我們想將我們的智能車(chē)放在變電站中通過(guò)電磁線(xiàn)引導(dǎo)來(lái)實(shí)現(xiàn)巡軌，從而對(duì)變電站的環(huán)境進(jìn)行一些實(shí)時(shí)的監(jiān)控。

但我們了解到變電站有強(qiáng)的電磁場(chǎng)，它們會(huì)影響電磁巡跡嗎？之前看您的推文了解到電感檢測(cè)只會(huì)收到同頻率的電磁的干擾，不知道在強(qiáng)磁場(chǎng)內(nèi)會(huì)不會(huì)受影響。或者我可以找哪些相關(guān)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(hào)，以及工作在強(qiáng)電下的各種變壓設(shè)備。在空間中存在著很強(qiáng)的電場(chǎng)和磁場(chǎng)。

1.變壓器旁邊的泄露磁場(chǎng)

比如，在大型變壓器周?chē)瑫?huì)存在著變壓器泄露出的50Hz的交變磁場(chǎng)。下面是一個(gè)小型的變壓器，就使用小型的工字型10mH電感，在變壓器周?chē)鷦澾^(guò)，就會(huì)感應(yīng)出50Hz的信號(hào)。

▲ 掃描變壓器外邊磁場(chǎng)的路徑

下圖顯示了從變壓器左側(cè)均勻劃過(guò)變壓器過(guò)程中，使用萬(wàn)用表交流檔測(cè)量電感兩端的交流電壓幅值隨著移動(dòng)位置變化的情況。說(shuō)明變壓器的確存在著泄露交變磁場(chǎng)，距離變壓器越近，電感中所感應(yīng)的電壓越強(qiáng)。

▲ 變壓器之外的電磁場(chǎng)強(qiáng)度

2.電磁線(xiàn)導(dǎo)航檢測(cè)原理

(1) 影響因素分析

如果使用和智能車(chē)競(jìng)賽用于檢測(cè)賽道電磁線(xiàn)相同的工字型電感（10mH），在配有諧振電容（6.8nF）來(lái)檢測(cè)導(dǎo)引電磁線(xiàn)的位置，那么變電站內(nèi)的干擾電場(chǎng)和磁場(chǎng)對(duì)于傳感器影響并不大。

首先，由于采用電感檢測(cè)原理，所以強(qiáng)電場(chǎng)不會(huì)在電感中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。

其次，存在的工頻磁場(chǎng)雖然可以在工字型電感中產(chǎn)生感應(yīng)交流電動(dòng)勢(shì)，但是相對(duì)較弱。比如前面對(duì)小型變壓器測(cè)量泄露磁場(chǎng)檢測(cè)的數(shù)值可以看到，感應(yīng)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(cè)信號(hào)

對(duì)于導(dǎo)引路徑的20kHz的電磁線(xiàn)來(lái)說(shuō)，它產(chǎn)生的磁場(chǎng)在電感中感應(yīng)出的電容式，經(jīng)過(guò)電感和諧振電容的諧振之后，輸出的電壓信號(hào)就非常強(qiáng)了。

下圖給出了并聯(lián)有諧振電容的電感等效電路。對(duì)于交變磁場(chǎng)所產(chǎn)生的感應(yīng)電容式來(lái)講，這個(gè)電路是LC串聯(lián)諧振。最終在電容上所產(chǎn)生的電壓信號(hào)要比感應(yīng)電容式高出Q倍。Q是RLC諧振電路品質(zhì)因子。

▲ 并聯(lián)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(duì)于前面給出的L=10mH，C1=6.8nF，對(duì)應(yīng)的電路特征阻抗等于1212.7Ω。如果電感的等效串聯(lián)點(diǎn)租為25歐姆，那么RLC諧振電路品質(zhì)因子Q=48.51。這相當(dāng)于傳感器對(duì)于諧振頻率交流信號(hào)放大了近50倍。

(3) 實(shí)驗(yàn)對(duì)比諧振與非諧振檢測(cè)

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(xiàn)橫著移動(dòng)通過(guò)是，觀察到的感應(yīng)出的20kHz的諧振交流信號(hào)。

▲ 帶有諧振電容的電感橫掃過(guò)電磁線(xiàn)

下圖反映了隨著檢測(cè)電感距離電磁線(xiàn)的距離便往，傳感器所檢測(cè)到的水平方向的電磁場(chǎng)的強(qiáng)度變化曲線(xiàn)。根據(jù)這個(gè)變化信息可以檢測(cè)出電磁線(xiàn)的位置。

▲ 電磁線(xiàn)周?chē)拇艌?chǎng)強(qiáng)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(hào)就非常凌亂，而且幅值很小。可以看到20kHz的導(dǎo)引電磁場(chǎng)信號(hào)完全淹沒(méi)在干擾信號(hào)中。

▲ 不增加諧振電容式電感兩端的信號(hào)波形

下圖顯示了同樣的電感，只是沒(méi)有采用匹配的諧振電容，在電磁線(xiàn)橫向劃過(guò)，檢測(cè)到的水平方向的交變磁場(chǎng)強(qiáng)度變化情況。這個(gè)信號(hào)的強(qiáng)度根本無(wú)法反應(yīng)導(dǎo)航電磁線(xiàn)的位置了。

▲ 不加諧振電容式，傳感器在經(jīng)過(guò)線(xiàn)圈是所得到的電壓變化

根據(jù)工字型電感配有諧振電容檢測(cè)20kHz導(dǎo)航交變磁場(chǎng)的原理，可以看到在變電站中的變化的50Hz的磁場(chǎng)對(duì)于導(dǎo)航信號(hào)并沒(méi)有太大的影響。

1.強(qiáng)磁場(chǎng)會(huì)使電感飽和

但是，如果碰到的磁場(chǎng)強(qiáng)度非常大，如果是的電感磁芯飽和，那么就會(huì)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(dǎo)航電流頻率（20kHz），進(jìn)而會(huì)降低采集信號(hào)的幅值。

下圖顯示了外部磁鐵對(duì)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(huì)看到LCR表測(cè)量的電感值在變小。

▲ 永磁鐵對(duì)于電感的影響

2.測(cè)量電感飽和顯現(xiàn)

可以使用線(xiàn)性霍爾器件定量的測(cè)量出電感飽和磁場(chǎng)強(qiáng)度。

下面使用了在博文線(xiàn)性霍爾傳感器[1] 中介紹的霍爾器件3503測(cè)量電感的磁感應(yīng)強(qiáng)度。根據(jù)霍爾3503[2] 數(shù)據(jù)手冊(cè)給出的指標(biāo)，它的靈敏度為1.3mV/G。

▲ 測(cè)量電感的示意圖

通過(guò)改變施加在電感上的供電電壓來(lái)改變電感的電流值。這樣便可以測(cè)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(yīng)強(qiáng)度

從測(cè)量的曲線(xiàn)來(lái)看，霍爾輸出變化大約130mV，說(shuō)明在電感 磁芯的磁感應(yīng)強(qiáng)度大約是100高斯。曲線(xiàn) 也說(shuō)明，當(dāng)磁芯中的磁感應(yīng)強(qiáng)度超過(guò)80高斯之后，磁芯就趨于飽和。

當(dāng)區(qū)域飽和之后，變化的電流就不在影響磁通量的變化，對(duì)應(yīng)的電感量就會(huì)急劇下降。進(jìn)而也會(huì)使得檢測(cè)信號(hào)減弱。

因此，需要根據(jù)所使用的電感磁芯材料的說(shuō)明，避免碰到特別強(qiáng)的磁場(chǎng)，避免電感磁芯飽和。

1.強(qiáng)磁場(chǎng)對(duì)于LC回路影響

將電感和相應(yīng)的諧振電容放置在電磁線(xiàn)周?chē)Ｋ敵鰴z測(cè)到的20kHz的導(dǎo)航信號(hào)。

然后使用 一塊永磁鐵從電感頂部劃過(guò)，展示外部磁場(chǎng)對(duì)于電感的影響。如果磁鐵距離電感比較遠(yuǎn)，電感沒(méi)有進(jìn)入飽和狀態(tài)，LC諧振回路輸出信號(hào)不會(huì)受到磁鐵的影響。

如果磁鐵靠近電感比較近，電感磁芯會(huì)進(jìn)入飽和狀態(tài)。電感量變小，進(jìn)而諧振回路的頻率就會(huì)變化，輸出的信號(hào)就會(huì)變小，甚至消失。

下圖顯示了使用磁鐵均勻劃過(guò)電感頂部時(shí)所引起輸出諧振信號(hào)的變化。

▲ 永磁鐵通過(guò)電感時(shí)對(duì)感應(yīng)的信號(hào)的影響

將磁鐵劃過(guò)電感頂部每一步對(duì)應(yīng)的輸出信號(hào)幅值繪制成曲線(xiàn)，如下。其中信號(hào)降低到0附近的時(shí)候，對(duì)應(yīng)著永磁鐵處在電感的頂部附近的情況。

▲ 使用永磁鐵經(jīng)過(guò)電感時(shí)試試電壓信號(hào)變化

2.強(qiáng)電場(chǎng)對(duì)于電感的影響

使用在博文高壓產(chǎn)生平臺(tái)[3] 中介紹的高壓模塊產(chǎn)生2400V的直流電壓，通過(guò)兩片銅箔靠近電感，使得電感處在強(qiáng)電場(chǎng)的作用下。通過(guò)測(cè)量電感的數(shù)值，可以看到電感的數(shù)值沒(méi)有發(fā)生變化。

這個(gè)實(shí)驗(yàn)也證明了強(qiáng)的電場(chǎng)對(duì)于LC諧振檢測(cè)方法沒(méi)有影響。

▲ 施加在電場(chǎng)中的電感沒(méi)有任何變化

在很多工廠(chǎng)內(nèi)的自動(dòng)導(dǎo)航車(chē)（AGV）使用磁帶、磁釘?shù)冗M(jìn)行自動(dòng)導(dǎo)航，適合在平地、室內(nèi)應(yīng)用。隨著使用磨損，后期需要進(jìn)行維護(hù)。

▲ 使用磁導(dǎo)引帶的AGV方案

使用通有交流電的電磁線(xiàn)導(dǎo)航，鋪設(shè)起來(lái)相對(duì)比較容易，而且不用暴露在地面，沒(méi)有磨損，導(dǎo)引信號(hào)比較強(qiáng)。當(dāng)然，為了避免行進(jìn)道路上偶然出現(xiàn)的障礙、行人，在AGV上還需要安裝額外主動(dòng)防撞系統(tǒng)來(lái)提高系統(tǒng)的安全性。