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，本文根據傳感器的工作原理和組成結構，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。

關鍵詞：RTD型磁通門;傳感器;仿真模型

中圖分類號：TP212.13? ? 文獻標識碼：A? ? 文章編號：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，被廣泛應用于資源勘探、航空航天及海洋探測等領域。隨著科學技術的快速發展，磁通門傳感器應用領域的增多，對其性能也提出了更高的要求。Bruno Andò等人發展的RTD型磁通門傳感器，具有檢測環節簡單、抗干擾能力強、易于實現數字化、微型化等優點。因此，研究RTD型磁通門傳感器的仿真模型，能夠為傳感器性能研究奠定基礎，具有重要的理論價值。

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態特性的軟磁材料，在激勵磁場的作用下，磁芯在正負飽和狀態間轉換，磁芯勢阱同時發生變化，飽和狀態與勢阱的穩態點相對應，磁化函數和雙勢阱函數間的動力學方程表示如下：

（1）

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

? ? ? ? ? （2）

外部磁場形式如公式（3），He（t）為周期性交變的激勵磁場，Hx為被測磁場。當Hx=0時，磁芯上的外部磁場對稱，磁芯駐留在兩個穩態點的時間相同;當Hx≠0時，磁芯上的外部磁場非對稱，磁芯駐留在兩個穩態點的時間不相同出現時間差。因此，RTD型磁通門傳感器通過檢測時間差ΔT測量被測磁場Hx。

（3）

當施加在敏感單元磁芯的外部磁場強度等于矯頑力時，感應線圈輸出電壓脈沖，如圖1所示，實線為不存在被測磁場時，輸出的感應電壓脈沖;虛線為存在被測磁場時，輸出的感應電壓脈沖。在實際測量時，通過檢測感應電壓脈沖峰值間的時間間隔T+和T？，獲得駐留在兩個穩定狀態的時間差值ΔT=T+？T？。

在一個周期內磁芯飽和時，感應電壓脈沖出現峰值的時刻為ti（i=1，2，3）。此時，激勵周期Te、He（t）、Hx及±Hc之間關系如下：

? ? ? ? ? ? ? ?（4）

由上式可得：

? ? ? ? ? ? ? ? （5）

感應電壓脈沖峰值間的時間間隔T+和T？表達如下：

（6）

因此，ΔT與Hx之間的關系如下：

（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。激勵電流施加到激勵線圈中得到激勵磁場，然后通過軟磁材料磁芯后，感應線圈得到差分形式的電壓。前置放大器需要設計抑制共模干擾的差分放大電路，再通過放大電路將感應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，隨后進行計數得到時間差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，需要構建傳感器的仿真模型，由于Simulink是一個與Matlab融為一體，對動態系統進行模擬、仿真和分析的應用軟件。因此，本文采用Simulink軟件，根據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。

激勵磁場He（t）利用信號發生器產生，通過設置發生器的幅度、頻率及波形，可以獲得不同的激勵磁場;被測磁場Hx利用常數發生器產生，通過調整參數來改變被測磁場Hx的方向及大小;被測磁場Hx與激勵磁場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，利用斯密特觸發器產生，轉換閾值設置為矯頑力值;感應電壓e（t）利用乘法模塊和求導模塊構成;利用計數器對感應電壓e（t）進行計數，計算脈沖間的時間差ΔT。

按照圖3搭建的傳感器仿真模型，采用正弦波磁場激勵，設置激勵頻率為10Hz，激勵幅度為5A/m，被測磁場為0.8A/m，得到傳感器輸出時間差？T與被測磁場Hx，如圖4所示。由圖可知，本文設計的仿真模型與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際測量過程。因此，可以通過設置不同的模型參數，對比研究不同情況下傳感器的性能。

5 結語

本文闡述RTD型磁通門傳感器的工作原理，推導了時間差與被測磁場的關系，介紹了傳感器的組成結構。在此基礎上，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。

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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