磁场对于电感路径检测的影响

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卓大大,你好,我想问您一个关于磁场干扰电感检测的问题。我们想将我们的智能车放在变电站中通过电磁线引导来实现巡轨,从而对变电站的环境进行一些实时的监控。

但我们了解到变电站有强的电磁场,它们会影响电磁巡迹吗?之前看您的推文了解到电感检测只会收到同频率的电磁的干扰,不知道在强磁场内会不会受影响。或者我可以找哪些相关的资料去查阅吗?

▲ 大型变流电站

的确在变流电站中存在着各种高压、大电流功率信号,以及工作在强电下的各种变压设备。在空间中存在着很强的电场和磁场。

1.变压器旁边的泄露磁场

比如,在大型变压器周围,会存在着变压器泄露出的50Hz的交变磁场。下面是一个小型的变压器,就使用小型的工字型10mH电感,在变压器周围划过,就会感应出50Hz的信号。

▲ 扫描变压器外边磁场的路径

下图显示了从变压器左侧均匀划过变压器过程中,使用万用表交流档测量电感两端的交流电压幅值随着移动位置变化的情况。说明变压器的确存在着泄露交变磁场,距离变压器越近,电感中所感应的电压越强。

▲ 变压器之外的电磁场强度

2.电磁线导航检测原理

(1) 影响因素分析

如果使用和智能车竞赛用于检测赛道电磁线相同的工字型电感(10mH),在配有谐振电容(6.8nF)来检测导引电磁线的位置,那么变电站内的干扰电场和磁场对于传感器影响并不大。

首先,由于采用电感检测原理,所以强电场不会在电感中产生感应电动势。

其次,存在的工频磁场虽然可以在工字型电感中产生感应交流电动势,但是相对较弱。比如前面对小型变压器测量泄露磁场检测的数值可以看到,感应的50Hz交流电压幅值很小,而且随着距离变压器的距离增加,幅值也大幅度降低。

(2) 谐振检测信号

对于导引路径的20kHz的电磁线来说,它产生的磁场在电感中感应出的电容式,经过电感和谐振电容的谐振之后,输出的电压信号就非常强了。

下图给出了并联有谐振电容的电感等效电路。对于交变磁场所产生的感应电容式来讲,这个电路是LC串联谐振。最终在电容上所产生的电压信号要比感应电容式高出Q倍。Q是RLC谐振电路品质因子。

▲ 并联有谐振电容的工字型电感等效电路

其中Z0是RLC谐振电路的特征阻抗。对于前面给出的L=10mH,C1=6.8nF,对应的电路特征阻抗等于1212.7Ω。如果电感的等效串联点租为25欧姆,那么RLC谐振电路品质因子Q=48.51。这相当于传感器对于谐振频率交流信号放大了近50倍。

(3) 实验对比谐振与非谐振检测

下图显示了使用工字型电感在通有100mA 20kHz交变电流的电磁线横着移动通过是,观察到的感应出的20kHz的谐振交流信号。

▲ 带有谐振电容的电感横扫过电磁线

下图反映了随着检测电感距离电磁线的距离便往,传感器所检测到的水平方向的电磁场的强度变化曲线。根据这个变化信息可以检测出电磁线的位置。

▲ 电磁线周围的磁场强度

如果在电感上不匹配谐振电容(6.2 ~ 6.8nF),那么电感两端的电压信号就非常凌乱,而且幅值很小。可以看到20kHz的导引电磁场信号完全淹没在干扰信号中。

▲ 不增加谐振电容式电感两端的信号波形

下图显示了同样的电感,只是没有采用匹配的谐振电容,在电磁线横向划过,检测到的水平方向的交变磁场强度变化情况。这个信号的强度根本无法反应导航电磁线的位置了。

▲ 不加谐振电容式,传感器在经过线圈是所得到的电压变化

根据工字型电感配有谐振电容检测20kHz导航交变磁场的原理,可以看到在变电站中的变化的50Hz的磁场对于导航信号并没有太大的影响。

1.强磁场会使电感饱和

但是,如果碰到的磁场强度非常大,如果是的电感磁芯饱和,那么就会影响电感的电感量,从而使得传感器谐振回路的频率不再是导航电流频率(20kHz),进而会降低采集信号的幅值。

下图显示了外部磁铁对于普通电感的电感量的影响。手指钕铁硼永磁铁靠近工字型电感(10mH)附近,会看到LCR表测量的电感值在变小。

▲ 永磁铁对于电感的影响

2.测量电感饱和显现

可以使用线性霍尔器件定量的测量出电感饱和磁场强度。

下面使用了在博文 线性霍尔传感器[1] 中介绍的霍尔器件3503测量电感的磁感应强度。根据 霍尔3503[2] 数据手册给出的指标,它的灵敏度为1.3mV/G。

▲ 测量电感的示意图

通过改变施加在电感上的供电电压来改变电感的电流值。这样便可以测量出不同供电电压下霍尔3505的输出电压的变化。如下图所示:

▲ 工字型电感的供电电压与顶部磁感应强度

从测量的曲线来看,霍尔输出变化大约130mV,说明在电感 磁芯的磁感应强度大约是100高斯。曲线 也说明,当磁芯中的磁感应强度超过80高斯之后,磁芯就趋于饱和。

当区域饱和之后,变化的电流就不在影响磁通量的变化,对应的电感量就会急剧下降。进而也会使得检测信号减弱。

因此,需要根据所使用的电感磁芯材料的说明,避免碰到特别强的磁场,避免电感磁芯饱和。

1.强磁场对于LC回路影响

将电感和相应的谐振电容放置在电磁线周围。它输出检测到的20kHz的导航信号。

然后使用 一块永磁铁从电感顶部划过,展示外部磁场对于电感的影响。如果磁铁距离电感比较远,电感没有进入饱和状态,LC谐振回路输出信号不会受到磁铁的影响。

如果磁铁靠近电感比较近,电感磁芯会进入饱和状态。电感量变小,进而谐振回路的频率就会变化,输出的信号就会变小,甚至消失。

下图显示了使用磁铁均匀划过电感顶部时所引起输出谐振信号的变化。

▲ 永磁铁通过电感时对感应的信号的影响

将磁铁划过电感顶部每一步对应的输出信号幅值绘制成曲线,如下。其中信号降低到0附近的时候,对应着永磁铁处在电感的顶部附近的情况。

▲ 使用永磁铁经过电感时试试电压信号变化

2.强电场对于电感的影响

使用在博文 高压产生平台[3] 中介绍的高压模块产生2400V的直流电压,通过两片铜箔靠近电感,使得电感处在强电场的作用下。通过测量电感的数值,可以看到电感的数值没有发生变化。

这个实验也证明了强的电场对于LC谐振检测方法没有影响。

▲ 施加在电场中的电感没有任何变化

在很多工厂内的自动导航车(AGV)使用磁带、磁钉等进行自动导航,适合在平地、室内应用。随着使用磨损,后期需要进行维护。

▲ 使用磁导引带的AGV方案

使用通有交流电的电磁线导航,铺设起来相对比较容易,而且不用暴露在地面,没有磨损,导引信号比较强。当然,为了避免行进道路上偶然出现的障碍、行人,在AGV上还需要安装额外主动防撞系统来提高系统的安全性。

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