YANG Shanglin，LIU Shibin，GUO Bo，LIXueliang，QIU Songsong

(School of Electronics and Information，Northwestern Polytechnical University，Xi’an 710129，China)

Analysis of the Effect of Core Parameters on Input and Output Characteristics of the Fluxgate Sensor*

YANG Shanglin，LIU Shibin*，GUO Bo，LIXueliang，QIU Songsong

(School of Electronics and Information，Northwestern Polytechnical University，Xi’an 710129，China)

Aiming at the problem ofwhat parameters of softmagnetic core needed by fluxgate sensor，based on the analysis of themathematicalmodel of fluxgate sensor，it is concluded that under the sine excitation，the optimum excitation magnetic field intensity of the fluxgate sensor istimes the saturated magnetic field intensity of the core.We used hyperbolic tangent function with hysteresis to fit the hysteresis loop of softmagnetic materials，analyzed the influence of saturated magnetic induction intensity，saturated magnetic field intensity，the coercive force，ratio of rectangular and demagnetizing factor on the second harmonic amplitude of induction coils and exciting current of fluxgate sensor，which reveal that the softmagnetic core of high sensitivity magnetic fluxgate sensor should have high permeability and rectangle ratio，low saturationmagnetic field intensity，the coercive force and the demagnetizing factor.The softmagnetic core of low power fluxgate sensor should have high permeability，appropriate rectangle ratio，low saturatedmagnetic induction intensity，saturationmagnetic field intensity，the coercive force and the demagnetizing factor.The comparison of the hysteresis loop of six different cores and their input and output characteristics in the dual core fluxgate，validated the correctness of the conclusions above.

fluxgate sensor;hysteresis loop;softmagnetic core;optimum excitationmagnetic field intensity;secondary harmonic amplitude

對(duì)比超導(dǎo)量子干涉儀、霍爾器件、磁阻和磁二極管等其他磁性傳感器，磁通門被認(rèn)為是綜合性能最好的矢量磁性傳感器［1］，在適當(dāng)?shù)挠^測(cè)期間分辨率可達(dá)到幾個(gè)pT［2］，在飛機(jī)組合導(dǎo)航、潛艇探測(cè)、無損探測(cè)、衛(wèi)星定位、交通工具磁羅盤和地磁場(chǎng)變化監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域都有應(yīng)用［3］。

影響磁通門輸入輸出性能的主要因素有鐵芯材料的磁性能、鐵芯的形狀、激勵(lì)波形、磁通門類型、磁通門的工作方式、線圈和鐵芯的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和檢測(cè)電路等，其中鐵芯材料的磁性能無疑是最重要的影響因素。磁通門要求鐵芯磁性材料有高的磁導(dǎo)率、低的矯頑力、低的磁致伸縮、低的巴克豪森噪聲和低的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度等［4］。在之前很多人研究不同磁性鐵芯對(duì)磁通門的影響，其中金惕若［5］根據(jù)實(shí)際實(shí)驗(yàn)來研究這種影響;李菊萍［6］、Dimitropoulos［7］、Perez［8］等利用帶矯頑力的三折線磁滯回線模型研究鐵芯對(duì)磁通門的影響;Ando［9－11］、盧浩［12］、Wang［13］等特別針對(duì)RTD磁通門進(jìn)行了研究;趙東東［14］、Dimitropoulos［15］、Geiler［16］等只是對(duì)其中一個(gè)參數(shù)進(jìn)行了分析。從這些文獻(xiàn)可以看到，有些只是簡(jiǎn)單說明，沒有進(jìn)行理論分析;有些只是針對(duì)個(gè)別參數(shù);有些是在簡(jiǎn)化的三折線磁滯回線模型上進(jìn)行分析。

本文在前人的基礎(chǔ)上，利用反正切函數(shù)描述鐵芯的磁滯回線，得到了一定頻率下磁通門的最佳激勵(lì)磁場(chǎng)，分析了磁感應(yīng)強(qiáng)度Bs、飽和磁場(chǎng)強(qiáng)度Hs、矯頑力Hc、剩磁Br和退磁系數(shù)N對(duì)雙鐵芯磁通門輸出電壓二次諧波幅值和激勵(lì)電流的影響，從而來研究磁通門需要什么樣的軟磁鐵芯的問題。

1 最佳激勵(lì)電流

1.1 磁通門數(shù)學(xué)模型

磁通門原理是利用飽和鐵芯磁性的非線性特性，使用激勵(lì)磁場(chǎng)調(diào)制外磁場(chǎng)從而檢測(cè)外磁場(chǎng)。它的一般結(jié)構(gòu)是在一根軟磁鐵芯上纏繞激勵(lì)線圈和感應(yīng)線圈，激勵(lì)線圈在鐵芯上建立的激勵(lì)磁場(chǎng)為Hex，如果激勵(lì)磁場(chǎng)強(qiáng)度為:

其中Hm為激勵(lì)磁場(chǎng)強(qiáng)度幅值，f為激勵(lì)電源頻率。設(shè)鐵芯的橫截面積為S，磁導(dǎo)率為μ(t)，感應(yīng)線圈的匝數(shù)為N2，由于鐵芯磁化曲線的非線性，激勵(lì)磁場(chǎng)的瞬時(shí)值變化也會(huì)引起磁導(dǎo)率μ(t)的變化。根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，感應(yīng)線圈上應(yīng)產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為:

由于激勵(lì)磁場(chǎng)瞬時(shí)值方向周期性變化，而隨之而變的鐵芯磁導(dǎo)率μ(t)為無正負(fù)之分，文獻(xiàn)［17］認(rèn)為μ(t)為偶函數(shù)。本文認(rèn)為由于矯頑力的存在，這種偶次性得到了一定的影響，但影響較小，將μ(t)認(rèn)為是偶函數(shù)仍能使后面的分析有效和簡(jiǎn)化。將μ(t)展開為傅里葉級(jí)數(shù)，可得:

在考慮實(shí)際中環(huán)境磁場(chǎng)施加在鐵芯軸向的分量H0時(shí)，雙鐵芯磁通門次級(jí)輸出電壓可表示為式(4).雙鐵芯磁通門的構(gòu)造如圖1所示。

其中根據(jù)周期偶函數(shù)的傅里葉級(jí)數(shù)的公式可得:

圖1 雙鐵芯磁通門

從式(4)我們可以看到，影響次級(jí)電壓輸出的因素包括:激勵(lì)頻率f、感應(yīng)線圈匝數(shù)N2、鐵芯的橫截面積S、環(huán)境磁場(chǎng)H0和鐵芯磁導(dǎo)率μ(t)的傅里葉展開級(jí)數(shù)系數(shù)μ2m、μ4m、μ6m等，而這些級(jí)數(shù)系數(shù)是與鐵芯的磁滯回線形狀有密切關(guān)系的。

1.2 磁滯回線模型

因?yàn)檐洿盆F芯磁滯回線呈現(xiàn)出的“S”形狀，這里我們用雙曲正切函數(shù)和反正切函數(shù)來擬合鐵芯磁滯回線數(shù)據(jù)，結(jié)果如圖2所示。其中原始數(shù)據(jù)用點(diǎn)來表示，反正切函數(shù)用較粗的點(diǎn)劃線表示，雙曲正切函數(shù)擬合用較細(xì)的小線段表示。前期工作告訴我們用這些“S”形函數(shù)擬合磁滯回線，對(duì)磁通門的分析是有效的［18］。擬合結(jié)果表明相對(duì)反正切函數(shù)［19］，在描述高磁導(dǎo)率的磁滯回線時(shí)，雙曲正切函數(shù)擬合的均方根誤差(RMSE)為0.010 80，比反正切函數(shù)的0.013 08小。故在這里我們用雙曲正切函數(shù)擬合具有高磁導(dǎo)率的磁通門軟磁鐵芯。

圖2 磁滯回線擬合對(duì)比圖

1.3 二次諧波的選擇和最佳激勵(lì)電流確定

根據(jù)廠家給出的1J85鐵芯磁滯回線的參數(shù)，即飽和磁場(chǎng)強(qiáng)度Hs=12.812 A/m、Hc=0.96 A/m、Br=0.274 2 T和Bs=0.75 T，我們用雙曲正切函數(shù)擬合磁滯回線參數(shù)，得到磁滯回線的表達(dá)式如式(8)。

若用激勵(lì)磁場(chǎng)H=Hm·cost來激勵(lì)磁通門，根據(jù)式(5)所示，此處μ2m可表示為:由于磁滯的存在，磁滯回線上升階段的磁導(dǎo)率表示為μu(t)，下降階段的磁導(dǎo)率表示為μd(t)，這樣傅里葉級(jí)數(shù)二次系數(shù)μ2m可利用圖3中來理解，其中為了使被積函數(shù)μm(t)·cos(2t)和μd(t)·cos(2t)達(dá)到最大，應(yīng)使cos(2t)為負(fù)時(shí)μu(t)、μd(t)大于0，cos(2t)為正時(shí)μu(t)、μd(t)等于0。即要使μ2m達(dá)到最大值，則要使cos(2t)為正值的時(shí)候，鐵芯達(dá)到飽和狀態(tài)，此時(shí)激勵(lì)磁場(chǎng)要大于等于飽和磁場(chǎng)強(qiáng)度，即Hmcos(t)≥Hs，所以激勵(lì)磁場(chǎng)應(yīng)滿足下式(11)～式(13)。本文認(rèn)為矯頑力Hc不影響磁滯回線的飽和點(diǎn)，即不影響μ2m最大值的確定。設(shè)ω=2πf。

圖3 μ2m計(jì)算和最佳激勵(lì)磁場(chǎng)確定

同理，根據(jù)圖4和圖5可以確定μ4m和μ6m取最大值的條件和激勵(lì)磁場(chǎng)大小。要使μ4m達(dá)到最大，則≥Hs，即Hm≥2.613 1Hs。同樣，要使μ6m達(dá)到最大，則，即Hm≥3.863 7Hs。從功耗的角度來說，我們選擇μ2m將會(huì)使激勵(lì)磁場(chǎng)降低，功耗降低。這里參照文獻(xiàn)［20］，將最佳激勵(lì)磁場(chǎng)Hm0定義為:在正弦磁場(chǎng)激勵(lì)下，使磁通門測(cè)量線圈輸出電壓二次諧波幅值取得最大值時(shí)的激勵(lì)磁場(chǎng)幅值。根據(jù)這個(gè)定義磁通門的最佳激勵(lì)磁場(chǎng)為:

其中Hs為實(shí)際鐵芯的飽和磁場(chǎng)強(qiáng)度值，受鐵芯的退磁效應(yīng)影響。式(14)的結(jié)果與文獻(xiàn)［20］中的結(jié)果一致。

圖4 μ4m計(jì)算和最佳激勵(lì)磁場(chǎng)確定

圖5 μ6m計(jì)算和最佳激勵(lì)磁場(chǎng)確定

2 磁滯回線參數(shù)對(duì)輸出二次諧波和激勵(lì)電流的影響

2.1 磁滯回線參數(shù)對(duì)輸出二次諧波的影響

根據(jù)式(8)～式(10)，通過分別改變飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度Bs、飽和磁場(chǎng)強(qiáng)度Hs、矯頑力Hc、矩形比Br/Bs和退磁系數(shù)N，在零外磁場(chǎng)H0條件下(負(fù)反饋情況)，擬合出新的磁滯回線表達(dá)式，從而計(jì)算出磁導(dǎo)率的表達(dá)式和μ2m的大小。仿真中所選取的參數(shù)變化點(diǎn)都是在有效范圍內(nèi)均勻取值，具有一般性，可以反映μ2m隨參數(shù)變化趨勢(shì)。式(10)是個(gè)定積分的式子，我們通過復(fù)化求積公式來計(jì)算它的數(shù)值。

2.1.1 變化飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度Bs

分別取大小是原始飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度Bs的0.5、0.75、1、1.5和2倍的Bs，其他參變量不變，來擬合出新的磁滯回線，得到的μ2m隨Bs變化的情況如圖6所示。從圖6(a)可以看出隨著飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度Bs的增大，μ2m基本上是線性增加的。從式(8)、式(9)可以知道這樣定義下隨著磁導(dǎo)率μ的增加，傅里葉級(jí)數(shù)二次系數(shù)μ2m也同樣是線性增加的，這與要求高磁導(dǎo)率軟磁材料是吻合的。

2.1.2 變化飽和磁場(chǎng)強(qiáng)度Hs

分別取大小是原始飽和磁場(chǎng)強(qiáng)度Hs大小的0.2、0.3、0.4、0.5、0.75、1、1.5和2倍的Hs，其他參變量不變，來擬合出新的磁滯回線，得到的μ2m隨Hs變化的情況如圖6(b)所示。從圖6(b)可以看出隨著飽和磁場(chǎng)強(qiáng)度Hs的增大，傅里葉級(jí)數(shù)二次系數(shù)μ2m呈指數(shù)地減小;在磁場(chǎng)強(qiáng)度Hs增加一定程度，μ2m不再減小。

2.1.3 變化矯頑力Hc

分別取大小是原始矯頑力Hc0.2、0.5、0.75、1、1.5和2倍的Hc，其他參變量不變，來擬合出新的磁滯回線，得到的μ2m隨Hc變化的情況如圖6(c)所示。從圖6(c)可以看出，隨著矯頑力Hc的增加，傅里葉級(jí)數(shù)二次系數(shù)μ2m呈拋物線地減小。

2.1.4 變化矩形比Br/Bs

分別取大小是原始矩形比Br/Bs0.1、0.2、0.365 6、0.7和0.9倍的Br/Bs，其他參變量不變，來擬合出新的磁滯回線，得到的μ2m隨Br/Bs變化的情況如圖6(d)所示。從圖6(d)可以看出，隨著變化矩形比Br/Bs的增加，傅里葉級(jí)數(shù)二次系數(shù)μ2m呈對(duì)數(shù)地增加，增加速度再逐漸縮小。

圖6 隨磁滯回線參數(shù)變化圖

2.1.5 變化退磁系數(shù)N

分別取退磁系數(shù)N大小為10－3、2.5×10－4、10－4、2.5×10－5、10－5、2.5×10－6和10－6，其他參變量不變，來擬合出新的磁滯回線，得到的μ2m隨N變化的情況如圖7所示。如圖7所示，隨著退磁系數(shù)N對(duì)數(shù)地增大，傅里葉級(jí)數(shù)二次系數(shù)μ2m呈指數(shù)地減小，而且相對(duì)其他因素，μ2m的數(shù)值變化較大。

圖7 隨退磁系數(shù)N變化圖

2.2 磁滯回線參數(shù)對(duì)激勵(lì)電流的影響

2.2.1 磁滯回線參數(shù)對(duì)激勵(lì)電流的影響

2.2.2 退磁系數(shù)N對(duì)激勵(lì)電流的影響

因?yàn)檐洿挪牧夕蘲?1，所以式(15)可變?yōu)?/p>

積分可得

分別取退磁系數(shù)N為10－3、10－4、10－5和10－6，得到新的磁滯回線如圖8所示。

圖8中實(shí)線是鐵芯材料磁滯回線，虛線是退磁場(chǎng)影響下的鐵芯有效磁滯回線?？梢钥闯鐾舜畔禂?shù)N對(duì)飽和磁場(chǎng)強(qiáng)度Hs影響較大，當(dāng)退磁系數(shù)N增大時(shí)，相應(yīng)飽和磁場(chǎng)強(qiáng)度也增大，即激勵(lì)電流增大。所以在設(shè)計(jì)鐵芯拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是應(yīng)盡量減小退磁系數(shù)N，使磁路閉合或是適當(dāng)減小橫截面積和磁導(dǎo)率。

圖8 退磁系數(shù)N對(duì)鐵芯磁滯回線的影響

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 相同退磁系數(shù)材料對(duì)比

本文分別用在3種不同條件下電鍍的鎳鐵合金薄膜作為雙鐵芯磁通門鐵芯，測(cè)試它們的磁滯回線、雙鐵芯磁通門輸出二次諧波幅值和激勵(lì)電流。3種薄膜鐵芯的尺度都是30 mm×1 mm×4μm，它們的退磁系數(shù)相同，從而可以來驗(yàn)證在相同退磁系數(shù)下材料其他參數(shù)的影響。用自制的磁滯回線測(cè)量設(shè)備，在1 kHz的激勵(lì)磁場(chǎng)下測(cè)量得3種鐵芯的磁滯回線分別如圖9～圖11所示。從圖中可以讀出和計(jì)算出3種鐵芯磁滯回線的參數(shù)如表1所示。從圖9～圖11和表1中，我們可以看到，3種電鍍鎳鐵薄膜鐵芯的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度Bs基本一致，薄膜鐵芯B的飽和磁場(chǎng)強(qiáng)度Hs和矯頑力Hc在3種鐵芯中都是最小的，只有矩形比略比鐵芯A要小。鐵芯C的飽和磁場(chǎng)強(qiáng)度Hs和矯頑力Hc都是最大的，矩形比是3種鐵芯中最小的。從前面仿真分析的結(jié)果，可以預(yù)測(cè)鐵芯B的綜合性能應(yīng)該是最好的。

圖9 電鍍鎳鐵薄膜鐵芯A磁滯回線

圖10 電鍍鎳鐵薄膜鐵芯B磁滯回線

圖11 電鍍鎳鐵薄膜鐵芯C磁滯回線

表1 不同電鍍鎳鐵薄膜鐵芯磁滯回線參數(shù)

在外磁場(chǎng)為50μT，在頻率是1 kHz正弦電壓激勵(lì)下，測(cè)試如圖1所示結(jié)構(gòu)的雙鐵芯磁通門，分別檢測(cè)輸入電流峰值的有效值和輸出電壓的二次諧波幅值，結(jié)果如表2所示。我們可以看出薄膜鐵芯B的二次諧波幅值是3種鐵芯中最大，激勵(lì)電流有效值是最小的，是3種鐵芯中性能最適合磁通門的。這與我們之前的仿真分析是一致的。但同時(shí)我們看到鐵芯C的激勵(lì)電流有效值比鐵芯A的小，這是因?yàn)殍F芯A有更大的矩形比，在飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度Bs和矯頑力Hc差不多的情況下，導(dǎo)致鐵芯的磁滯損耗變大，則需要更大的激勵(lì)電流，這與文獻(xiàn)［4］中的結(jié)論一致，這也說明高矩形比帶來的損耗是不能忽視的。

表2 不同鐵芯磁通門輸入輸出性能

3.2 不同退磁系數(shù)材料對(duì)比

因?yàn)橥舜畔禂?shù)也是本文考察的參數(shù)之一，本文分別用磁通門中最常用的1J85帶材、鈷基非晶帶材和電鍍鎳鐵薄膜這3種不同尺寸鐵芯作為雙鐵芯磁通門鐵芯(3種鐵芯的尺寸如下表3)，測(cè)試它們的磁滯回線、雙鐵芯磁通門二次諧波幅值和激勵(lì)電流，從而來驗(yàn)證前面的分析。用自制的磁滯回線測(cè)量設(shè)備，在1 kHz的激勵(lì)磁場(chǎng)下測(cè)量得3種鐵芯的磁滯回線分別如圖12～圖14所示。從圖中可以讀出和計(jì)算出3種鐵芯磁滯回線的參數(shù)如表4所示。從圖12～圖14和表4中可以看出，帶材的矯頑力比電鍍薄膜的小很多，但因?yàn)橥舜诺挠绊?，帶材的磁?dǎo)率變小，飽和磁場(chǎng)強(qiáng)度變大。

表3 不同鐵芯參數(shù)

圖12 1J85磁滯回線

圖13 鈷基非晶磁滯回線

圖14 電鍍鐵鎳合金磁滯回線

表4 不同鐵芯磁滯回線參數(shù)

在外磁場(chǎng)為50，在頻率是1 kHz正弦電壓激勵(lì)下，測(cè)試如圖1所示結(jié)構(gòu)的雙鐵芯磁通門，分別檢測(cè)輸入電流峰值的有效值和輸出電壓的二次諧波幅值。根據(jù)式(4)，在激勵(lì)頻率、次級(jí)線圈以及外磁場(chǎng)一樣的情況下，為了比較鐵芯的性能，我們又計(jì)算了二次諧波幅值/鐵芯截面積的大小，如表5所示。從表5我們可以看出，1J85的二次諧波幅值最大，但其二次諧波幅值/鐵芯截面積不是最大的，這主要因?yàn)?J85帶材相對(duì)其他兩種材料厚度較厚;同時(shí)因?yàn)樗娘柡痛艌?chǎng)強(qiáng)度較大和厚度較大導(dǎo)致退磁系數(shù)較大，使得激勵(lì)電流有效值很大。鈷基非晶帶材因?yàn)檩^低的飽和磁場(chǎng)強(qiáng)度，使得它的激勵(lì)電流有效值最小，同時(shí)較小的矯頑力和飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度使得它適合用于低功耗磁通門。電鍍鎳鐵合金因?yàn)槠浜穸群苄?，?dǎo)致較低的退磁系數(shù)和較大的矩形比和二次諧波幅值/鐵芯截面積，因此這種鐵芯適合做高靈敏度的磁通門應(yīng)用，但其截面積較小，輸出電壓較低，還應(yīng)考慮其噪聲問題，才能在弱磁場(chǎng)檢測(cè)時(shí)得到應(yīng)用。

表5 不同鐵芯磁通門輸入輸出性能

4 結(jié)論

從上面的理論分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證中可以得到以下結(jié)論:

(1)在正弦磁場(chǎng)激勵(lì)下，使磁通門測(cè)量線圈輸出電壓二次諧波幅值取得最大值時(shí)的激勵(lì)磁場(chǎng)幅值應(yīng)為實(shí)際鐵芯飽和磁場(chǎng)強(qiáng)度的倍，而且矯頑力不會(huì)影響這個(gè)關(guān)系。選擇輸出電壓二次諧波也是使激勵(lì)最小的必然選擇。

(2)為了增大二次諧波的幅值，應(yīng)選擇磁導(dǎo)率高、飽和磁場(chǎng)強(qiáng)度小、矯頑力小、矩形比大和退磁系數(shù)小的一定形狀鐵芯材料。

(3)為了減小激勵(lì)電流大小，應(yīng)選擇飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度小、飽和磁場(chǎng)強(qiáng)度小、矯頑力小、一定矩形比和退磁系數(shù)小的一定形狀鐵芯材料。

(4)綜合結(jié)論(2)和(3)考慮，既要得到較大的二次諧波輸出又要降低激勵(lì)電流，應(yīng)選擇磁導(dǎo)率高、飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度小、飽和磁場(chǎng)強(qiáng)度小、矯頑力小和適當(dāng)矩形比和退磁系數(shù)小的一定形狀鐵芯材料。在這些參數(shù)中退磁系數(shù)的影響最大，設(shè)計(jì)鐵芯拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)時(shí)盡量使磁路閉合;在一些開磁路鐵芯中，可適當(dāng)降低鐵芯磁導(dǎo)率和矩形比，或是采用層疊鐵芯來降低單個(gè)鐵芯的橫截面積，從而降低退磁系數(shù)、渦流和噪聲。采用初次級(jí)變鐵芯橫截面積結(jié)構(gòu)降低激勵(lì)電流時(shí)，可以采用不同的鐵芯材料組合，初級(jí)可以選擇飽和磁場(chǎng)強(qiáng)度小的的材料，次級(jí)可以選擇飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度小的鐵芯。

［1］Ripka P，Janosek M.Advances in Magnetic Field Sensors［J］. IEEE Sens J，2010，10(6):1108－1116.

［2］Ando B，Baglio S，Bulsara A R，et al.Design and Characterization of a Microwire Fluxgate Magnetometer［J］.Sens Actuator APhys，2009，151(2):145－153.

［3］Deak JG，Koch R H，Guthmiller G E，etal.Dynamic Calculation of the Responsivity of Monodomain Fluxgate Magnetometers［J］. IEEE Trans Magn，2000，36(4):2052－2056.

［4］Ripka P.Magnetic Sensorsand Magnetometers［M］.Boston:Artech House，2001.88.

［5］金惕若.磁通門探頭磁心的測(cè)試［J］.電測(cè)與儀表，1998，35 (5):18－21.

［6］李菊萍，劉詩斌，郭博，等.基于四次諧波選擇法的磁通門傳感器分析［J］.傳感技術(shù)學(xué)報(bào)，2011，24(10):1412－1415.

［7］Dimitropoulos P D，Avaritsiotis J N，Hristoforou E.Boosting the Performance of Miniature Fluxgates with Novel Signal Extraction Techniques［J］.Sens Actuator A－Phys，2001，90(1－2):56－72.

［8］Perez L，Lucas I，Aroca C，et al.Analytical Model for the Sensitivity of a Toroidal Fluxgate sensor［J］.Sensors and Actuators，A: Physical，2006，130－131(SPEC.ISS.):142－146.

［9］Ando B，Baglio S，Bulsara A，et al.Effects of Driving Mode on RTD－FluxGate Performances［C］//Proceedings of the 21st IEEE Instrumentation and Measurement Technology Conference，IMTC/ 04，May 18，2004－May 20，2004.Como，Italy:Institute of Electrical and Electronics Engineers Inc.，2004.1419－1423.

［10］Ando B，Baglio S，Bulsara A R，et al.Investigate the Optimal Geometry to Minimize the Demagnetizing Effect in RTD－Fluxgate［C］//IMTC’06—IEEE Instrumentation and Measurement Technology Conference，April 24，2006－April 27，2006.Sorrento，Italy:Institute of Electrical and Electronics Engineers Inc.，2006. 2175－2178.

［11］Ando B，Baglio S，Sacco V，et al.Investigation on Optimal Materials Selection in RTD－Fluxgate Design［C］//IMTC’05—Proceedings of the IEEE Instrumentation and Measurement Technology Conference，May 16，2005－May 19，2005.Ottawa，ON，Canada: Institute of Electrical and Electronics Engineers Inc.，2005.1261－1265.

［12］盧浩，程德福，王言章，等.動(dòng)態(tài)磁導(dǎo)率的反正切模型研究及其在時(shí)間差型磁通門的應(yīng)用［J］.傳感技術(shù)學(xué)報(bào)，2012，25(9): 1226－1229.

［13］Wang Y，Wu S，Zhou Z，etal.Research on the Dynamic Hysteresis Loop Model of the Residence Times Difference(RTD)－Fluxgate［J］.Sensors(Switzerland)，2013，13(9):11539－11552.

［14］趙東東，劉斯，曹大平.環(huán)形坡莫合金磁心的磁化曲線函數(shù)構(gòu)造與應(yīng)用［J］.磁性材料及器件，2012，43(6):24－28.

［15］Dimitropoulos P D.Noise Sources in Miniature Fluxgate Sensors Part I:Theoretical Treatment［J］.Int J Electron，2005，92(9): 499－524.

［16］Geiler A L，Harris V G，Vittoria C，et al.A Quantitative Model for the Nonlinear Response of Fluxgate Magnetometers［J］.J Appl Phys，2006，99(8):08B316－1－08b316－3.

［17］張學(xué)孚，陸怡良.磁通門技術(shù)［M］.北京:國防工業(yè)出版社，1995:2.

［18］Yang S，Liu S，F(xiàn)eng W，et al.SPICE Circuit Model of Voltage Excitation Fluxgate Sensor［J］.IET Science，Measurement and Technology，2013，7(3):145－150.

［19］羅巍，劉詩斌.磁通門中的坡莫合金材料的磁滯回線的擬合［J］.金屬功能材料，2008，15(6):30－32.

［20］劉詩斌.微型智能磁航向系統(tǒng)研究［D］.西安:西北工業(yè)大學(xué)，2001.

［21］Chen D X，Pardo E，Sanchez A.Demagnetizing Factors for Rectangular Prisms［J］.Magnetics，IEEE Transactions on，2005，41(6): 2077－2088.

楊尚林(1983－)，男，寧夏靈武人，西北工業(yè)大學(xué)電子信息學(xué)院博士研究生。專業(yè)方向?yàn)槲㈦娮优c固體電子學(xué)，現(xiàn)在主要從事微型磁通門傳感器研究，ysl029@163.com;

劉詩斌(1960－)，男，河南鞏義市人，西北工業(yè)大學(xué)電子信息學(xué)院教授，博士生導(dǎo)師。長(zhǎng)期從事無人機(jī)傳感器系統(tǒng)研究工作，研究領(lǐng)域?yàn)榇艌?chǎng)和壓力測(cè)量，智能傳感器系統(tǒng)，微電子和計(jì)算機(jī)應(yīng)用，liushibin@nwpu.edu.cn。

鐵芯參數(shù)對(duì)磁通門輸入輸出特性影響分析*

楊尚林，劉詩斌*，郭博，李學(xué)亮，秋頌松

(西北工業(yè)大學(xué)電子信息學(xué)院，西安710129)

針對(duì)磁通門需要什么參數(shù)的軟磁鐵芯的問題，在分析磁通門數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)上，得出了正弦激勵(lì)條件下磁通門的最佳激勵(lì)磁場(chǎng)為鐵芯飽和磁場(chǎng)強(qiáng)度的倍;以帶磁滯的雙曲正切函數(shù)擬合軟磁材料磁滯回線，分析了飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度、飽和磁場(chǎng)強(qiáng)度、矯頑力、矩形比和退磁系數(shù)對(duì)輸出二次諧波幅值和激勵(lì)電流的影響，得出高靈敏度磁通門鐵芯應(yīng)具有高磁導(dǎo)率和矩形比，低飽和磁場(chǎng)強(qiáng)度、矯頑力和退磁系數(shù);低功耗磁通門鐵芯應(yīng)具有高磁導(dǎo)率，適當(dāng)?shù)木匦伪?，低飽和磁感?yīng)強(qiáng)度、飽和磁場(chǎng)強(qiáng)度、矯頑力和退磁系數(shù);最后通過對(duì)比兩組六種不同鐵芯的磁滯回線和雙鐵芯磁通門輸入輸出特性，驗(yàn)證了以上結(jié)論的正確性。

磁通門傳感器;磁滯回線;軟磁鐵芯;最佳激勵(lì)磁場(chǎng);二次諧波幅值

TP212.1

A

1004－1699(2014)01－0040－08

2013－11－12修改日期:2013－12－31

C:7310L;3120D

10.3969/j.issn.1004－1699.2014.01.008

項(xiàng)目來源:國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(60874101);高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專項(xiàng)科研基金項(xiàng)目(20126102110031);西北工業(yè)大學(xué)研究生創(chuàng)業(yè)種子基金項(xiàng)目(Z2013074，Z2013075)