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測量傳感器，在航空、航天、地質(zhì)勘探、石油測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)計過程中，目前多采用有限元軟件分析仿真的方法來確定設(shè)計參數(shù)，這種方法耗時長，網(wǎng)格剖分復(fù)雜。磁通門傳感器的性能與探頭、激勵電路和信號處理電路相關(guān)，分別設(shè)計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)計階段對探頭、

2、激勵電路和信號處理電路進行聯(lián)合仿真是非常有必要的。由美國加州大學(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)計仿真領(lǐng)域發(fā)揮了巨大的作用，也能用來建立其他類型物理器件的模型，并對其進行仿真。要實現(xiàn)探頭、激勵電路和信號處理電路的聯(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。
　　論文的主要創(chuàng)新性研究成果如下：
　?。?）提出了利用初始磁化曲線、矯頑力和剩磁來確定磁芯磁滯回線模型參數(shù)的方法。磁通門建模的難點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實現(xiàn)，但確定其模型參數(shù)的計算非常復(fù)雜，且對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)來確定模型參數(shù)，計算過程省去了非線性方程組的離散化求解過程，較大幅度地

4、降低了計算的復(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)也越來越明顯?？紤]趨膚效應(yīng)時需要計算瞬態(tài)的磁芯截面的磁場和磁感應(yīng)強度的分布，而現(xiàn)有的磁滯回線SPICE模型假定磁芯截面磁場均勻，不能考慮趨膚效應(yīng)。本文分析考慮渦流產(chǎn)生的磁場對磁滯回線的影響，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模型與實驗結(jié)果更加接近。
　?。?

5、）提出了基于磁場積分方程法的磁通門SPICE模型自動生成方法和基于磁標(biāo)勢積分方程法的磁通門 SPICE模型自動生成方法。要實現(xiàn)探頭、激勵電路和信號處理電路的聯(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)、激勵條件等因素的影響，還要求參數(shù)能夠方便調(diào)整。針對這個問題，提出了基于磁場積分方程法的磁通門 SPICE模型自動生成方法和基于磁標(biāo)勢積分方程法的磁通門 SPICE模型自動生成方法?；诜e分方程法的磁通門SP

6、ICE模型不僅計算速度快，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條件等因素的影響，計算結(jié)果與實驗和有限元軟件結(jié)果一致。模型自動生成方法使得建模過程非常方便，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，基于磁場積分方程法和磁標(biāo)勢積分方程法自動生成的SPICE模型計算時間大大縮

7、短，但對一些特定應(yīng)用仍顯得較慢。比如需要多次改變結(jié)構(gòu)參數(shù)和激勵參數(shù)反復(fù)仿真試驗來確定最佳參數(shù)時，計算時間仍顯得太長?；诜e分方程和插值方法的磁通門SPICE模型在模型建立時通過積分方程法分析出電流與接收線圈磁通的關(guān)系，以及被測磁場與偏置電流的對應(yīng)關(guān)系，在反復(fù)試驗參數(shù)時不用計算每個網(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，尤其在激勵電流較大或被測磁場

8、較小的應(yīng)用場合，模型仿真結(jié)果幾乎與有限元仿真結(jié)果重合。
　　本文得到國家自然科學(xué)基金課題、教育部高等學(xué)校博士學(xué)科點專項科研基金課題、西北工業(yè)大學(xué)基礎(chǔ)研究基金項目、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模型仿真了激勵電壓、被測磁場等條件改變時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)果與實驗或有限元軟件仿