磁通門磁探頭參數仿真優化*

望 翔 齊侃侃 包 忠

（宜昌測試技術研究所 宜昌 443000）

1 引言

磁通門傳感器是一種用于測量直流磁場和低頻交流磁場的矢量傳感器，因其具有噪聲小、溫飄低、功耗低、體積小等特點，在地磁場環境監測、港口安防、UUV磁探、水下磁測陣列等領域應用廣泛。

得益于計算機仿真技術發展，采用仿真技術分析磁通門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近似公式擬合，且磁芯幾何形狀引起的退磁場的影響考慮不全，所以利用SPICE模型的仿真結果誤差相對較大。因此，考慮有限元仿真軟件Maxwell能直接導入磁性材料各項參數［4～5］，采用Maxwell建立了磁探頭的3D模型及激勵檢測電路。對磁探頭進行磁路、電路聯合仿真，得到不同探頭模型對應磁探頭磁場分布、磁導率分布和傳感器的激勵電流波形［6～7］。仿真結果表明磁芯磁導率及激勵電流與磁芯長度、對稱性有關，長度相同且磁芯長度小于激勵線圈長度的磁探頭性能更優［8］。

2 磁通門傳感器工作原理

為改善單芯磁探頭中存在的變壓器效應，采用如圖1所示的雙磁芯對稱型磁探頭結構。磁芯線圈采用如圖1所示的繞制方向，抵消變壓器效應，進而提高磁通門磁場測量精度［9］。

圖1 雙磁芯磁通門模型

圖1中的雙磁芯磁通門激勵線圈兩端施加正弦信號，其角頻率為ω，假設激勵線圈在上半磁芯產生的磁場He與待測量環境磁場Hx方向相同，可得到上半部磁芯內磁感應強度B：

上半部分感應電動勢：

如圖1所示，上下兩平行磁芯的激勵線圈反向串聯，可得下半部分磁芯內磁感應強度：

下半部分感應電動勢：

式中：Hm為等效激勵幅值，N為感應線圈匝數；S為磁芯截面積，μ為磁導率，Hx為環境磁場強度。根據以上分析，可求得雙磁芯磁通門在信號線圈中產生的感應電動勢總和如下：

式（5）表明磁通門的輸出信號中只含有偶次諧波信號，且與被測量磁場呈正比關系。式（5）即為對稱型雙磁芯磁通門的數學模型，以上推導過程要求兩磁芯參數一致、位置對稱，因此在實際設計磁探頭過程中應盡量保證上磁芯參數一致。

3 磁探頭物理模型仿真

3.1 多尺寸磁探頭模型建立

決定磁性材料性質的參數有相對磁導率、退磁系數、飽和磁導率、外形尺寸等，這些參數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行對比。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中根據雙磁芯磁探頭的結構建立如圖2所示的結構模型，導入磁性材料參數進行仿真計算。

圖2 磁探頭模型結構圖

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

表1 磁芯長度組合

3.2 磁芯表面磁感應強度分布云圖

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

圖3分別表示5種不同長度磁芯組合在接近飽和時磁感應強度的分布情況，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的作用磁芯部分區域沒有處于飽和狀態。比較上述五張圖，對比圖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于圖3（c）。對比圖3（d）、圖3（e）可知，當磁芯長度小于等于激勵線圈，即磁芯被激勵線圈完全包裹的結構，其磁芯飽和程度更優。圖3（b）結果介于圖3（a）與圖3（d）之間。

圖3 不同長度磁芯模型比較

磁通門數學模型是建立在兩根磁芯完全一致，并處于充分飽和狀態下的，工程應用中磁通門傳感器由探頭引起的噪聲或不準確性，顯然與磁芯處于非完全飽和狀態有關，改善磁芯在特定時刻的飽和程度，能一定程度上提高磁通門精度［12～14］。

3.3 磁芯內部飽和情況分析

通過磁感應強度分布云圖，能得到磁芯表面磁感應強度分布情況，但對于磁芯內部無法直觀顯示。為分析磁芯內部飽和情況，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種不同長度磁芯模型下磁芯中線位置磁感應強度變化曲線。

圖4 磁芯內部磁感應強度變化

圖4反映出，磁芯中線位置磁感應強度整體趨勢是兩邊小，中間大并接近飽和。由于磁芯退磁場的存在，在磁芯外部產生與磁芯內部方向相反的磁場分布，這使得平行放置的兩片磁芯會相互退磁，從而導致兩磁芯邊緣位置內部磁感應強度減小。對稱放置的兩個磁芯得到的仿真結果基本一致。

將差異最大的圖4（a）曲線1（18mm磁芯）和曲線3（20mm磁芯）進行比較，曲線1磁芯邊緣區域的內部磁感應強度接近495mT，中間部分大部分處于飽和狀態即磁感應強度值為590mT；而曲線3表示22mm磁芯邊緣區域的內部磁感應強度分布極不均勻，最小值可達100mT且出現多次波動，這是因為邊緣區域空間內的激勵磁場分布不均導致。

比較圖4其他曲線，可知當磁芯長度小于激勵線圈，處于激勵線圈內部，飽和更充分；磁芯與激勵線圈長度一致時，飽和效果較好，邊緣位置較少不飽和區域；磁芯長度大于激勵線圈，磁芯邊緣飽和情況最差，磁感應強度最低處只有中心位置20%。但實際工程應用不可能將磁芯長度做到無限短，或將激勵線圈長度做到無限長，選取合適長度的磁芯更符合實際工程應用。

此外，圖4（b）曲線表示磁芯邊緣磁感應強度變化顯著，上下兩磁芯長度不一致情況下，如圖4（b）所示距離磁芯中心位置不同距離，磁感應強度大小。在9mm～11mm附近（磁芯邊緣）上下磁芯磁感應強度值相差大，存在明顯的不對稱。這是由于磁芯結構不對稱，導致相同橫坐標下磁芯內部磁場分布不一致。該種情況將會直接影響磁通門零點值和線性度。因此，選擇具有對稱結構，且磁芯長度在允許范圍內短一些對磁芯飽和效果較好。

4 磁探頭激勵線圈匝數仿真分析

4.1 磁通門電路模型

磁通門傳感器中涉及的各部分電路均可以采用Maxwell與Simplorer聯合仿真的方式表示［15］，通過Simplorer建立如圖5所示的等效電路，其中R1為激勵線圈電阻，E1為激勵源；R2為感應線圈電阻及負載；E2、R2分別表示環境磁場電源和螺線管電阻，用來模擬環境磁場。

圖5 磁探頭Simplorer仿真電路

結合實驗規律和市售磁通門規格參數，統一采用40KHz時鐘信號，經分頻器和TS1開關后給磁探頭提供10KHz的方波激勵信號，磁芯對應激勵線圈匝數取400匝，線徑0.05mm漆包線。

4.2 激勵電壓仿真結果分析

將Maxwell 3D探頭物理模型和Simplorer電路進行聯合仿真，得到激勵線圈內電壓時域變化如圖6所示。同時對照圖3、圖4可知，在激勵電壓波形處于峰值時，磁芯處于深度飽和。磁芯被激勵電流產生的磁場磁化至深度飽和，此時磁芯內部有效磁導率變化率最小，這也是磁通門傳感器理想工作狀態。

圖6 不同匝數激勵線圈電流變化

圖6（a）兩條曲線表示了兩激勵線圈均為400匝的激勵電流，與圖6（b）表示的400&500匝組合的激勵電流波形比較，顯然具有對稱結構的均為400匝激勵線圈磁探頭激勵電流效果更佳。圖6（b）表明線圈長度不對稱將導致磁芯飽和時上下兩磁芯磁場強度分布不對稱，激勵電流出現變化。

圖 6（a）中與圖 6（c）分別是對稱結構的 400、500匝線圈激勵電流波形，圖6（a）激勵電流最大值接近50mA，而圖6（c）激勵電流最大值約40mA，表明激勵線圈的激勵線圈匝數越多激勵電流越小，即單位長度匝數與激勵電流成反比。

5 仿真結果與實測分析

仿真完成后，制作相同參數的磁探頭并進行實物測試，得到激勵電流和感應電壓結果如圖7所示。

圖7 激勵線圈電流

圖7激勵線圈電流實測圖與Maxwell聯合仿真得到的激勵電流波形較為一致。結合圖4（a）和（b）結果可知，兩個18mm磁芯組合的磁探頭模型，效果較好。雙磁芯結構，相同磁芯長度，且長度均小于激勵線圈的結構優于其他結構。

6 結語

本文通過建立基于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部磁場分布情況和激勵電流波形。

結果顯示當雙磁芯結構尺寸相同，且磁芯長度小于激勵線圈長度的探頭結構，其激勵電流誤差最小。文中仿真模型簡單且準確度較高，可以幫助我們更直觀方便地理解磁通門傳感器的工作過程，對于指導設計對稱型磁通門傳感器，尤其是磁探頭結構設計具有重要意義。