RTD型磁通门传感器仿真模型研究

摘要：為了分析比较不同情况下RTD型磁通门传感器的性能，本文根据传感器的工作原理和组成结构，利用simulink仿真软件建立了RTD型磁通门传感器的仿真模型，该模型能够模拟传感器的测量过程，为传感器的性能研究提供模型依据。

关键词：RTD型磁通门;传感器;仿真模型

中图分类号：TP212.13    文献标识码：A    文章编号：1007-9416（2018）10-0000-00

1 引言

磁通门传感器具有体积小、灵敏度高、功耗低等特点，被广泛应用于资源勘探、航空航天及海洋探测等领域。随着科学技术的快速发展，磁通门传感器应用领域的增多，对其性能也提出了更高的要求。Bruno Andò等人发展的RTD型磁通门传感器，具有检测环节简单、抗干扰能力强、易于实现数字化、微型化等优点。因此，研究RTD型磁通门传感器的仿真模型，能够为传感器性能研究奠定基础，具有重要的理论价值。

2 RTD型磁通门传感器的工作原理

RTD型磁通门传感器的敏感单元磁芯采用具有双稳态特性的软磁材料，在激励磁场的作用下，磁芯在正负饱和状态间转换，磁芯势阱同时发生变化，饱和状态与势阱的稳态点相对应，磁化函数和双势阱函数间的动力学方程表示如下：

（1）

式中，x（t）为磁化函数，U（x）为势阱函数，h（t）为外部磁场，ζ为时间常数，c为无量纲参数，U（x）表达式如下：

          （2）

外部磁场形式如公式（3），He（t）为周期性交变的激励磁场，Hx为被测磁场。当Hx=0时，磁芯上的外部磁场对称，磁芯驻留在两个稳态点的时间相同;当Hx≠0时，磁芯上的外部磁场非对称，磁芯驻留在两个稳态点的时间不相同出现时间差。因此，RTD型磁通门传感器通过检测时间差ΔT测量被测磁场Hx。

（3）

当施加在敏感单元磁芯的外部磁场强度等于矫顽力时，感应线圈输出电压脉冲，如图1所示，实线为不存在被测磁场时，输出的感应电压脉冲;虚线为存在被测磁场时，输出的感应电压脉冲。在实际测量时，通过检测感应电压脉冲峰值间的时间间隔T+和T？，获得驻留在两个稳定状态的时间差值ΔT=T+？T？。

在一个周期内磁芯饱和时，感应电压脉冲出现峰值的时刻为ti（i=1，2，3）。此时，激励周期Te、He（t）、Hx及±Hc之间关系如下：

               （4）

由上式可得：

                （5）

感应电压脉冲峰值间的时间间隔T+和T？表达如下：

（6）

因此，ΔT与Hx之间的关系如下：

（7）

3 RTD型磁通门传感器的组成

图2所示为RTD型磁通门传感器的组成，主要包括敏感单元和检测电路两部分。激励电流施加到激励线圈中得到激励磁场，然后通过软磁材料磁芯后，感应线圈得到差分形式的电压。前置放大器需要设计抑制共模干扰的差分放大电路，再通过放大电路将感应电压放大到便于整形的幅度，整形成占空比随被测磁场Hx改变的脉冲电压，随后进行计数得到时间差ΔT测量被测磁场Hx。

4 RTD型磁通门传感器仿真模型搭建

为了研究RTD型磁通门传感器在不同情况下的性能，需要构建传感器的仿真模型，由于Simulink是一个与Matlab融为一体，对动态系统进行模拟、仿真和分析的应用软件。因此，本文采用Simulink软件，根据传感器的工作原理和组成，搭建模块化的仿真模型，如图3所示。

激励磁场He（t）利用信号发生器产生，通过设置发生器的幅度、频率及波形，可以获得不同的激励磁场;被测磁场Hx利用常数发生器产生，通过调整参数来改变被测磁场Hx的方向及大小;被测磁场Hx与激励磁场He（t）利用加法器相加，获得外部磁场h（t）;磁芯采用理想磁滞回线模型，利用斯密特触发器产生，转换阈值设置为矫顽力值;感应电压e（t）利用乘法模块和求导模块构成;利用计数器对感应电压e（t）进行计数，计算脉冲间的时间差ΔT。

按照图3搭建的传感器仿真模型，采用正弦波磁场激励，设置激励频率为10Hz，激励幅度为5A/m，被测磁场为0.8A/m，得到传感器输出时间差？T与被测磁场Hx，如图4所示。由图可知，本文设计的仿真模型与RTD型磁通门传感器的工作原理相一致，能够模拟传感器的实际测量过程。因此，可以通过设置不同的模型参数，对比研究不同情况下传感器的性能。

5 结语

本文阐述RTD型磁通门传感器的工作原理，推导了时间差与被测磁场的关系，介绍了传感器的组成结构。在此基础上，利用simulink仿真软件搭建了传感器的仿真模型，为研究RTD型磁通门传感器的性能提供了模型依据。

参考文献

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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