磁通門(mén)磁探頭參數(shù)仿真優(yōu)化*

望 翔 齊侃侃 包 忠

（宜昌測(cè)試技術(shù)研究所 宜昌 443000）

1 引言

磁通門(mén)傳感器是一種用于測(cè)量直流磁場(chǎng)和低頻交流磁場(chǎng)的矢量傳感器，因其具有噪聲小、溫飄低、功耗低、體積小等特點(diǎn)，在地磁場(chǎng)環(huán)境監(jiān)測(cè)、港口安防、UUV磁探、水下磁測(cè)陣列等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。

得益于計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)發(fā)展，采用仿真技術(shù)分析磁通門(mén)傳感器成為一種較為可靠的研究方式［1～3］。由于磁芯材料磁化曲線多為非線性函數(shù)近似公式擬合，且磁芯幾何形狀引起的退磁場(chǎng)的影響考慮不全，所以利用SPICE模型的仿真結(jié)果誤差相對(duì)較大。因此，考慮有限元仿真軟件Maxwell能直接導(dǎo)入磁性材料各項(xiàng)參數(shù)［4～5］，采用Maxwell建立了磁探頭的3D模型及激勵(lì)檢測(cè)電路。對(duì)磁探頭進(jìn)行磁路、電路聯(lián)合仿真，得到不同探頭模型對(duì)應(yīng)磁探頭磁場(chǎng)分布、磁導(dǎo)率分布和傳感器的激勵(lì)電流波形［6～7］。仿真結(jié)果表明磁芯磁導(dǎo)率及激勵(lì)電流與磁芯長(zhǎng)度、對(duì)稱性有關(guān)，長(zhǎng)度相同且磁芯長(zhǎng)度小于激勵(lì)線圈長(zhǎng)度的磁探頭性能更優(yōu)［8］。

2 磁通門(mén)傳感器工作原理

為改善單芯磁探頭中存在的變壓器效應(yīng)，采用如圖1所示的雙磁芯對(duì)稱型磁探頭結(jié)構(gòu)。磁芯線圈采用如圖1所示的繞制方向，抵消變壓器效應(yīng)，進(jìn)而提高磁通門(mén)磁場(chǎng)測(cè)量精度［9］。

圖1 雙磁芯磁通門(mén)模型

圖1中的雙磁芯磁通門(mén)激勵(lì)線圈兩端施加正弦信號(hào)，其角頻率為ω，假設(shè)激勵(lì)線圈在上半磁芯產(chǎn)生的磁場(chǎng)He與待測(cè)量環(huán)境磁場(chǎng)Hx方向相同，可得到上半部磁芯內(nèi)磁感應(yīng)強(qiáng)度B：

上半部分感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)：

如圖1所示，上下兩平行磁芯的激勵(lì)線圈反向串聯(lián)，可得下半部分磁芯內(nèi)磁感應(yīng)強(qiáng)度：

下半部分感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)：

式中：Hm為等效激勵(lì)幅值，N為感應(yīng)線圈匝數(shù)；S為磁芯截面積，μ為磁導(dǎo)率，Hx為環(huán)境磁場(chǎng)強(qiáng)度。根據(jù)以上分析，可求得雙磁芯磁通門(mén)在信號(hào)線圈中產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)總和如下：

式（5）表明磁通門(mén)的輸出信號(hào)中只含有偶次諧波信號(hào)，且與被測(cè)量磁場(chǎng)呈正比關(guān)系。式（5）即為對(duì)稱型雙磁芯磁通門(mén)的數(shù)學(xué)模型，以上推導(dǎo)過(guò)程要求兩磁芯參數(shù)一致、位置對(duì)稱，因此在實(shí)際設(shè)計(jì)磁探頭過(guò)程中應(yīng)盡量保證上磁芯參數(shù)一致。

3 磁探頭物理模型仿真

3.1 多尺寸磁探頭模型建立

決定磁性材料性質(zhì)的參數(shù)有相對(duì)磁導(dǎo)率、退磁系數(shù)、飽和磁導(dǎo)率、外形尺寸等，這些參數(shù)的影響都將反映在材料磁滯回線（B-H曲線）上［10～12］。磁芯材料一經(jīng)確定，影響磁探頭性能的是磁芯幾何尺寸和安裝誤差，因此選用不同尺寸的磁芯建立探頭模型進(jìn)行對(duì)比。本文選擇磁芯橫向尺寸均為3mm，縱向尺寸分別為18mm、20mm、22mm。

在ANSYS Maxwell中根據(jù)雙磁芯磁探頭的結(jié)構(gòu)建立如圖2所示的結(jié)構(gòu)模型，導(dǎo)入磁性材料參數(shù)進(jìn)行仿真計(jì)算。

圖2 磁探頭模型結(jié)構(gòu)圖

圖2表示了22mm&22mm縱向尺寸組合的磁芯，內(nèi)層薄片表示磁芯，外層包裹激勵(lì)線圈。L1、L2表示磁芯長(zhǎng)度，改變L1、L2的值，建立多種探頭模型，磁芯長(zhǎng)度組合形式如表1所示。

表1 磁芯長(zhǎng)度組合

3.2 磁芯表面磁感應(yīng)強(qiáng)度分布云圖

磁芯模型建立完成后，仿真得到如圖3所示磁芯內(nèi)部磁感應(yīng)強(qiáng)度分布云圖，并將磁感應(yīng)強(qiáng)度以顏色深淺形式顯示在磁芯表面。

圖3分別表示5種不同長(zhǎng)度磁芯組合在接近飽和時(shí)磁感應(yīng)強(qiáng)度的分布情況，中間位置即顏色較深，表示已趨近飽和；磁芯兩端由于退磁場(chǎng)的作用磁芯部分區(qū)域沒(méi)有處于飽和狀態(tài)。比較上述五張圖，對(duì)比圖3（a）和圖3（c），兩根18mm磁芯模型和兩根22mm磁芯模型，圖3（a）磁芯飽和程度明顯優(yōu)于圖3（c）。對(duì)比圖3（d）、圖3（e）可知，當(dāng)磁芯長(zhǎng)度小于等于激勵(lì)線圈，即磁芯被激勵(lì)線圈完全包裹的結(jié)構(gòu)，其磁芯飽和程度更優(yōu)。圖3（b）結(jié)果介于圖3（a）與圖3（d）之間。

圖3 不同長(zhǎng)度磁芯模型比較

磁通門(mén)數(shù)學(xué)模型是建立在兩根磁芯完全一致，并處于充分飽和狀態(tài)下的，工程應(yīng)用中磁通門(mén)傳感器由探頭引起的噪聲或不準(zhǔn)確性，顯然與磁芯處于非完全飽和狀態(tài)有關(guān)，改善磁芯在特定時(shí)刻的飽和程度，能一定程度上提高磁通門(mén)精度［12～14］。

3.3 磁芯內(nèi)部飽和情況分析

通過(guò)磁感應(yīng)強(qiáng)度分布云圖，能得到磁芯表面磁感應(yīng)強(qiáng)度分布情況，但對(duì)于磁芯內(nèi)部無(wú)法直觀顯示。為分析磁芯內(nèi)部飽和情況，在Maxwell的磁芯模型，選取磁芯中線為掃描路徑，得到如圖4（a）、4（b）所示的5種不同長(zhǎng)度磁芯模型下磁芯中線位置磁感應(yīng)強(qiáng)度變化曲線。

圖4 磁芯內(nèi)部磁感應(yīng)強(qiáng)度變化

圖4反映出，磁芯中線位置磁感應(yīng)強(qiáng)度整體趨勢(shì)是兩邊小，中間大并接近飽和。由于磁芯退磁場(chǎng)的存在，在磁芯外部產(chǎn)生與磁芯內(nèi)部方向相反的磁場(chǎng)分布，這使得平行放置的兩片磁芯會(huì)相互退磁，從而導(dǎo)致兩磁芯邊緣位置內(nèi)部磁感應(yīng)強(qiáng)度減小。對(duì)稱放置的兩個(gè)磁芯得到的仿真結(jié)果基本一致。

將差異最大的圖4（a）曲線1（18mm磁芯）和曲線3（20mm磁芯）進(jìn)行比較，曲線1磁芯邊緣區(qū)域的內(nèi)部磁感應(yīng)強(qiáng)度接近495mT，中間部分大部分處于飽和狀態(tài)即磁感應(yīng)強(qiáng)度值為590mT；而曲線3表示22mm磁芯邊緣區(qū)域的內(nèi)部磁感應(yīng)強(qiáng)度分布極不均勻，最小值可達(dá)100mT且出現(xiàn)多次波動(dòng)，這是因?yàn)檫吘墔^(qū)域空間內(nèi)的激勵(lì)磁場(chǎng)分布不均導(dǎo)致。

比較圖4其他曲線，可知當(dāng)磁芯長(zhǎng)度小于激勵(lì)線圈，處于激勵(lì)線圈內(nèi)部，飽和更充分；磁芯與激勵(lì)線圈長(zhǎng)度一致時(shí)，飽和效果較好，邊緣位置較少不飽和區(qū)域；磁芯長(zhǎng)度大于激勵(lì)線圈，磁芯邊緣飽和情況最差，磁感應(yīng)強(qiáng)度最低處只有中心位置20%。但實(shí)際工程應(yīng)用不可能將磁芯長(zhǎng)度做到無(wú)限短，或?qū)⒓?lì)線圈長(zhǎng)度做到無(wú)限長(zhǎng)，選取合適長(zhǎng)度的磁芯更符合實(shí)際工程應(yīng)用。

此外，圖4（b）曲線表示磁芯邊緣磁感應(yīng)強(qiáng)度變化顯著，上下兩磁芯長(zhǎng)度不一致情況下，如圖4（b）所示距離磁芯中心位置不同距離，磁感應(yīng)強(qiáng)度大小。在9mm～11mm附近（磁芯邊緣）上下磁芯磁感應(yīng)強(qiáng)度值相差大，存在明顯的不對(duì)稱。這是由于磁芯結(jié)構(gòu)不對(duì)稱，導(dǎo)致相同橫坐標(biāo)下磁芯內(nèi)部磁場(chǎng)分布不一致。該種情況將會(huì)直接影響磁通門(mén)零點(diǎn)值和線性度。因此，選擇具有對(duì)稱結(jié)構(gòu)，且磁芯長(zhǎng)度在允許范圍內(nèi)短一些對(duì)磁芯飽和效果較好。

4 磁探頭激勵(lì)線圈匝數(shù)仿真分析

4.1 磁通門(mén)電路模型

磁通門(mén)傳感器中涉及的各部分電路均可以采用Maxwell與Simplorer聯(lián)合仿真的方式表示［15］，通過(guò)Simplorer建立如圖5所示的等效電路，其中R1為激勵(lì)線圈電阻，E1為激勵(lì)源；R2為感應(yīng)線圈電阻及負(fù)載；E2、R2分別表示環(huán)境磁場(chǎng)電源和螺線管電阻，用來(lái)模擬環(huán)境磁場(chǎng)。

圖5 磁探頭Simplorer仿真電路

結(jié)合實(shí)驗(yàn)規(guī)律和市售磁通門(mén)規(guī)格參數(shù)，統(tǒng)一采用40KHz時(shí)鐘信號(hào)，經(jīng)分頻器和TS1開(kāi)關(guān)后給磁探頭提供10KHz的方波激勵(lì)信號(hào)，磁芯對(duì)應(yīng)激勵(lì)線圈匝數(shù)取400匝，線徑0.05mm漆包線。

4.2 激勵(lì)電壓仿真結(jié)果分析

將Maxwell 3D探頭物理模型和Simplorer電路進(jìn)行聯(lián)合仿真，得到激勵(lì)線圈內(nèi)電壓時(shí)域變化如圖6所示。同時(shí)對(duì)照?qǐng)D3、圖4可知，在激勵(lì)電壓波形處于峰值時(shí)，磁芯處于深度飽和。磁芯被激勵(lì)電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)磁化至深度飽和，此時(shí)磁芯內(nèi)部有效磁導(dǎo)率變化率最小，這也是磁通門(mén)傳感器理想工作狀態(tài)。

圖6 不同匝數(shù)激勵(lì)線圈電流變化

圖6（a）兩條曲線表示了兩激勵(lì)線圈均為400匝的激勵(lì)電流，與圖6（b）表示的400&500匝組合的激勵(lì)電流波形比較，顯然具有對(duì)稱結(jié)構(gòu)的均為400匝激勵(lì)線圈磁探頭激勵(lì)電流效果更佳。圖6（b）表明線圈長(zhǎng)度不對(duì)稱將導(dǎo)致磁芯飽和時(shí)上下兩磁芯磁場(chǎng)強(qiáng)度分布不對(duì)稱，激勵(lì)電流出現(xiàn)變化。

圖 6（a）中與圖 6（c）分別是對(duì)稱結(jié)構(gòu)的 400、500匝線圈激勵(lì)電流波形，圖6（a）激勵(lì)電流最大值接近50mA，而圖6（c）激勵(lì)電流最大值約40mA，表明激勵(lì)線圈的激勵(lì)線圈匝數(shù)越多激勵(lì)電流越小，即單位長(zhǎng)度匝數(shù)與激勵(lì)電流成反比。

5 仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)分析

仿真完成后，制作相同參數(shù)的磁探頭并進(jìn)行實(shí)物測(cè)試，得到激勵(lì)電流和感應(yīng)電壓結(jié)果如圖7所示。

圖7 激勵(lì)線圈電流

圖7激勵(lì)線圈電流實(shí)測(cè)圖與Maxwell聯(lián)合仿真得到的激勵(lì)電流波形較為一致。結(jié)合圖4（a）和（b）結(jié)果可知，兩個(gè)18mm磁芯組合的磁探頭模型，效果較好。雙磁芯結(jié)構(gòu)，相同磁芯長(zhǎng)度，且長(zhǎng)度均小于激勵(lì)線圈的結(jié)構(gòu)優(yōu)于其他結(jié)構(gòu)。

6 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)建立基于Maxwell軟件的雙磁芯磁探頭物理模型與電路模型，分析了磁探頭磁芯內(nèi)部磁場(chǎng)分布情況和激勵(lì)電流波形。

結(jié)果顯示當(dāng)雙磁芯結(jié)構(gòu)尺寸相同，且磁芯長(zhǎng)度小于激勵(lì)線圈長(zhǎng)度的探頭結(jié)構(gòu)，其激勵(lì)電流誤差最小。文中仿真模型簡(jiǎn)單且準(zhǔn)確度較高，可以幫助我們更直觀方便地理解磁通門(mén)傳感器的工作過(guò)程，對(duì)于指導(dǎo)設(shè)計(jì)對(duì)稱型磁通門(mén)傳感器，尤其是磁探頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有重要意義。