磁通門傳感器SPICE建模方法研究.pdf

1、磁通門傳感器是一種具有很好綜合性能的磁場(chǎng)測(cè)量傳感器，在航空、航天、地質(zhì)勘探、石油測(cè)井等要求高精度和高穩(wěn)定性的領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。磁通門傳感器的飽和激勵(lì)工作方式不僅造成功耗偏大也使得磁通門的建模難度增大。在磁通門傳感器設(shè)計(jì)過(guò)程中，目前多采用有限元軟件分析仿真的方法來(lái)確定設(shè)計(jì)參數(shù)，這種方法耗時(shí)長(zhǎng)，網(wǎng)格剖分復(fù)雜。磁通門傳感器的性能與探頭、激勵(lì)電路和信號(hào)處理電路相關(guān)，分別設(shè)計(jì)這三部分的方法很難獲得最佳性能。為了獲得最佳性能，在設(shè)計(jì)階段對(duì)探頭、

2、激勵(lì)電路和信號(hào)處理電路進(jìn)行聯(lián)合仿真是非常有必要的。由美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校推出的電路分析軟件（Simulation program with integrated circuit emphasis，SPICE）不僅在集成電路設(shè)計(jì)仿真領(lǐng)域發(fā)揮了巨大的作用，也能用來(lái)建立其他類型物理器件的模型，并對(duì)其進(jìn)行仿真。要實(shí)現(xiàn)探頭、激勵(lì)電路和信號(hào)處理電路的聯(lián)合仿真，建立精確的磁通門傳感器 SPICE模型是關(guān)鍵。本文主要研究磁通門傳感器SPICE模型的建

3、模方法。
　　論文的主要?jiǎng)?chuàng)新性研究成果如下：
　?。?）提出了利用初始磁化曲線、矯頑力和剩磁來(lái)確定磁芯磁滯回線模型參數(shù)的方法。磁通門建模的難點(diǎn)之一是磁芯磁特性的建模，盡管Brachtendorf建立的磁芯磁滯回線模型比較適合用SPICE實(shí)現(xiàn)，但確定其模型參數(shù)的計(jì)算非常復(fù)雜，且對(duì)初始值的選取要求苛刻。本文提出的方法僅采用初始磁化曲線、矯頑力和剩磁作為原始數(shù)據(jù)來(lái)確定模型參數(shù)，計(jì)算過(guò)程省去了非線性方程組的離散化求解過(guò)程，較大幅度地

4、降低了計(jì)算的復(fù)雜度。
　?。?）提出了一種考慮趨膚效應(yīng)的磁芯磁滯回線SPICE建模方法。隨著磁通門的工作頻率增加，靈敏度增加，趨膚效應(yīng)也越來(lái)越明顯?？紤]趨膚效應(yīng)時(shí)需要計(jì)算瞬態(tài)的磁芯截面的磁場(chǎng)和磁感應(yīng)強(qiáng)度的分布，而現(xiàn)有的磁滯回線SPICE模型假定磁芯截面磁場(chǎng)均勻，不能考慮趨膚效應(yīng)。本文分析考慮渦流產(chǎn)生的磁場(chǎng)對(duì)磁滯回線的影響，得到的數(shù)學(xué)模型考慮了趨膚效應(yīng)，基于該數(shù)學(xué)模型的磁芯磁滯回線 SPICE模型與實(shí)驗(yàn)結(jié)果更加接近。
　?。?

5、）提出了基于磁場(chǎng)積分方程法的磁通門SPICE模型自動(dòng)生成方法和基于磁標(biāo)勢(shì)積分方程法的磁通門 SPICE模型自動(dòng)生成方法。要實(shí)現(xiàn)探頭、激勵(lì)電路和信號(hào)處理電路的聯(lián)合仿真，建立磁通門SPICE模型，不僅要在模型中綜合考慮探頭結(jié)構(gòu)、磁芯參數(shù)、激勵(lì)條件等因素的影響，還要求參數(shù)能夠方便調(diào)整。針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，提出了基于磁場(chǎng)積分方程法的磁通門 SPICE模型自動(dòng)生成方法和基于磁標(biāo)勢(shì)積分方程法的磁通門 SPICE模型自動(dòng)生成方法?；诜e分方程法的磁通門SP

6、ICE模型不僅計(jì)算速度快，而且綜合考慮了磁通門的磁芯形狀、磁芯磁性能、線圈位置、線圈繞線方式和激勵(lì)條件等因素的影響，計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)和有限元軟件結(jié)果一致。模型自動(dòng)生成方法使得建模過(guò)程非常方便，只需輸入磁通門的結(jié)構(gòu)參數(shù)和磁芯材料參數(shù)，即可快速建立對(duì)應(yīng)的磁通門SPICE模型。
　?。?）提出了基于積分方程和插值方法的磁通門SPICE模型。與有限元法分析磁通門相比，基于磁場(chǎng)積分方程法和磁標(biāo)勢(shì)積分方程法自動(dòng)生成的SPICE模型計(jì)算時(shí)間大大縮

7、短，但對(duì)一些特定應(yīng)用仍顯得較慢。比如需要多次改變結(jié)構(gòu)參數(shù)和激勵(lì)參數(shù)反復(fù)仿真試驗(yàn)來(lái)確定最佳參數(shù)時(shí)，計(jì)算時(shí)間仍顯得太長(zhǎng)?；诜e分方程和插值方法的磁通門SPICE模型在模型建立時(shí)通過(guò)積分方程法分析出電流與接收線圈磁通的關(guān)系，以及被測(cè)磁場(chǎng)與偏置電流的對(duì)應(yīng)關(guān)系，在反復(fù)試驗(yàn)參數(shù)時(shí)不用計(jì)算每個(gè)網(wǎng)格的磁化狀態(tài)就能得到接收線圈磁通，有效減少了待求解未知數(shù)，計(jì)算速度快。所建立的SPICE模型仿真結(jié)果與有限元軟件仿真結(jié)果符合良好，尤其在激勵(lì)電流較大或被測(cè)磁場(chǎng)

8、較小的應(yīng)用場(chǎng)合，模型仿真結(jié)果幾乎與有限元仿真結(jié)果重合。
　　本文得到國(guó)家自然科學(xué)基金課題、教育部高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專項(xiàng)科研基金課題、西北工業(yè)大學(xué)基礎(chǔ)研究基金項(xiàng)目、西安應(yīng)用材料創(chuàng)新基金課題資助。采用本文的磁通門SPICE建模方法，以螺線管磁通門和平面磁通門為例建立相應(yīng)結(jié)構(gòu)的SPICE模型，用所建立的SPICE模型仿真了激勵(lì)電壓、被測(cè)磁場(chǎng)等條件改變時(shí)的接收線圈輸出電壓、二次諧波電壓幅值，將這些SPICE模型仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)或有限元軟件仿