[发明专利]基于磁场积分方程法的磁通门瞬态分析方法

说明书

技术领域

本发明涉及磁通门输出信号的瞬态分析方法，具体涉及利用磁场积分方程法对磁 通门输出信号进行瞬态分析的方法。

背景技术

磁通门主要由高导磁率铁芯及两种线圈构成：在高导磁率铁芯外面总共有两组线 圈，一组沿两根铁芯(或环状铁芯两半)对称顺绕，称为激励线圈，供交变电流，另一组称测 量线圈或接收线圈，它们绕制在激励线圈外面；当存在外磁场时线圈两端出现感应电动势。 磁通门是磁通门传感器的重要组成部分，磁通门传感器是利用被测磁场中高导磁铁芯在交 变磁场的饱和激励下，其磁感应强度与磁场强度的非线性关系来测量弱磁场的一种传感 器。为了制作出性能优良的磁通门传感器，常常需要借助于各种数值分析方法来对磁通门 进行分析和优化。

采用有限元法对平面磁通门进行分析，需要十分复杂的步骤设置以及大量的剖分 等处理环节，文献“Anintegratedmicro-fluxgatemagneticsensorwithfront-end circuitry,IEEETransactionsonInstrumentationandMeasurement,Vol.58, 2009,p3269-3275.”公开了一种采用有限元对平面磁通门输出信号进行分析的方法，进行 一次磁通门瞬态分析就需要约为120个小时，如果想获得磁通门线性范围、最佳激励条件等 性能指标，还要进行多次瞬态分析，则需要更长的时间。文献“Demagnetizingfieldin ferromagneticsheet,PhysicaB,Vol.306,2001,p172–177.”公开了一种采用退磁 系数对磁通门进行分析的方法，虽然解决了有限元法计算时间长的问题，但是精度很差。文 献“Abouttheuseofnumericalintegralmethodstosimulateafluxgate magnetometer:Thering-coreexample,Sensors&ActuatorsAPhysical,Vol. 163,2010,p48-53.”公开了一种采用静态积分方程来分析磁通门的方法，虽然能够使得 计算时间大大减少，而且在精度方面也可以达到磁通门的要求，但是它只对磁通门进行了 准静态分析，并没有解决磁通门的瞬态分析问题。因此有必要设计一种磁通门瞬态分析方 法，满足耗时少、精度高的要求。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的上述不足而提供一种基于磁场积 分方程法的磁通门瞬态分析方法，其能够对磁通门进行快速精确分析和优化。

本发明解决上述问题所采用的技术方案为，基于磁场积分方程法的磁通门瞬态分 析方法，磁通门包括铁芯、激励线圈、接收线圈，铁芯为两条长条状薄片，磁通门铁芯数学模 型简化为平面二维模型，其特征在于，磁通门瞬态分析步骤包括：

首先计算磁通门铁芯的形状参数并测试铁芯材料的磁化曲线，建立准静态模型；

然后在准静态模型中引入激励电流频率的影响：在低频情况下可以忽略位移电流，电流密度可分解为涡流和给定的激励电流密度，即，根据磁场叠加原理，考虑涡流影响后，磁通门铁芯内磁场强度可以分解成：

其中是源磁场，包括激励电流产生的磁场强度和被测外磁场，是涡流产生的寄生磁场，是铁芯材料产生的退磁场；

将涡流产生的磁场强度移项到左端，并记，可得，铁芯内磁场方程组为：

对于薄片状、圆柱状铁芯，可以用铁芯形状参数和磁感应强度时变率表示涡流产生的寄生磁场，其中铁芯材料数学模型为：

最后建立磁通门瞬态分析模型，

在考虑频率的外磁场中，铁芯材料内的磁场与磁化强度的关系由以下方程组描述：

其中为形状参数，为磁滞损失参数，为平均场参数，为磁畴壁弯曲常数，为涡流产生的寄生磁场，是与铁芯厚度和导电率有关的系数，为铁芯材料的饱和磁化强度，为不可逆磁化强度，为非磁滞磁化强度，为铁芯材料的磁化强度，B为磁感应强度，H为磁通门铁芯的总磁场，参数、、、和描述非磁滞磁化曲线的形状，线性部分由描述，而饱和部分由、、和描述，为方向参数，当dH/dt>0时取+1，当dH/dt<0时取-1；

联合铁芯材料的磁化曲线及以上公式、方程组，对磁通门进行瞬态分析。

建立准静态模型的步骤包括：

第一步，计算磁通门铁芯的形状参数并测试铁芯材料的磁化曲线；