RTD型磁通門傳感器仿真模型研究

摘要：為了分析比較不同情況下RTD型磁通門傳感器的性能，本文根據(jù)傳感器的工作原理和組成結(jié)構(gòu)，利用simulink仿真軟件建立了RTD型磁通門傳感器的仿真模型，該模型能夠模擬傳感器的測量過程，為傳感器的性能研究提供模型依據(jù)。

關(guān)鍵詞：RTD型磁通門;傳感器;仿真模型

中圖分類號(hào)：TP212.13? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? 文章編號(hào)：1007-9416（2018）10-0000-00

1 引言

磁通門傳感器具有體積小、靈敏度高、功耗低等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于資源勘探、航空航天及海洋探測等領(lǐng)域。隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，磁通門傳感器應(yīng)用領(lǐng)域的增多，對(duì)其性能也提出了更高的要求。Bruno Andò等人發(fā)展的RTD型磁通門傳感器，具有檢測環(huán)節(jié)簡單、抗干擾能力強(qiáng)、易于實(shí)現(xiàn)數(shù)字化、微型化等優(yōu)點(diǎn)。因此，研究RTD型磁通門傳感器的仿真模型，能夠?yàn)閭鞲衅餍阅苎芯康於ɑA(chǔ)，具有重要的理論價(jià)值。

2 RTD型磁通門傳感器的工作原理

RTD型磁通門傳感器的敏感單元磁芯采用具有雙穩(wěn)態(tài)特性的軟磁材料，在激勵(lì)磁場的作用下，磁芯在正負(fù)飽和狀態(tài)間轉(zhuǎn)換，磁芯勢阱同時(shí)發(fā)生變化，飽和狀態(tài)與勢阱的穩(wěn)態(tài)點(diǎn)相對(duì)應(yīng)，磁化函數(shù)和雙勢阱函數(shù)間的動(dòng)力學(xué)方程表示如下：

（1）

式中，x（t）為磁化函數(shù)，U（x）為勢阱函數(shù)，h（t）為外部磁場，ζ為時(shí)間常數(shù)，c為無量綱參數(shù)，U（x）表達(dá)式如下：

? ? ? ? ? （2）

外部磁場形式如公式（3），He（t）為周期性交變的激勵(lì)磁場，Hx為被測磁場。當(dāng)Hx=0時(shí)，磁芯上的外部磁場對(duì)稱，磁芯駐留在兩個(gè)穩(wěn)態(tài)點(diǎn)的時(shí)間相同;當(dāng)Hx≠0時(shí)，磁芯上的外部磁場非對(duì)稱，磁芯駐留在兩個(gè)穩(wěn)態(tài)點(diǎn)的時(shí)間不相同出現(xiàn)時(shí)間差。因此，RTD型磁通門傳感器通過檢測時(shí)間差ΔT測量被測磁場Hx。

（3）

當(dāng)施加在敏感單元磁芯的外部磁場強(qiáng)度等于矯頑力時(shí)，感應(yīng)線圈輸出電壓脈沖，如圖1所示，實(shí)線為不存在被測磁場時(shí)，輸出的感應(yīng)電壓脈沖;虛線為存在被測磁場時(shí)，輸出的感應(yīng)電壓脈沖。在實(shí)際測量時(shí)，通過檢測感應(yīng)電壓脈沖峰值間的時(shí)間間隔T+和T？，獲得駐留在兩個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)的時(shí)間差值ΔT=T+？T？。

在一個(gè)周期內(nèi)磁芯飽和時(shí)，感應(yīng)電壓脈沖出現(xiàn)峰值的時(shí)刻為ti（i=1，2，3）。此時(shí)，激勵(lì)周期Te、He（t）、Hx及±Hc之間關(guān)系如下：

? ? ? ? ? ? ? ?（4）

由上式可得：

? ? ? ? ? ? ? ? （5）

感應(yīng)電壓脈沖峰值間的時(shí)間間隔T+和T？表達(dá)如下：

（6）

因此，ΔT與Hx之間的關(guān)系如下：

（7）

3 RTD型磁通門傳感器的組成

圖2所示為RTD型磁通門傳感器的組成，主要包括敏感單元和檢測電路兩部分。激勵(lì)電流施加到激勵(lì)線圈中得到激勵(lì)磁場，然后通過軟磁材料磁芯后，感應(yīng)線圈得到差分形式的電壓。前置放大器需要設(shè)計(jì)抑制共模干擾的差分放大電路，再通過放大電路將感應(yīng)電壓放大到便于整形的幅度，整形成占空比隨被測磁場Hx改變的脈沖電壓，隨后進(jìn)行計(jì)數(shù)得到時(shí)間差ΔT測量被測磁場Hx。

4 RTD型磁通門傳感器仿真模型搭建

為了研究RTD型磁通門傳感器在不同情況下的性能，需要構(gòu)建傳感器的仿真模型，由于Simulink是一個(gè)與Matlab融為一體，對(duì)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行模擬、仿真和分析的應(yīng)用軟件。因此，本文采用Simulink軟件，根據(jù)傳感器的工作原理和組成，搭建模塊化的仿真模型，如圖3所示。

激勵(lì)磁場He（t）利用信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生，通過設(shè)置發(fā)生器的幅度、頻率及波形，可以獲得不同的激勵(lì)磁場;被測磁場Hx利用常數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生，通過調(diào)整參數(shù)來改變被測磁場Hx的方向及大小;被測磁場Hx與激勵(lì)磁場He（t）利用加法器相加，獲得外部磁場h（t）;磁芯采用理想磁滯回線模型，利用斯密特觸發(fā)器產(chǎn)生，轉(zhuǎn)換閾值設(shè)置為矯頑力值;感應(yīng)電壓e（t）利用乘法模塊和求導(dǎo)模塊構(gòu)成;利用計(jì)數(shù)器對(duì)感應(yīng)電壓e（t）進(jìn)行計(jì)數(shù)，計(jì)算脈沖間的時(shí)間差ΔT。

按照?qǐng)D3搭建的傳感器仿真模型，采用正弦波磁場激勵(lì)，設(shè)置激勵(lì)頻率為10Hz，激勵(lì)幅度為5A/m，被測磁場為0.8A/m，得到傳感器輸出時(shí)間差？T與被測磁場Hx，如圖4所示。由圖可知，本文設(shè)計(jì)的仿真模型與RTD型磁通門傳感器的工作原理相一致，能夠模擬傳感器的實(shí)際測量過程。因此，可以通過設(shè)置不同的模型參數(shù)，對(duì)比研究不同情況下傳感器的性能。

5 結(jié)語

本文闡述RTD型磁通門傳感器的工作原理，推導(dǎo)了時(shí)間差與被測磁場的關(guān)系，介紹了傳感器的組成結(jié)構(gòu)。在此基礎(chǔ)上，利用simulink仿真軟件搭建了傳感器的仿真模型，為研究RTD型磁通門傳感器的性能提供了模型依據(jù)。

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Research on Simulation Model of RTD-fluxgate Sensor

PANG Na

（College of Computer Science and Technology Beihua University，Jilin Jilin? 132013）

Abstract： In order to analyze and compare the performance of RTD-fluxgate sensor under different conditions， according to the working principle and structure of the sensor， a simulation model of RTD-fluxgate sensor is established by using Simulink simulation software. The model can simulate the measurement process of the sensor and provide a model basis for the performance research of the sensor.

Keywords： RTD-fluxgate;sensor;simulation model