磁通门磁探头参数仿真优化*

望 翔 齐侃侃 包 忠

（宜昌测试技术研究所 宜昌 443000）

1 引言

磁通门传感器是一种用于测量直流磁场和低频交流磁场的矢量传感器，因其具有噪声小、温飘低、功耗低、体积小等特点，在地磁场环境监测、港口安防、UUV磁探、水下磁测阵列等领域应用广泛。

得益于计算机仿真技术发展，采用仿真技术分析磁通门传感器成为一种较为可靠的研究方式［1～3］。由于磁芯材料磁化曲线多为非线性函数近似公式拟合，且磁芯几何形状引起的退磁场的影响考虑不全，所以利用SPICE模型的仿真结果误差相对较大。因此，考虑有限元仿真软件Maxwell能直接导入磁性材料各项参数［4～5］，采用Maxwell建立了磁探头的3D模型及激励检测电路。对磁探头进行磁路、电路联合仿真，得到不同探头模型对应磁探头磁场分布、磁导率分布和传感器的激励电流波形［6～7］。仿真结果表明磁芯磁导率及激励电流与磁芯长度、对称性有关，长度相同且磁芯长度小于激励线圈长度的磁探头性能更优［8］。

2 磁通门传感器工作原理

为改善单芯磁探头中存在的变压器效应，采用如图1所示的双磁芯对称型磁探头结构。磁芯线圈采用如图1所示的绕制方向，抵消变压器效应，进而提高磁通门磁场测量精度［9］。

图1 双磁芯磁通门模型

图1中的双磁芯磁通门激励线圈两端施加正弦信号，其角频率为ω，假设激励线圈在上半磁芯产生的磁场He与待测量环境磁场Hx方向相同，可得到上半部磁芯内磁感应强度B：

上半部分感应电动势：

如图1所示，上下两平行磁芯的激励线圈反向串联，可得下半部分磁芯内磁感应强度：

下半部分感应电动势：

式中：Hm为等效激励幅值，N为感应线圈匝数；S为磁芯截面积，μ为磁导率，Hx为环境磁场强度。根据以上分析，可求得双磁芯磁通门在信号线圈中产生的感应电动势总和如下：

式（5）表明磁通门的输出信号中只含有偶次谐波信号，且与被测量磁场呈正比关系。式（5）即为对称型双磁芯磁通门的数学模型，以上推导过程要求两磁芯参数一致、位置对称，因此在实际设计磁探头过程中应尽量保证上磁芯参数一致。

3 磁探头物理模型仿真

3.1 多尺寸磁探头模型建立

决定磁性材料性质的参数有相对磁导率、退磁系数、饱和磁导率、外形尺寸等，这些参数的影响都将反映在材料磁滞回线（B-H曲线）上［10～12］。磁芯材料一经确定，影响磁探头性能的是磁芯几何尺寸和安装误差，因此选用不同尺寸的磁芯建立探头模型进行对比。本文选择磁芯横向尺寸均为3mm，纵向尺寸分别为18mm、20mm、22mm。

在ANSYS Maxwell中根据双磁芯磁探头的结构建立如图2所示的结构模型，导入磁性材料参数进行仿真计算。

图2 磁探头模型结构图

图2表示了22mm&22mm纵向尺寸组合的磁芯，内层薄片表示磁芯，外层包裹激励线圈。L1、L2表示磁芯长度，改变L1、L2的值，建立多种探头模型，磁芯长度组合形式如表1所示。

表1 磁芯长度组合

3.2 磁芯表面磁感应强度分布云图

磁芯模型建立完成后，仿真得到如图3所示磁芯内部磁感应强度分布云图，并将磁感应强度以颜色深浅形式显示在磁芯表面。

图3分别表示5种不同长度磁芯组合在接近饱和时磁感应强度的分布情况，中间位置即颜色较深，表示已趋近饱和；磁芯两端由于退磁场的作用磁芯部分区域没有处于饱和状态。比较上述五张图，对比图3（a）和图3（c），两根18mm磁芯模型和两根22mm磁芯模型，图3（a）磁芯饱和程度明显优于图3（c）。对比图3（d）、图3（e）可知，当磁芯长度小于等于激励线圈，即磁芯被激励线圈完全包裹的结构，其磁芯饱和程度更优。图3（b）结果介于图3（a）与图3（d）之间。

图3 不同长度磁芯模型比较

磁通门数学模型是建立在两根磁芯完全一致，并处于充分饱和状态下的，工程应用中磁通门传感器由探头引起的噪声或不准确性，显然与磁芯处于非完全饱和状态有关，改善磁芯在特定时刻的饱和程度，能一定程度上提高磁通门精度［12～14］。

3.3 磁芯内部饱和情况分析

通过磁感应强度分布云图，能得到磁芯表面磁感应强度分布情况，但对于磁芯内部无法直观显示。为分析磁芯内部饱和情况，在Maxwell的磁芯模型，选取磁芯中线为扫描路径，得到如图4（a）、4（b）所示的5种不同长度磁芯模型下磁芯中线位置磁感应强度变化曲线。

图4 磁芯内部磁感应强度变化

图4反映出，磁芯中线位置磁感应强度整体趋势是两边小，中间大并接近饱和。由于磁芯退磁场的存在，在磁芯外部产生与磁芯内部方向相反的磁场分布，这使得平行放置的两片磁芯会相互退磁，从而导致两磁芯边缘位置内部磁感应强度减小。对称放置的两个磁芯得到的仿真结果基本一致。

将差异最大的图4（a）曲线1（18mm磁芯）和曲线3（20mm磁芯）进行比较，曲线1磁芯边缘区域的内部磁感应强度接近495mT，中间部分大部分处于饱和状态即磁感应强度值为590mT；而曲线3表示22mm磁芯边缘区域的内部磁感应强度分布极不均匀，最小值可达100mT且出现多次波动，这是因为边缘区域空间内的激励磁场分布不均导致。

比较图4其他曲线，可知当磁芯长度小于激励线圈，处于激励线圈内部，饱和更充分；磁芯与激励线圈长度一致时，饱和效果较好，边缘位置较少不饱和区域；磁芯长度大于激励线圈，磁芯边缘饱和情况最差，磁感应强度最低处只有中心位置20%。但实际工程应用不可能将磁芯长度做到无限短，或将激励线圈长度做到无限长，选取合适长度的磁芯更符合实际工程应用。

此外，图4（b）曲线表示磁芯边缘磁感应强度变化显著，上下两磁芯长度不一致情况下，如图4（b）所示距离磁芯中心位置不同距离，磁感应强度大小。在9mm～11mm附近（磁芯边缘）上下磁芯磁感应强度值相差大，存在明显的不对称。这是由于磁芯结构不对称，导致相同横坐标下磁芯内部磁场分布不一致。该种情况将会直接影响磁通门零点值和线性度。因此，选择具有对称结构，且磁芯长度在允许范围内短一些对磁芯饱和效果较好。

4 磁探头激励线圈匝数仿真分析

4.1 磁通门电路模型

磁通门传感器中涉及的各部分电路均可以采用Maxwell与Simplorer联合仿真的方式表示［15］，通过Simplorer建立如图5所示的等效电路，其中R1为激励线圈电阻，E1为激励源；R2为感应线圈电阻及负载；E2、R2分别表示环境磁场电源和螺线管电阻，用来模拟环境磁场。

图5 磁探头Simplorer仿真电路

结合实验规律和市售磁通门规格参数，统一采用40KHz时钟信号，经分频器和TS1开关后给磁探头提供10KHz的方波激励信号，磁芯对应激励线圈匝数取400匝，线径0.05mm漆包线。

4.2 激励电压仿真结果分析

将Maxwell 3D探头物理模型和Simplorer电路进行联合仿真，得到激励线圈内电压时域变化如图6所示。同时对照图3、图4可知，在激励电压波形处于峰值时，磁芯处于深度饱和。磁芯被激励电流产生的磁场磁化至深度饱和，此时磁芯内部有效磁导率变化率最小，这也是磁通门传感器理想工作状态。

图6 不同匝数激励线圈电流变化

图6（a）两条曲线表示了两激励线圈均为400匝的激励电流，与图6（b）表示的400&500匝组合的激励电流波形比较，显然具有对称结构的均为400匝激励线圈磁探头激励电流效果更佳。图6（b）表明线圈长度不对称将导致磁芯饱和时上下两磁芯磁场强度分布不对称，激励电流出现变化。

图 6（a）中与图 6（c）分别是对称结构的 400、500匝线圈激励电流波形，图6（a）激励电流最大值接近50mA，而图6（c）激励电流最大值约40mA，表明激励线圈的激励线圈匝数越多激励电流越小，即单位长度匝数与激励电流成反比。

5 仿真结果与实测分析

仿真完成后，制作相同参数的磁探头并进行实物测试，得到激励电流和感应电压结果如图7所示。

图7 激励线圈电流

图7激励线圈电流实测图与Maxwell联合仿真得到的激励电流波形较为一致。结合图4（a）和（b）结果可知，两个18mm磁芯组合的磁探头模型，效果较好。双磁芯结构，相同磁芯长度，且长度均小于激励线圈的结构优于其他结构。

6 结语

本文通过建立基于Maxwell软件的双磁芯磁探头物理模型与电路模型，分析了磁探头磁芯内部磁场分布情况和激励电流波形。

结果显示当双磁芯结构尺寸相同，且磁芯长度小于激励线圈长度的探头结构，其激励电流误差最小。文中仿真模型简单且准确度较高，可以帮助我们更直观方便地理解磁通门传感器的工作过程，对于指导设计对称型磁通门传感器，尤其是磁探头结构设计具有重要意义。