比較近,電感磁芯會進入飽和狀態。電感量變小,進而諧振回路的頻率就會變化,輸出的信號就會變小,甚至消失。

下圖顯示了使用磁鐵均勻劃過電感頂部時所引起輸出諧振信號的變化。

▲ 永磁鐵通過電感時對感應的信號的影響

將磁鐵劃過電感頂部每一步對應的輸出信號幅值繪制成曲線,如下。其中信號降低到0附近的時候,對應著永磁鐵處在電感的頂部附近的情況。

▲ 使用永磁鐵經過電感時試試電壓信號變化

2.強電場對于電感的影響

使用在博文 高壓產生平臺[3] 中介紹的高壓模塊產生2400V的直流電壓,通過兩片銅箔靠近電感,使得電感處在強電場的作用下。通過測量電感的數值,可以看到電感的數值沒有發生變化。

這個實驗也證明了強的電場對于LC諧振檢測方法沒有影響。

▲ 施加在電場中的電感沒有任何變化

在很多工廠內的自動導航車(AGV)使用磁帶、磁釘等進行自動導航,適合在平地、室內應用。隨著使用磨損,后期需要進行維護。

▲ 使用磁導引帶的AGV方案

使用通有交流電的電磁線導航,鋪設起來相對比較容易,而且不用暴露在地面,沒有磨損,導引信號比較強。當然,為了避免行進道路上偶然出現的障礙、行人,在AGV上還需要安裝額外主動防撞系統來提高系統的安全性。

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