基于Maxwell与Simplorer仿真分析磁通门磁场传感器瞬态响应

为分析磁通门磁场传感器的工作原理,基于Maxwell和Simplorer软件建立了磁通门磁场传感器的电磁联合仿真模型,仿真了磁通门非线性激励电路中电流波形和磁通门传感器的瞬态响应过程,分析计算了磁通门二次谐波灵敏度以及磁通门传感器的转换系数.为验证仿真模型的准确性,利用钴基非晶薄片制作了磁通门传感器探头并利用开关电源驱动电路激励磁通门工作.实际测量的激励电流波形与仿真结果基本一致,磁通门二次谐波灵敏度的测量值与仿真值误差小于1.1%.测量磁通门的频率响应曲线得到磁通门的转换系数为100 mV/μT,与仿真值几乎完全一致,两者误差小于1.5%.该仿真模型对理解磁通门传感器的工作原理、瞬态响应过程以及指导微型磁通门传感器设计具有重要意义.     

低剩磁误差磁通门的激励电路研究

降低磁通门剩磁误差的有效方法是增大激励电流的峰值,但大的激励电流峰值将增大功耗.带有足够高峰值的尖脉冲激励电流能降低剩磁误差,同时也降低了功耗,但是降低了传感器的灵敏度而且信号的处理难度增加.一种有效的解决方法是采用激励调谐方法获得所谓理想激励波形.本文提出用激励电路产生高峰值和低有效值激励信号的方法.与调谐激励方法不同,该方法采用积分器和微分器对输入方波信号进行处理后相加,得到一种在峰值处叠加有尖脉冲的三角波信号.电路不用仔细调谐,且尖脉冲的峰值比较容易调节,方便对剩磁误差的研究.针对尖脉冲的峰值固定的情况,还提出了仅由两个电阻,两个电容和一个运算放大器组成的改进型电路.实验结果表明:采用本文激励电路,在10 mT的磁场干扰后,磁通门的剩磁误差为0.5nT.     

基于Magnet-MATLAB的微型磁通门联合仿真研究

针对Magnet在微型磁通门仿真分析时时间过长的问题,提出了一种将Magnet与MATLAB联合进行仿真分析的方法.基于Magnet建立磁通门探头3D模型,经仿真计算,得到被测磁场对应的感应线圈磁通;联合MATLAB将得到的感应线圈磁通转换为等效的小电流,经与激励电流叠加后,通过软件Flux提供的公式分别计算出受被测磁场影响下感应线圈磁通的变化情况;总磁通对时间求导,获得感生电压.在微型跑道型铁芯磁通门条件下,通过对Magnet仿真与Magnet-MATLAB联合仿真的计算结果比较表明:当外磁场小于5 μT时,2种仿真磁通门输出信号最为接近;与对全模型采用Magnet仿真计算用时超过30 h相比,联合仿真计算时间大幅减小,不超过10 min.     

一种正弦波磁通门传感器激磁系统的设计

针对方波激励磁通门易出现谐波干扰问题,提出一种采用正弦波激励磁通门的激磁系统。给出了总体设计方案,设计了信号发生器,信号调理电路和功率放大电路,并给出了激磁信号波形、频率和电流等关键参数的设计性能指标。搭建了系统测试平台,分析了在不同激磁波形下磁通门传感器的输出波形变化,实验结果表明：应用本系统能够得出正弦激励下磁通门最佳灵敏度的激磁工作频率为16 kHz,在此激励作用下,测试平台测得磁通门传感器的灵敏度是110 V/T。     

一种迟滞时间差型磁通门检测方法

针对现有的迟滞时间差型磁通门传感器检测方法的不足,提出了一种对磁通门数字信号进行曲线拟合,检测峰值点对应的时间来计算迟滞时间差的方法。利用实验室自制的迟滞时间差型磁通门传感器对本文提出的方法进行测试,结果显示传感器在±10×104nT范围内线性度误差为±0.0026%,灵敏度为8.5nS/nT,多次测量子样标准差不大于0.05。实验结果表明,该方法能够减小现有检测方法产生的非线性误差和重复性误差,避免因阈值选取不当而造成的测量错误,具有很好的工程应用前景。     

基于DSP的数字磁通门传感器设计

针对传统磁通门传感器模拟电路受温度影响较大的问题,设计了一种基于DSP的数字式闭环磁通门传感器.传感器的模拟电路由AD转换器、DSP和DA转换器取代,滤波、相敏整流和积分等关键环节采用DSP软件编程实现,模拟电路的减少增强了系统的稳定性.传感器的精度和稳定性主要取决于位于反馈回路的DA转换器,采用高分辨率、高稳定的DA转换器芯片可有效提高传感器的温度性能.详细介绍了该磁通门传感器系统的硬件结构、软件设计和实验结果.结果显示:系统零点温度系数为8.9×10-7/℃,灵敏度温度系数为3.9×10-6/℃,25℃时线性度达到了9.4×10-5.     

基于等效铁芯电感的磁通门HSPICE分析模型

提出了一种基于随电流变化的铁芯电感的磁通门HSPICE（High Simulation Program with IC Emphasis）模型,该磁通门模型铁芯的磁滞回线使用反正切函数来描述,其激励与测量线圈等效为一种随电流变化的电感电路模型。本文给出了全电路元件的磁通门模型的参数及提取方法,此模型可以在任意形状的电压激励波形下仿真,与已有的磁通门模型相比,具有仿真精度高、需要参数少且计算容易和可以方便进行输出信号处理的特点。实验和仿真结果对比表明,双铁芯磁通门HSPICE模型仿真的输入电流和输出电压的幅值分别为146 mA和1.03 V,与实际测试的146.6 mA和1.177 V相比,输入电流有0.6 mA的误差,输出电压有0.147 V的误差。     

磁通门的数值分析与HSPICE仿真

针对电压源激励和非正弦波激励在传统分析计算中存在的难题,提出了一种基于HSPICE的磁通门计算和仿真方法。磁通门铁芯用考虑磁滞现象的JA-Brachtendorf模型描述,而传统的JA-Brachtendorf模型参数的提取方法需要很多实验数据。运用一种简单的计算方法利用较少的试验数据先得到JA模型的数据,再由JA模型数据得到JA-Brachtendorf模型的参数。最后通过实例用HSPICE仿真考察电压源激励方式下磁通门各种物理量的波形、量值,与实验结果符合得很好。     

基于SVR的三轴磁通门传感器误差修正研究

提出了一种基于支持向量回归机(SVR)的三轴磁通门传感器误差修正方法。分析和理论计算了三轴磁通门传感器中由于三轴非正交、灵敏度不一致与零点漂移所引起的测量误差;设计了相应矩阵形式的数学模型对该误差进行修正。构造新的目标函数,使修正模型的参数矩阵转换为等价的线性形式,从而建立起中间模型。再由SVR算法辨识出中间模型系数,并通过中间模型系数与参数矩阵之间的关系,实现对误差修正模型的辨识。用实际地磁场测量数据进行测试,结果表明:三轴磁通门传感器在不同姿态下的测量误差由800 nT修正到60 nT以下。该研究为提高三轴磁通门传感器性能提供了一种可行方法。     

运动状态下磁场模量修正技术研究

考虑到现有三轴磁通门传感器的修正存在方法复杂、对设备要求较高、效果不佳等问题.根据三轴磁通门传感器是由于三轴不正交、灵敏度不一致和零点偏移所引起的误差进行分析和理论计算,提出了三轴磁通门传感器修正模型并运用奇异值分解和单纯型法进行实验.实验结果表明,该方法能够简单、有效的对磁场模量进行修正,能够广泛的应用于三轴磁通门传感器静态和动态的总模量修正.     

Maximum energy transfer conditions in parametric amplification of current-output fluxgate sensors

This paper analyzes the process of energy transfer between the excitation and the detection circuit of the current-output fluxgates. A physically instructive explanation of the energy transfer process is given by utilizing a “mechanically excited” model, and the phase matching equations of the maximum energy transfer conditions are derived. The calculated value of the tuning capacitor fit the experimental value well with a deviation of 5%. The experimental results have confirmed that the derivation of the maximum energy transfer conditions provides a simple model in which the excitation characteristics are associated with the detection circuit of fluxgate sensors.     

Gradient‐based back‐propagation dynamical iterative learning scheme for the neuro‐fuzzy inference system

In this paper, a gradient‐based back propagation dynamical iterative learning algorithm is proposed for structure optimization and parameter tuning of the neuro‐fuzzy system. Premise and consequent parameters of the neuro‐fuzzy model are initialized randomly and then tuned by the proposed iterative algorithm. The learning algorithm is based on the first order partial derivative of the output with respect to the structure parameters. The first order derivative of the model output with respect to the structure parameters determines the sensitivity of the model to structure parameters. The sensitivity values are then used to set the tuning factors and parameters updating step sizes. Therefore, an adaptive dynamical iterative scheme is achieved which adapts the learning procedure to the current state of the performance during the optimization process. Larger tuning step sizes make the convergence speed higher and vice versa. In this regard, this parameter is treated according to the calculated sensitivity of the model to the parameter. The proposed learning algorithm is compared with the least square back propagation method, genetic algorithm and chaotic genetic algorithm in the neuro‐fuzzy model structure optimization. Smaller mean square error and shorter learning time are sought in this paper, and the performance of the proposed learning algorithm is versified regarding these criteria.     

磁通门测量地磁信号的数字化分析

针对现有的磁通门信号处理电路仍以模拟元件为主,电路较为复杂的缺点,提出了一种以数字信号处理器(DSP)为主的信号处理系统,优化磁通门传感器的结构,提高了磁通门传感器的抗干扰能力.根据双磁芯磁通门的基本原理,建立了磁通门数学模型并采用Simulink信号处理模块模拟DSP对磁通门输出信号进行处理;针对双磁芯磁通门上、下磁芯不一致产生的磁通门信号噪声,采用带通滤波方法进行了滤波,仿真结果与理想状态下双铁芯磁通门的输出一致,系统分辨力达到3 nT.通过实验数据与仿真数据的对比,验证了DSP信号处理系统的可行性.     

基于HSPICE温度对长条形磁通门输出的影响

温度对磁通门的输出性能起着重要的影响。扩展了Jiles-Atherton模型来描述温度对磁通门输出的非线性磁滞特性。借助于HSPICE分析软件,建立仿真模型,在理论层面阐释了温度对长条形磁通门的影响,有别于用实验进行验证的工作。仿真结果很好的反映了温度的线性变化对长条形磁通门输出的非线性变化的影响,与实验吻合得很好,对磁通门的实际应用提供了有益的理论探索。     

Output performance optimization for RTD fluxgate sensor based on dynamic permeability基于动态磁导率参数的时间差型磁通门传感器的输出响应优化

The output performance of residence times difference (RTD) fluxgate may vary under different driving conditions (driving currents and frequencies) and core materials. To optimize the RTD fluxgate and simplify its design process, an analytical model is employed to select the parameters and identify the effective factors that dominate the performance. The dynamic permeability parameters (P_i), which reflect the changes in the magnetization curve, are mathematically analyzed in detail. The linear variation functions of P_i in different driving conditions are fitted by using the dynamic arctangent hysteresis model. Consequently, the selection of driving conditions and core materials, which are assessed by comparing the experiment and simulation results, has an important role in achieving the optimal output performance of the RTD fluxgate.     

基于四次谐波选择法的磁通门传感器分析

采用分段折线近似磁滞回线,分析了矫顽力对磁通门输出的影响,通过理论推导得到各偶次谐波灵敏度解析表达式.比较了二次谐波选择法和四次谐波选择法灵敏度,量程和非线性度.详细讨论了四次谐波的适用条件.研究结果表明选取四次谐波还是选取二次谐波,不仅取决于激励磁场与饱和磁场强度比值,还取决于矫顽力与饱和磁场强度比值.研究结果对实际...     

基于单片机的磁通门传感器非正交性校正研究

为提高对磁通门传感器误差校正的能力,该文提出基于单片机的磁通门传感器非正交性误差校正方法。构建磁通门传感器非正交性约束参数模型,结合PI调节器对磁通门传感器的节点进行部署设计;在输出振荡模式约束下设计磁通门传感器的组网结构,结合ZigBee组网协议实现传感器路由探测;在自适应反馈调节方法的约束下,结合最短路径寻优控制过程实现磁通门传感器非正交性误差补偿抑制,通过自适应扩频处理方法对传感器的信道输出进行补偿,并提取传输信道的关联特征量,结合信道均衡控制方法进行磁通门传感器网络的输出误差补偿;采用单片机对磁通门传感器校正过程进行集成控制,提高磁通门传感器输出过程的自适应信息处理能力。仿真结果表明,采用该方法进行磁通门传感器非正交性误差校正过程的稳定性较好、传输损耗较少,输出结果误码率较低,有效提高了传感器的信息输出的准确性。